声发射在土木工程中的应用

    1 声发射以及声发射技术概述

    声发射（Acoustic Emission，简称AE）与材料的变形和破坏有直接的关系， 是当材料或构件的局部受到损伤或断裂破坏时， 积蓄起来的应变能以应力波的形式释放出来的现象， 是材料或结构在外力或内力作用下， 在产生变形或损伤的同时， 以弹性波的形式释放出部分应变能的一种自然现， 是材料内部由于不均匀的应力分布所导致的由不稳定的高能态向稳定的低能态过渡时产生的松弛过程。

    声发射检测是一种动态无损检测方法， 而且声发射信号来自缺陷本身。 大多数固体材料在塑性变形和断裂时会发生声发射，如果释放的应变能足够大， 就可产生人耳听得见的声音， 但很多情况下声发射信号强度很弱， 只能用仪器检测、 分析声发射信号和利用声发射信号来推断声发射源的技术称为声发射技术[1]。

    从微观上看， 声发射起因于晶体错位， 颗粒间及颗粒内裂纹的形成和发展， 或微裂纹和微孔隙的闭合； 从宏观上看， 声发射来源于材料产生大面积裂缝和破坏， 或结构单元之间发生较大幅度的相对运动。 AE现象是大自然中普遍存在并被人们熟知的，像玻璃打碎时发出的脆裂声， 气球破裂瞬间的声音等都是AE现象。

    超声波探伤法是利用与AE相同的超声波来探测物体内部的缺陷， 超声波信号接收器接收从缺陷处反射回来的发生器的发射波， 以此来确认有没有缺陷， 信号发射器与接收器是相同的， 因此， 如果不对构件进行整体扫描， 可能就接触不到缺陷， 也就检查不出缺陷， 并且， 缺陷的大小受超声波频率的影响， 如果超声波的频率不满足， 就会受到限制。 AE的要求则不会这么苛刻，甚至它能检测到超声波不能检测的作业中的设备缺陷[2]。

    2 声发射技术的应用发展

    1937年美国杰克逊提出建议研究该现象， 之后奥伯特（Obert）和杜瓦尔（Duvall）在不深的矿山中检测到声发射。 自奥伯特研制了第一台声发射仪， 前苏联等国相继开发了从单通道到多通道，从便携式仪器到复杂的微震监测系统等一系列的仪器。 20世纪60年代， 声发射技术作为一种无损检测手段首先应用于美国原子能和宇航业中， 并于70～80年代在日本、 欧洲及我国相继得到推广应用， 并且发展迅速。

    在我国， 从1973年起开始有关声发射的研究工作， 国内声发射技术研究工作的特点是首先着眼于应用。 20世纪80年代， 由于技术和认识的限制， 人们主要利用声发射来预报和测量岩土工程中的裂纹扩展。 20世纪90年代以来， 随着计算机技术和信号处理技术的迅速发展， 以神经网络和小波分析为基础的声发射技术得到了进一步发展。 从研究范围看， 已从最初的仅限于压力容器、 金属疲劳和断裂力学应用等， 发展到目前的金属材料、 复合材料、 岩石和磁声发射等领域[3]。 目前我国声发射技术既有基础性声发射源的识别研究（主要是金属焊接的缺陷）， 也有道路交通、 土木建筑、 磁声发射、岩石、 过程监测、 压力容器等多个领域的广泛研究和应用工作。