一(yī)、聲發射技術(shù)機理及特征
聲發射（Acousticemission簡稱AE）又稱應力波發射，是材料或零部件受力作(zuò)用産生變形、斷裂，或內(nèi)部應力超過屈服極限ss而進入不可(kě)逆的塑性變形階段，以瞬态彈性波形式釋放應變能(néng)的現象。
在外(wài)部條件作(zuò)用下(xià)，固體（材料或零部件）的缺陷或潛在缺陷改變狀态而自(zì)動發出瞬态彈性波的現象亦為(wèi)聲發射。通(tōng)常意義上(shàng)的聲發射源，一(yī)般是指材料受力的作(zuò)用所産生的各種變形和(hé)斷裂機制，例如(rú)：金(jīn)屬材料中的裂縫擴展、位錯運動、滑移帶的形成、李生變形、晶界滑移、夾雜(zá)物(wù)的分離與開(kāi)裂；複合材料中的基體開(kāi)裂、層間(jiān)分離、纖維和(hé)基體間(jiān)界面分離和(hé)纖維斷裂等，這(zhè)些無損檢測的主要(yào)對象，都(dōu)是重要(yào)的聲發射源。
聲發射波的頻(pín)率範圍很(hěn)寬，從(cóng)次聲頻(pín)、聲頻(pín)直到超聲頻(pín)。它的幅度動态範圍亦很(hěn)廣，從(cóng)微(wēi)弱的位錯運動直到強烈的地(dì)震波。然而，聲發射作(zuò)為(wèi)無損檢測與無損評價手段，則是采用高靈敏度傳感器，在材料或構件受外(wài)力的作(zuò)用，且又遠在其達到破損以前，接收來自(zì)這(zhè)些缺陷與損傷開(kāi)始出現或擴展時(shí)所發射的聲發射信号，通(tōng)過對這(zhè)些信号的分析、處理來檢測、評估材料或構件缺陷、損傷等內(nèi)部特征。從(cóng)而，通(tōng)讨聲發射檢測，可(kě)以确定：[1]
1·材料或構件何時(shí)出現損傷；2，材料或構件出現損傷的部位
3·材料或構件出現損傷的嚴重程度及其危害性，對構件作(zuò)出結構完整性評價。
作(zuò)為(wèi)一(yī)種新的無損檢測技術(shù)，聲發射檢測技術(shù)與常規無損檢測技術(shù)：滲透、磁粉、渦流、射線、超聲檢測相比較具有兩個基本性的特點：？敏感于動态缺陷，而不是靜态缺陷；即不像其他(tā)無損檢測技術(shù)隻是在缺陷出現後，事後靜傑檢測時(shí)才能(néng)發現，而是在缺陷萌生和(hé)擴展過程中，即能(néng)實時(shí)發現。？聲發射波來自(zì)缺陷的本身而不是外(wài)部；從(cóng)而可(kě)以得到有關缺陷的豐富的信息以及檢測的高靈敏度與高分辨率。
以上(shàng)兩大特點導緻該項技術(shù)具有了(le)以下(xià)不同于常規無損檢測技術(shù)的優點：
1）可(kě)獲得關于缺陷的動态信息，并據以評價缺陷的實際危害程度，以及結構的整體性和(hé)預期使用壽命；
）對大型構件，不需要(yào)移動傳感器做(zuò)繁雜(zá)的掃查操作(zuò)，隻要(yào)布置好足夠數(shù)量的傳感器，經一(yī)次加載或試驗過程，即可(kě)大面積檢測确定缺陷的位置和(hé)監視(shì)缺陷的活動情況，操作(zuò)簡便，省工(gōng)、省時(shí)；
3）可(kě)提供随載荷、時(shí)間(jiān)、溫度等處施變量而變化的實時(shí)瞬态或連續信息，因而适用于過程監控，以及早期或臨近破不的預報；

4）對被檢工(gōng)件的接近要(yào)求不高，因而适用于其它無損檢測方法難以或不能(néng)接近的，如(rú)高低(dī)溫、核輻射、易燃、易和(hé)極毒等環境下(xià)的檢測；
5）對構件的幾何形狀不敏感，适于檢測其他(tā)方法所不能(néng)檢測的形狀複雜(zá)的構件；
6）幾乎所有材料在變形和(hé)斷裂時(shí)均産生聲發射，适用範圍廣。
二、聲發射技術(shù)在複合材料領域中的應用
複合材料是一(yī)種多相材料，由兩種或多種性質不同的材料組成，其主要(yào)組分是增強材料和(hé)基體材料，基本的結構式是層壓件和(hé)纏繞件。
複合材料因高的比強度和(hé)比模量以及良好的抗疲勞性和(hé)成形工(gōng)藝性，而在航空、航天、造船(chuán)、建築、橋梁等工(gōng)業言門得到了(le)大量的應用，并在壓力容器、管道(dào)，以及某些關鍵部位代替金(jīn)屬材料。但(dàn)是，纖維增強複合材料具有導電性差、熱(rè)傳導率低(dī)、聲衰減高等特點，在機械和(hé)物(wù)理性能(néng)方面呈顯著的各向異性，這(zhè)使得它對無損檢測的波傳播所起的個用與金(jīn)屬材料迥異，因而，其無損檢測也與金(jīn)屬材料顯然不同。
複合材料結構由于制造工(gōng)藝的特殊性，許多工(gōng)藝參數(shù)的微(wēi)小差異會導緻其産生諸多缺陷，使産品質量呈現明(míng)顯的散性。這(zhè)些缺陷嚴重地(dì)影響構件的機械性能(néng)、結構完整性和(hé)使用壽命。
複合材料結構缺陷的類型繁多，但(dàn)大緻可(kě)以分為(wèi)兩大類：
1）通(tōng)常表現為(wèi)損害構件的機械性能(néng)和(hé)物(wù)理性能(néng)的有：氣孔、夾雜(zá)、分層、纖維斷裂或不平直、纖維與基體的比值7正确、纖維和(hé)基體的結合狀況不佳、基體疏柱、基體裂縫、基體固化狀态不良等；
2）通(tōng)常表現為(wèi)損害構件的整體完整性的有：脫粘、橫向斷裂、龜裂、缺膠、膠層厚度不均勻、結構內(nèi)部損傷等。面對上(shàng)述種類繁多的缺陷，迄今，還沒有一(yī)種無損檢測方法可(kě)以檢測各種複合材料構件的所有缺陷。在實際應用中，往往需根據複合材料構件的形狀、類型、使用要(yào)求，要(yào)求檢測的缺陷類型、大小、位置、取向及檢測設備檢測能(néng)力等因素，選用幾種不同的方法互相補充。
然而，我們對每一(yī)複合材料構件無損檢測的目标是在于：檢測它的結構的完整性、強度和(hé)承載能(néng)力，評估它的使F壽命和(hé)使用安全性。
由于複合材料構件不同于金(jīn)屬構件的特殊性，且對它的破壞機理還缺乏系統的了(le)解，因而對它的主要(yào)缺陷類型仍是衆說紛纭，還不能(néng)用一(yī)、兩種主要(yào)類型的缺陷來決定其使用性能(néng)，評估預期壽命。例如(rú)，高性能(néng)的金(jīn)屬結構，相對來說，是用不包含所不希望存在的缺陷的材料制成的。在使用中，破損往往起源于裂縫開(kāi)始擴展為(wèi)可(kě)辨認的缺陷的時(shí)候，而且發生于裂縫繼續擴展以後。所以，在大多數(shù)金(jīn)屬結構中，我們所查找的基本缺陷是裂逢，一(yī)旦用無損檢測方法确定了(le)有缺陷的結構，就可(kě)以利用斷裂力學的基本概念，計算出使用條件下(xià)金(jīn)屬構件的預期壽命。

正如(rú)上(shàng)文所述，複合材料至今尚不能(néng)以少(shǎo)數(shù)的幾種類型缺陷确定為(wèi)損傷起源的主要(yào)缺陷。
大量實驗證明(míng)：有些具有明(míng)顯宏觀缺陷的架件，加載試驗到破壞，其疲勞壽命不一(yī)定就短；相反，有些無明(míng)顯宏刃缺陷的構件，若隐含有常規無損檢測難以檢出的、基體微(wēi)裂紋等缺陷，在實驗中發現其所具有的疲芳壽命則遠短于正常構件。
由于聲發射對缺陷起始和(hé)擴展的特有的敏感性，以及其所具有動态檢測強度和(hé)評估使用壽命的獨特功能(néng)，從(cóng)而近年(nián)來，複合材料無損檢測與評價技術(shù)已經把重點轉移到，利用聲發射技術(shù)檢測材料與構件的缺陷（包括微(wēi)觀缺陷）與損傷的萌生與擴展，并據以評估缺陷的危害程度，測定結構強度、整體性和(hé)預期使用壽命。對複合材料的發展而言，聲發射技術(shù)不僅僅是內(nèi)部缺陷和(hé)損傷的無損檢測手段，且已成為(wèi)材料性能(néng)（包括斷裂性能(néng)和(hé)力學性能(néng)等）研究、強度檢測與用壽命評估的必不可(kě)少(shǎo)的方法。
聲發射技術(shù)作(zuò)為(wèi)一(yī)種檢測技術(shù)起步于50年(nián)代初的德國(guó)，60年(nián)代，該項技術(shù)在美國(guó)原子能(néng)和(hé)宇航技術(shù)中迅速興起，産在玻璃鋼固體發動機殼體的檢測方面出現工(gōng)業應用的首例[2]，70年(nián)代，在日、歐及我國(guó)相繼得到發展，但(dàn)因當時(shí)的技術(shù)和(hé)經驗所限，僅隻獲得有限的成功。80年(nián)代，聲發射技術(shù)開(kāi)始獲得較為(wèi)正确的評價，并獲得迅速發展，已在金(jīn)屬和(hé)玩(wán)璃鋼壓力容器、儲罐、管道(dào)等重要(yào)領域進入工(gōng)業應用和(hé)标準化階段。随着計算機技術(shù)和(hé)信号處理技術(shù)的迅猛發展，國(guó)先進聲發射設備研制公司在聲發射技術(shù)軟，硬件方面的一(yī)些重大技術(shù)突破，以及新的數(shù)字化聲發射系統和(hé)相應的商業化實用軟件包的推出，已能(néng)獲得複合材料缺陷與損傷，在其萌生和(hé)發展中，甚為(wèi)豐富的和(hé)極其活躍的信息，使聲發射技才成為(wèi)在複合材料等先進的、新型材料研究和(hé)生産中不可(kě)替代的動态無損檢測技術(shù)。
聲發射技術(shù)在這(zhè)一(yī)領域的應用大緻可(kě)分如(rú)下(xià)幾個方面：在複合材料性能(néng)研究方面的應用
在複合材料結構完整性檢測方面的應用；在複合材料結構制造過程監測方面的應用。

三、在複合材料性能(néng)研究方面的應用
複合材料與傳統的金(jīn)屬材料相比，在航空航天以及軍用和(hé)民用領域得到越來越廣泛應用的最重要(yào)因素是其強度高、重量輕、機械性能(néng)優越，而這(zhè)些卓越性能(néng)則來自(zì)于複合材料中各構成成份本身的優越性能(néng)和(hé)合理搭配。對于複合材料的強度、韌性方面的研究，離不開(kāi)實驗手段，而聲發射技術(shù)在這(zhè)些實驗研究中扮演極其重要(yào)角色。複合材料的損傷形式很(hěn)複雜(zá)，大緻可(kě)分纖維斷裂，基體開(kāi)裂、脫粘、分層等幾種主要(yào)形式，每種損傷形式對複合材料的整體性能(néng)都(dōu)有不同程度的影響和(hé)作(zuò)用，所以對于複合材料性能(néng)的研究離不開(kāi)對這(zhè)些損傷形式的研究。實際上(shàng)，由于複合材料本身的複雜(zá)性，使得關于複合材料破壞機理方面的研究一(yī)直處于探索階段，許多問(wèn)題還沒有被人(rén)們所揭示。多年(nián)來人(rén)們采用了(le)各種手段從(cóng)事這(zhè)些方面的研究，但(dàn)這(zhè)些手段都(dōu)很(hěn)困難且都(dōu)有很(hěn)大局限性。
大量研究表明(míng)，盡管複合材料的幾種損傷形式都(dōu)有各自(zì)不同的複雜(zá)性，但(dàn)幾乎都(dōu)有一(yī)個共同特點，那(nà)就是這(zhè)些損傷缺陷發生和(hé)發展時(shí)都(dōu)有很(hěn)明(míng)顯的聲發射特征，而且聲發射手段對于這(zhè)些損傷過程的分析都(dōu)非常及時(shí)和(hé)有效，所以聲發射技術(shù)是複合材料破壞機理研究及強度性能(néng)研究的最有效手段之一(yī)。在這(zhè)方面，國(guó)內(nèi)外(wài)學者們進行(xíng)了(le)大量研究實踐，取得了(le)許多可(kě)貴的成果。
在複合材料的聲發射特征中，振鈴計數(shù)、幅度、持續時(shí)間(jiān)、恒載聲發射延續時(shí)間(jiān)、Felicity比是區(qū)别複合材料構件各損傷階段、損傷類型、力學特性的主要(yào)參數(shù)。
國(guó)內(nèi)學者通(tōng)過對Sic纖維鋁基複合材料聲發射研究發現用A技術(shù)能(néng)準确測定單纖維金(jīn)屬基複合材料中纖維斷枝數(shù)和(hé)纖維斷枝的平均長(cháng)度，由此能(néng)測定Sic纖維的斷裂強度和(hé)纖維與鋁基體間(jiān)的界面強度[5]。
J.G.BAKVCKAS等人(rén)通(tōng)過對钛基複合材料損傷過程的聲發射研究，也揭示了(le)幾種主要(yào)的損傷形式發生時(shí)所對應的E事件幅度的關系。
ThomasM.Ely等人(rén)對石墨環氧樹(shù)脂複合材料縱向開(kāi)裂與纖維斷裂的聲發射特征研究進一(yī)步發現縱向開(kāi)裂
（Longitudinal splitting）對應的E特征為(wèi)低(dī)幅度、短持續時(shí)間(jiān)、低(dī)計數(shù)和(hé)低(dī)能(néng)量；而高幅值、長(cháng)持續時(shí)間(jiān)、高計數(shù)及高能(néng)量的E信号則來自(zì)于纖維斷裂[7]。
TYI-JIINLUO等通(tōng)過陶瓷基複合材料縱向拉伸試驗的深入研究進一(yī)步發現：在應力水平超過應力應變關系的比例極限時(shí)，開(kāi)始出現基體裂紋并産生對應組信号；在比例極限與應變硬化階段前的非線性階段，AE計數(shù)與相應應變值呈非常明(míng)顯的線性關系；在應變硬化開(kāi)始點，基體裂紋及對應産生的E信号達到飽和(hé)；在此後開(kāi)始出現中等水平的E信号及對應的纖維/基體脫粘現象；在剛度逐漸減弱時(shí)開(kāi)始纖維斷裂或拉出，此時(shí)AE信号以穩定的數(shù)率連續減少(shǎo)[8]。
總之，膽技術(shù)在複含材料性能(néng)研究方面起了(le)十分重要(yào)作(zuò)用，也取得許多突破性的進展，但(dàn)這(zhè)方面的許多工(gōng)作(zuò)還處于探索之中。

四、在複合材料結構完整性檢測方面的應用
由于複合材料強度高、重量輕的特點，近年(nián)來，被廣泛用于壓力容器、管道(dào)、飛機及航天器的某些部件上(shàng)，聲發射技術(shù)對這(zhè)些受力結構的完整性檢測和(hé)安全壽命評估提供了(le)可(kě)靠方法。
對于複合材料結構的無損檢測，其它常規無損檢測方法，像超聲、射線、渦流等手段對某些複雜(zá)缺陷或微(wēi)小缺陷諸如(rú)基體微(wēi)裂紋、纖維/基體脫粘及單束纖維裂紋等很(hěn)難發現，且很(hěn)難做(zuò)到動态、實時(shí)監測，而隻有聲發射手段能(néng)動态、實時(shí)發現這(zhè)些缺陷。現代聲發射技術(shù)的全波形聲發射技術(shù)不但(dàn)能(néng)定性發現上(shàng)述缺陷，而且通(tōng)過多參數(shù)分析、相關分析等方法，尤其基于瞬态波形記錄的FFT分析手段更能(néng)對上(shàng)述缺陷進行(xíng)定量識别。
聲發射用于壓力容器檢測方面，對于金(jīn)屬壓力容器，聲發射手段已應用很(hěn)廣、也很(hěn)成熟，有關這(zhè)方面的檢測規範及标準也已非常完美和(hé)可(kě)靠。對于複合材料壓力容器的檢測正是基于金(jīn)屬壓力容器檢測基礎及複合材料A研究基礎上(shàng)開(kāi)展起來的。如(rú)前所述，由于複合材料在損傷過程中其A特征非常明(míng)顯，使用聲發射對複合材料壓力容器的檢測非常有效，同時(shí)由于複合材料不同于金(jīn)屬材料，它本身是各向異性、非線性，以及幾種破壞形式的複雜(zá)性、不連續性，其缺陷檢測及安全評估方面又有很(hěn)大的特殊性。
其二，作(zuò)為(wèi)現代處理技術(shù)的神經網絡及模态識别技術(shù)應用到聲發射研究，在傳統的聲發射研究中開(kāi)辟了(le)一(yī)個新領域，也給複雜(zá)條件下(xià)複雜(zá)結構的複合材料研究提供了(le)新的可(kě)靠手段。由于複合材料損傷，不但(dàn)聲發射特征明(míng)顯，而且聲發射信号非常豐富和(hé)複雜(zá)。神經網絡分析技術(shù)給解決這(zhè)些複雜(zá)問(wèn)題提供了(le)新的手段。
其三，聲發射技術(shù)與現代斷裂力學、損傷力學的結合将給複合材料構件的損傷容限設計提供依據，而且将更有效地(dì)揭示複合材料的損傷破壞機理和(hé)壽命規律。
總之，聲發射技術(shù)将是複合材料研究領域中不可(kě)多得的有生力量。