水工金属结构声发射检测传感器的选择探索

戚 波，王兆刚，鹿 星，伍卫平，胡木生

（1.水利部水利工程建设司，北京 100053；2.中国南水北调集团有限公司，北京 100037；3.水利部水工金属结构质量检验测试中心，河南 郑州 450044）

0 引言

水工金属结构采用声发射技术[1]（Acoustic Emission，简称AE）进行检测时，通过接收和分析水工金属结构材料在承受荷载时的声发射信号，可评定其材料承受荷载的安全性能或结构的完整性。声发射检测技术对水工金属结构承受荷载的安全性能或结构的完整性进行安全运行评估与预警，已成功应用于水工金属结构的荷载试验检测评估和压力试验安全保障等工作，胡木生 等[2]对声发射检测技术在水工金属结构荷载试验检测中的应用进行了分析，伍卫平 等[3-6]对水利水电工程压力钢管岔管水压试验时是采用声发射检测的相关技术进行了广泛的研究。

水利水电工程金属结构设备声发射检测时，用一个或若干个固定安装在水工金属结构材料表面上的声发射传感器来检验金属结构设备承受荷载或水压试验时的安全性。声发射传感器是声发射检测系统必不可少的组成部分，其选择正确与否，直接关系到声发射检测系统整体性能的发挥。工程检测实际中，声发射传感器灵敏度、工作频率范围和衰减特性等性能参数的正确选择，不仅对声发射传感器希望采集到的声发射信号和希望接受到的声发射信号有较大影响，而且在后期对声发射检测数据分析时数据的真实度和数据的处理结果有较大影响。从水工金属结构声发射检测技术的应用角度，进行压力钢管试件声发射检测工程试验，探索声发射传感器灵敏度、工作频率范围和衰减特性等性能参数的选择，工程试验结果可为声发射检测技术在水利水电工程金属结构设备荷载试验或水压试验时进行声发射检测提供技术支撑。

1 声发射检测

1.1 基本概念和系统原理

由金属材料组成的水工金属结构，在承受荷载或水压试验时，会产生结构应力。结构应力作用下的宏、微观变形与缺陷扩展，导致结构强度、刚度或稳定性不能满足要求，是水工金属结构失效的重要机制。水工金属结构的材料发生宏、微观变形与缺陷扩展时，材料内、外部的局域源会快速释放能量产生瞬态弹性波的现象称为声发射，有时也称为应力波发射。对材料释放出来的瞬态弹性波进行采集与分析，评价结构的完整性和安全性，就是声发射检测。

声发射现象是自然界一种常见的物理现象，几乎发生在所有承载结构的材料中。各种金属、非金属材料的宏、微观变形与缺陷扩展的声发射信号频率范围均不相同，从几Hz 的次声频瞬态弹性波、20 Hz～20 kHz 的声频瞬态弹性波到数MHz 的超声频瞬态弹性波都有。另外，瞬态弹性波的声发射信号幅度变化范围也很宽泛，从幅值1 010 mm 量级的微观位错运动到1m 量级如地震波的宏观运动均有发生。随着声发射检测技术的发展，市场上第五代声发射检测仪器的信号带宽已扩展到1 kHz～5 MHz 甚至10 MHz，完全能满足当前水工金属结构设备声发射检测的要求。

水利水电工程金属结构设备承载构件的宏、微观变形与缺陷扩展时，金属材料内、外部发射的瞬态弹性波最终会传播到达到材料表面，产生可以用声发射传感器探测到的表面位移信号。声发射检测系统的工作原理就是使用声发射传感器，将金属材料表面因瞬态弹性波引发的机械振动产生的位移信号进行采集，通过声发射传感器内的电子电路转换为电信号，然后通过信号放大器进行放大，信号采集处理系统进行数据分析、处理和记录，提供检测数据。系统工作原理见图1。

图1 声发射检测原理图

1.2 技术用途

水工金属结构声发射检测技术的用途很多，譬如在水利水电工程移动式启闭机荷载试验过程中进行声发射检测，及时发现主要承载结构宏、微观变形与缺陷扩展情况，对移动式启闭机的安全状况进行保障；在水工钢闸门充水试验进行声发射检测，及时发现闸门主要承载结构的变形与缺陷扩展情况，对闸门的挡水安全进行保障；在压力钢（岔）管水压试验时进行声发射检测，对管壳材料中的缺陷扩展情况进行监控，确保压力钢（岔）管水压试验的安全。

水工金属结构声发射检测的主要目的：①为了确定金属材料中宏、微观变形与缺陷扩展时产生瞬态弹性声发射源的部位，为后续采用其他检测方法对缺陷定位提供数据支撑；②为了分析瞬态弹性声发射源的性质，初步评价该瞬态弹性声发射源对结构可能产生的危害程度；③为了确定瞬态弹性声发射发生的时间或载荷，对水工金属结构在该状态下的安全性能进行评估；④为了评定声发射源产生的瞬态弹性声发射波的严重性，综合判断水工金属结构设备的安全性能状态。工程检测实际过程中，对超过标准评判的瞬态弹性声发射源，要采用超声波检测等其他无损检测方法进行局部复查检测，精准定位超过标准评判的瞬态弹性声发射源位置、性质与大小，为指导后续检测工作或为采取相应工程处理措施提供依据。

2 声发射传感器的选择

2.1 传感器型号选择

声发射传感器是声发射检测系统必不可少的组成部分。在水工金属结构声发射检测过程中，声发射传感器的选择正确与否，直接关系到声发射检测系统整体性能的发挥。根据当前市场上成熟的声发射传感器型号和性能参数以及金属材料试件试验，水工金属结构采用声发射检测时，应采用宽带响应的谐振式声发射传感器。

水工金属结构声发射检测目的之一，就是在声发射检测时，对瞬态弹性声发射源进行定位。水利水电工程金属结构设备如移动式启闭机、水工钢闸门和压力钢（岔）管等均使用金属材料，金属材料的声学各向异性较小，声波衰减系数也很小，频率带宽范围大多是25 kHz～750 kHz。因此，对水工金属结构进行声发射检测时，选用谐振式声发射传感器，可对瞬态弹性声发射源进行准确定位。

具备条件的情况下，应对金属材料的声参数提前进行工程实际测试试验，确定水工金属结构中声发射信号的频率主要分布范围，然后选择能包含此范围的声发射信号的频率宽度，以及灵敏度高、对噪音信号充分过滤的传感器进行工程实际检测。

谐振式声发射传感器对带宽范围内特殊频率的信号非常敏感，灵敏度较高，极易与相同频率的声发射信号产生共振。当前市场上，成熟的谐振式声发射传感器主要有R15 型谐振式声发射传感器和R3型谐振式声发射传感器两种型号。R15 型谐振式声发射传感器的谐振频率为150 kHz，即该声发射传感器对这个频率的信号非常灵敏；当信号频率小于50 kHz 或者大于400 kHz 时，声发射传感器的灵敏度就迅速降到60 dB 以下，工作频率范围为50 kHz～400 kHz，其频率响应曲线见图2。R3 型谐振式声发射传感器的谐振频率为300 kHz，工作频率范围为25 kHz～70 kHz，其频率响应曲线见图3。

图3 R3 型谐振式声发射传感器频响曲线

由于谐振频率较高，R15 型谐振式声发射传感器的工作频率范围比R3 型谐振式声发射传感器的工作频率范围要宽，两者在各自谐振频率附近的灵敏度接近一致，详细性能参数对比见表1。

表1 两种常用谐振式声发射传感器的性能参数

2.2 频率响应衰减特性分析

水工金属结构采用声发射检测时，不仅要考虑构件的几何尺寸和所需要的传感器数量，还应考虑布置传感器时的最大间距限制。

由于材料阻尼比的存在，声发射信号发生衰减，是声发射信号幅值随着离开瞬态弹性声发射源距离的增加而减小的必然现象，不可避免。声发射信号的衰减现象，导致了距离瞬态弹性声发射源较远位置的信号较弱，限制了瞬态弹性声发射源的可检测性。在水工金属结构声发射检测过程中，声发射信号的衰减曲线是确定声发射传感器布置时间距值的关键性因素。因此，在声发射检测时，应事先进行声发射传感器在检测对象材料中信号衰减特性的测试试验[7]。

瞬态弹性声发射源发生的信号在检测对象材料中的传播衰减曲线，关系到每个声发射传感器可监视的距离范围，在声发射源定位中成为确定声发射传感器检测时的布置间距和传感器工作频率的关键因素。

水工金属结构声发射检测时，为减少声发射信号衰减的影响，通常采取的措施是降低谐振式声发射传感器的谐振频率或减小谐振式声发射传感器的布置间距。例如，在水工金属结构的局部健康声发射监视检测时，通常采用150 kHz 的高频谐振式声发射传感器；在大面积的泄露状况声发射监视检测时，则多采用30 kHz 的低频声发射传感器；对大型水工金属结构的整体安全状态进行声发射检测时，则相应增加谐振式声发射传感器的布置数量。

选取直径为Φ160 mm、公称壁厚4 mm、材质为Q345R 的水工金属结构压力钢管试件，分别采用150 kHz 和30 kHz 谐振频率的两种谐振式声发射传感器，以国产Ф0.5 mm 的HB 铅芯折断作为声发射模拟源，在压力钢管试件特定部位进行5 次断铅试验，取5 次幅值均值（均值取整便于计算）作为幅值响应，进行声发射信号的频率响应衰减特性试验。谐振频率为150 kHz 的谐振式声发射传感器、Ф0.5 mm 的HB 断铅试验信号幅度衰减试验结果详见表2，谐振频率为30 kHz 的谐振式声发射传感器、Ф0.5 mm的HB 断铅信号幅度衰减试验结果详见表3。

表2 150 kHz 传感器、Φ0.5 mm 的HB 断铅试验信号幅度衰减测量

表3 30 kHz 传感器、Ф0.5 mm 的HB 断铅信号幅度衰减测量

分析表2、表3 数据，可以看出：①谐振式声发射传感器的布置距离对压力钢管试件声发射信号的衰减特性有显著影响，距离越远，衰减越大；②谐振式声发射传感器的谐振频率亦对压力钢管试件声发射信号的衰减特性有明显影响，频率越高，衰减越大。水工金属结构压力钢管试件声发射信号衰减趋势详细见图4。

图4 幅值衰减曲线

因此，对水工金属结构声发射检测时，声发射传感器的选择，应同时考虑谐振式声发射传感器的峰值灵敏度、谐振频率、工作频率范围以及声发射信号的衰减特性等因素。

3 结论

综上所述，在水利水电工程金属结构设备声发射检测过程中，应首先对金属材料的声参数进行实际测试，确定水工金属结构材料中声发射信号频率的主要分布范围；然后选择能包含此范围的声发射信号的工作频率宽度，以及灵敏度高、对噪音信号充分过滤的传感器进行工程实际检测应用；同时，在进行声发射传感器型号的选择时，还应充分考虑其谐振频率和信号衰减特性等因素。

水工金属结构声发射检测过程中，一般推荐采用150 kHz、30 kHz 的谐振声发射传感器。通过水工金属结构压力钢管试件声发射检测试验发现，150 kHz谐振声发射传感器的谐振频率较高，信号衰减较快，但工作频率带宽范围相对更大。因此，150 kHz 的谐振声发射传感器适用于移动式启闭机、水工钢闸门等水工金属结构荷载试验时的母材缺陷和焊接缺陷的声发射检测；30 kHz 的谐振声发射传感器适用于压力钢（岔）管水压试验泄漏等场合的整体性声发射检测。