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声发射技术在家具质量检测中的应用

发布日期：2017-02-27 17:27　　　浏览次数：次

近年来，家具行业在环保意识高涨、木材资源有效利用、适当的加工控制、生产自动化以及产品的品质保证[1]等观念下，无损检测之需求有增多的趋势，只是在实用上仍有待进一步研究。

声发射技术作为一种无损检测技术，在国内外许多行业内已经得到了广泛的研究和应用。家具是各种木质材料的终端产品，其附加值最高，消费者对其品质也相对要求较为严格，再加上国际家具市场竞争激烈，因此家具工业的发展，有赖于制造技术之提高及产品品质之改善，因此结合声发射检测技术的特点探讨一下其在家具质量检测中的应用前景是十分有必要的，在国内台湾国立中兴大学率先对其进行了研究[2]。

1 声发射技术简介

声发射，AcousticEmission,简称AE，是材料中局域源能量快速释放而产生瞬态弹性波的现象[3]。声发射技术是一种无损检测技术，形象地讲，就像医生“听诊”一样，只不过医生是用听诊器对人体进行病情诊断，而声发射是用传感器对材料或结构内部进行故障或破坏检测。

1.1 声发射现象

声发射是一种常见的物理现象。裂纹的形成和扩展产生声发射，是一种主要的声发射源，一旦裂纹形成，材料局部地区的应力集中得到卸载，即产生声发射，如释放的应变能足够大，就可产生听得见的声音。实际上，裂纹在稳定扩展时，也能产生人耳听不见的声音，这也是目前声发射技术的主要研究范围。

1.2 声发射检测技术的基本原理

声发射检测技术的基本原理是利用耦合在材料表面上的传感器将材料内部声发射源产生的弹性波转变为电信号,然后用电子设备将电信号进行放大和处理,使之特性化,并予以显示和记录,从而获得材料内声发射源的特性参数.通过分析检验过程中声发射仪器所得的各种参数,即可知道材料内部的缺陷情况.如果用多通道声发射检测系统,还可以确定声发射源即缺陷的具体部位[4]。

声发射检测系统一般由传感器、前置放大器、信号记录和处理系统三部分构成,如图1所示：

2 声发射技术的应用

获取家具材料或构件的声发射信号源特征（源定位、破坏类型，破坏程度等）是声发射检测技术应用到无损检测中的主要目的之一，而获取声发射源特征的最可行方法是对声发射信号进行处理和分析。声发射技术对检测瞬态不稳定性是十分灵敏的，人们就是利用了这种灵敏性，对材料的断裂或其它行为进行分析和研究。

2.1 声发射源的定位

声发射源即破坏源，对破坏源进行精确定位，从而做出及时有效的修补措施是声发射技术的主要目的之一。

目前，声源的定位方法很多，较常见的有：区域定位法和时差定位法[5]。

（1）区域定位法的定位结果是表示一定区域内的缺陷，所以具有不确性，但该方法灵活且检测范围大。

（2）时差定位法是指将几个传感器按一定几何关系放在固定点上，测定源声波传播到各传感器的时差，将这些时差代入满足该阵列几何关系的方程求解，即可得到缺陷的位置坐标，可分为线定位、面定位及三维定位等。
以最简单的线定位举例如下：

在一维空间放置两个传感器，如图2，声发射波从声源Q到达传感器S1和S2的时间差为△t,声速为V，根据几何关系容易得到如下关系式：

由上式可见，声发射源位于一条双曲线上，即此双曲线上所有的点离两个传感器的距离差相等，两传感器即为双曲线的焦点。
2.2.声发射信号的处理技术

总体来说，AE信号处理方法可分为参数分析法和波形分析法[6]。

（1）常用的声发射信号的表征参数主要有声发射事件数、振铃计数、声发射振幅值、事件持续时间等。如图3所示：

（2）波形分析方法是指对AE信号波形进行记录分析，理论上来说，波形分析应该是实现定量分析的最精确的方法，因为它包括了声发射事件的所有信息。如：我国学者利用神经网络技术区别缺陷类型，并判断出裂纹的危害程度。

3.声发射技术在家具质量检测中的应用探讨

3.1.声发射技术与其他无损检测技术的比较

通过以上介绍，我们知道AE检测技术是判断内部损伤程度的一种新型动态无损检测方法，与其他无损检测技术相比。其优势如下：

（1）适用范围广，几乎所有材料在变形和断裂时均产生声发射声发射；

（2）检测灵敏度高，声发射波来自缺陷本身，可以得到有关缺陷的丰富信息；

（3）可对声发射源进行精确定位，从而进行及时有效的修复工作；

（4）对动态缺陷敏感，可对缺陷的产生、扩展、破坏进行实时、连续的在线监控，并据此评价缺陷的实际危害程度、结构的完整性和预期使用寿命，因而适用于工业过程在线监控及对可能出现的缺陷提前预警；

（5）对被检工件的几何形状不敏感,适用于其它方法不能检测的复杂形状构件等。

通过对声发射技术特点的总结分析，我们可以预见其在家具质量检测中的应用的适用性及实用性。

3.2.声发射检测技术在家具行业中的应用研究

如上述声发射技术在各个领域的应用所说，就声发射技术本身而言，它已日趋成熟；又如上述所归纳总结的特点可以看出其具有其他无损检测技术难以匹及的优势，但由于各方面的原因，其在家具行业的应用还尚为罕见，笔者总结现有的文献资料，认为声发射检测技术在以下几个方面有相当的应用价值。

3.2.1传统家具如:明清红木家具等的无损鉴定评估

通过AE技术我们有望对流传下来的名贵传统家具的完整性,破损程度，破坏源等进行无损鉴定，还可以根据其AE信号波形特征和参数特征对其进行量化的等级划分，即如完好无损，轻度损坏，严重损坏等。同时，有文献报道，根据AE检测技术还可以推测材料或构件的剩余寿命，因此，推算已经有一定使用年限的名贵家具的剩余寿命也是我们可预见的，以求对这些家具进行更好的维修与防护。

例如，对一把明代黄花梨圈椅进行检测，依据以上声发射检测技术的应用特点，理论上只要安置足够多的高灵敏度传感器，就能通过分析AE检测所反应的信号特征对其损伤部位进行定位，同时对其完整性以及损伤程度进行鉴定，对其剩余寿命进行评估。

3.2.2完善现代家具质量量化检测体系

根据现有家具行业标准，目前我国的家具质量力学性能检测主要还是依靠人工来定性观察破坏试验后家具是否出现明显裂痕，构件是否脱离或松动，尺寸是否变化[9]等等，这需要有足够专业知识的工作人员根据经验去评定，而且不同的人由于主观的因素所得出的结果也不同。从声发射技术的应用特点及已经应用的领域可以看出其在量化缺陷评定方面有其独特的优势，许多研究已经表明，在材料断裂很早之前就产生声发射，声发射技术能灵敏的检测动态裂纹的起始点，同时声发射的发生率随着时间而变化，裂纹的扩展速率与声发射振幅总和存在一定的关系，不同的裂纹长度所得到的AE信号也有所不同且具有一定的规律[10][11]等等，因此应用AE检测技术使得对家具力学性能的量化检测评定成为可能，同时可以比较准确的检定家具的有效使用寿命。

3.2.3家具板材的各种力学性能检测

材料的力学性能是材料设计和结构设计安全性评估的重要参数，同时也有助于预测其剩余寿命，因此各种板材的力学性能强度是家具质量好坏的基础。近年来，声发射技术在家具行业方面的应用研究已经涉及到对各种家具板材进行力学性能的检测，如徐慧等人在2004年对多种木材及木制品加载进行AE检测等。

3.2.4木材干燥过程的自动化控制以及机械加工监测

木材的干燥质量及切削质量对于家具的整体质量有着尤为重要的影响，因此将声发射技术应用于木材木材干燥与机械加工方面也是十分必要的。在干燥过程中,木材内部会在温度变化的情况下产生局部应力集中，从而释放应变能,因此产生大量的AE信号。将先进的信号分析技术和自动化技术结合,深入研究干燥过程中木材含水率、变形和开裂与AE特征参数之间的关系,建立模型,基准和工艺参数便可以自动实时调整,从而使得整个干燥过程得以自动监控。通过切削过程中产生的AE信号,研究切削状态、含水率等对声发射的影响,可实现控制切削过程中缺陷的产生和对刀具损耗情况的监测。而事实上，国内外科研人员也早已开始了在这方面的研究，例如：R.Honeycutt等人利用声发射技术，特别是AE计数率控制红橡的窑干速率等。

3.3.AE技术的检测装置及基本应用程序

AE技术的主要检测装置如图4-图9。其基本应用步骤首先是准备工作，确定传感器阵列，并放置好各传感器，保证良好的耦合；然后是检查接好的线路，并设定条件；接着是校准检测的系统并除去干扰噪声；再接着就可以进行检测和信号收集了，最后处理信号、评定结果，并出具检测报告[12]。

4.结语

声发射是材料破坏的先驱现象，是材料内部状态的真实反映，而且声发射检测技术在材料和构件的动态实时监测方面是其他无损检测方法难以比拟的,所以笔者相信声发射技术定将成为家具质量无损检测的有效手段。

参考文献

[1] 孙建平，王晓婕，朱毅．金融危机时代中国家具行业持续发展策略[J]．家具与室内装饰，2010(9)：18—19．

[2] 江吉龙．音射技术评估木质家具不同接合构件之结构性能[D]．台北：国立中兴大学，2004．

[3] GB/T 12604.4—2005，无损检测术语—声发射检测[S]．北京：中国标准出版社，2005．

[4] 杨瑞峰，马铁华．声发射技术研究及应用进展[J]．中北大学学报，2006，27(5)：456—461．

[5] 徐慧.木制品材料声发射特性研究[D]．南京：南京林业大学，2005．

[6] 耿荣生，沈功田，刘时风.声发射信号处理和分析技术[J]．无损检测，2002，24(1)：23—28．

[7] (日)胜山邦久编著，冯夏庭译．声发射(AE)技术的应用[M]．北京：冶金工业出版社，1996．