摘 要：介绍了声发射检测技术的定义、原理和特点，回顾了声发射技术的发展历史以及它在木质材料无损检测领域中的应用；在此基础上提出声发射检测技术在木材科学与技术领域的应用前景。

关键词：声发射，木质材料，无损检测
　　木质材料的无损检测对合理利用木质材料、降低生产成本、节约原材料、保证木质材料产品质量和安全使用等，有着重要的实际意义，所以在木质材料检测中越来越多的先进无损检测技术被使用，但从各种无损检测方法的特点来看，只有声发射检测技术能动态跟踪监测材料的应力状态。声发射作为一种动态的无损检测技术，可以通过采集木质材料受力时产生的声发射信号，对材料在受力状态下的声发射现象进行实时监测，了解材料因为受力而产生破坏的实时状态。

1　声发射技术的定义
　　声发射(Acoustic Emission，简称AE)可以定义为物体或材料内部迅速释放能量而产生瞬态弹性波的一种物理现象，而AE信号则表示一个或多个AE事件经传感器接收并经系统处理后以某种形式出现的电信号[1]。用仪器探测、记录和分析声发射信号以及利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射检测技术。

　　声发射检测的主要目的之一是识别产生声发射源的部位和性质，而声发射信号处理是解决该问题的唯一途径。与其他无损检测方法不同的是，AE信号分析和处理技术面临的最大困难是AE源的多样性、信号本身的突发性和不确定性，不同的AE源机制可以产生完全不同的AE信号，而人们对AE源机制的认识总是受到很多条件的限制。因此，检测人员有时几乎不知道真正的AE信号究竟应是什么样子。另外，AE信号传输途径的影响也是一个完全不容忽视的因素，但问题在于传输途径又与AE源位置、被检对象性质(材质、形状和几何尺寸)、声耦合剂特征以及传感器位置等诸多因素有关。所以，声发射信号处理技术所涉及的内容十分广泛，其技术复杂程度相差很大，可以是最简单的有效值作为分析参数，也可以是一个十分复杂的人工神经网络分析系统或专家系统。总体来说，声发射信号处理的方法可以归纳为参数分析法和波形分析法。在AE技术发展初期，用得更多的是参数分析方法，并经历了从简单参数分析到复杂参数分析的漫长过程。参数分析法是一种较为成熟的方法，常用的声发射信号特征参数有：声发射事件、振铃计数率和总数、幅度及幅度分布、能量及能量分布、信号持续时间、信号脉冲前沿上升时间等。波形分析方法是指对声发射信号的波形进行记录和分析，得到信号的频谱及相关函数等。从理论上讲，波形包含了事件的全部信息，波形分析应当能给出任何所需的信息，因而也应是最精确的、能实现定量分析的方法。同时，随着计算机技术和信号处理技术的迅速发展，声发射波形分析也发展成为包括频谱分析在内的人工神经网络、小波分析和分形分析等先进的信号分析技术。
　
2　声发射检测技术原理

　　材料在受力条件下，当应力超过屈服极限而进入不可逆的塑性变形时，材料以应力波释放能量的过程就是产生声发射的过程。材料受力时由于其微观结构不均匀或因为内部缺陷的存在会导致局部应力集中，造成不稳定的应力分布。当这种不稳定应力分布状态下的应变能积累到一定程度时，不稳定的高能状态一定要向稳定的低能状态过渡，这种非稳态导致材料内部产生塑性变形、快速相变、裂纹的产生，直至断裂等；进而致使材料局部为保持平衡而产生快速变形，在变形过程中扰动周边区域产生振荡波释放应变能。产生快速变形(动态位移)的部位即发生声发射源的部位，其发生的应力波经介质传播到达检测试样的表面，再经声发射传感器将表面的瞬态位移转换成电信号，电信号再经放大、处理后，形成声发射信号特征参数或信号波形记忆。

　　AE是自然界中一种常见的物理现象，包括木质材料在内的大多数材料发生塑性形变和断裂时都会有声发射产生。AE信号的强度一般都比较弱，频率范围也是远大于声波的超声波，人耳不能直接听见，需要借助于包括灵敏的传感器在内的声发射检测系统才能采集到。声发射检测系统主要由接受AE信号的传感器、前置放大器、数据采集卡和工程计算机等组成。材料的声发射检测过程可以归结为：从材料声发射源发出的信号经介质传播后到达耦合在材料表面上的传感器；传感器将材料内的声发射源产生的弹性波转变为电信号；电信号传输到前置放大器进行放大；然后由数据采集卡对信号进行MD转换后输入到工程计算机；再由计算机对这些电信号进行分析、处理，最后显示分析处理后的AE信号。不同的声发射源机制对应不同的声发射信号。AE的源机制是各式各样的，如固体内裂纹的形成和扩展(裂纹的传播)、塑性形变、复合材料内基体或夹杂物的破裂、分层或纤维的断裂以及物质结构的变化等。尽管引起声发射的外部原因是多种多样的，但其共同点都是由于受力、温度、电磁场等外部条件的变化，引起物体某一局部或某些部分变得不稳定并迅速释放出能量，导致能量的重新分配。也可以说，只有当物体受到了永久性形变或永久性损伤时才会产生声发射[5]。

3　声发射研究历史及其在其他学科中的应用

　　声发射技术的研究最早是德国人：Kaiser[2]于1950～1953年开始进行的。他观察到金属锌、铜、铝及铅都有声发射现象，并且发现了声发射的不可逆性，即材料在重新加载期间，在应力值达到上次加载最大应力之前不产生声发射信号。材料的这种不可逆现象称为”Kaiser效应”。上纪60年代，美国的[3]对声发射现象进行了广泛的研究，认为声发射源自材料的内部机制，并发现声发射连续信号对应变速率敏感。Dunegan[4]等人对声发射检测技术作了开拓性的研究，他们把声发射实验频率从原来声频范围提高到100 KHz～1MHz，为声发射从实验室走向生产实践创造了条件。在20世纪70～80年代，许多学者对声发射源机制、波的传播以及声发射信号处理方面进行了广泛和系统的研究。与此同时，由于现代微处理计算机被引入声发射检测系统，声发射检测仪器也得到了快速的发展。进入90年代，随着对声发射理论的进一步深入研究、声发射检测仪器和信号分析系统的不断完善，声发射作为一种动态的无损检测技术被广泛地应用到各个领域，并取得了很好的检测效果。

　　在材料科学领域，声发射检测技术用于对材料的性能测试、断裂试验、疲劳试验、使用寿命的预测和受载荷结构材料裂纹缺陷产生、扩展、形成的连续监控。

　　在石油化工领域，声发射被用于对压力管道和容器、海洋石油平台的检测以及整体结构完整性评估，对常压储罐、阀门和地下管道泄漏的检测。

　　在航空航天领域，声发射技术成功地用于对航空壳体和主要构件的检测和结构完整性评价，航空器的失效试验、疲劳试验检测和运行过程中的在线实时监测。

　　由于声发射技术有动态监测的特点，在其他行业如电力、交通运输、金属加工以及地质研究领域也都得到了成功的应用。

4　声发射检测技术在木质材料中的应用研究现状

　　由于声发射对缺陷起始和扩展特有的敏感性，及其所具有的动态检测强度和评估使用寿命的独特功能，声发射检测技术已被成功地运用到木质材料的生产和检测中。近20年来，国内外的木材科学工作者在这方面做了大量的研究工作，从文献看主要集中在当外部条件(受力、温度)改变的情况下，利用声发射研究木质材料的各种力学性能，以及将声发射技术用于木质材料的生产和加工过程中。Ansell[6]在1982年就开始研究3种针叶材的拉伸变化，发现AE和应变曲线的形状受早材和晚材比率的影响；1983年Ni-emz等[7]指出，不同的木质材料在不同的应力载荷和加载速率下产生不同的声发射；Sato等[8.9]在1984进一步研究了木材在拉伸过程中的声发射行为。随着声发射技术的不断发展，利用声发射技术对木质材料的研究对象和研究内容也在不断扩大，例如在1986年，Beall F C[10]就利用声发射技术研究了刨花板回弹过程，Suzuki和Schniewind[11]在1989年利用声发射研究了胶合木质材料的断裂韧性，发现断裂韧性与单位断裂面积声发射的累积计数成线性关系；Rich和Skaar[12]于1990年研究了红橡木圆片在受横向弯曲应力时表面的声发射，发现湿材与干材的声发射差异；1992年Niemz和Luhmann[13]研究声发射与不同载荷条件和不同木材的关系，他们没有发现AE参数与木材强度性质之间存在相关性，而且所测的声发射具有高度的散射性。Beall[14]在1994年研究证明了木材蠕变破坏中的声发射模式，开始这一研究主要集中在通过检测声发射确定在早期蠕变阶段是否有声发射，最后可以利用声发射预测材料断裂的时间。我国学者曹平祥[15]在1995年把声发射技术用于木材切屑过程的研究中；1996年Schniewind[16]等人研究在不同含水率和不同温度条件下采集断裂模式和混合模式检测的声发射信号；Aicher和Dill[17]在1998年把声发射用于集成材在垂直纹理拉伸载荷条件下的裂纹扩展定位研究。J Raczkowski[18]和S E Stanzl—Tsehegg[19]等人在1999年分别深入地研究了受真菌感染和受s02污染的木材在受力过程中的声发射现象。2000年，A Reiterer[20]等人研究了2种针叶材和3种阔叶材在断裂模式I破坏过程中的声发射活动，为了描述初始裂纹和裂纹的演化，通过所测的载荷位移曲线估算拉伸强度和断裂能，得出破坏过程的不同可以通过声发射事件的累计计数和幅值来研究；同年G Cyra和C Tanaka[21]进一步研究了木材在切削过程中，木材纹理方向和倾角方向与声发射的关系。S Aicher[22]在2001年通过声发射分析技术研究了云杉在垂直纤维方向拉伸载荷条件下的破坏演化过程，研究表明，声发射事件率和整体应变之间的相关性就可以跟踪材料的破坏，声发射率增加可以标识明显的破坏。同一年，我国学者谢力生[23]通过榉木干燥过程中AE频度和AE频度的增加率研究了预测木材开裂的有效信息。周兆兵等[24]在2002年利用小波分析检测声发射信号奇异性，分析奇异性指数和刀具磨损的对应关系，并提出了声发射检测木工刀具磨损的实验模型。

　　从以上的研究可以看出，声发射用于木材科学领域的研究主要集中在对木材的研究，而对木塑复合材、单板沉积材、胶合木等木质复合材料和大型结构用材的声发射检测研究较少；研究内容主要集中在木材受不同载荷过程的声发射、受污染木材的声发射以及不同含水率木材蠕变的声发射，而对木质材料断裂、结构材的动态监测没有进行深入的研究，也没有把声发射作为木质材料的本构参量进行研究；从声发射信号处理和分析方法来看，主要集中在信号的参数分析方法，而先进的信号分析技术如小波分析、人工神经网络和分形等技术没有被广泛地应用到木质材料声发射的无损检测中。由于声发射检测技术具有其他常规无损检测方法无法比拟的优点，声发射检测技术将更加广泛地应用于木材科学领域的研究。

5　声发射技术在木质材料无损检测中的应用展望

　　声发射检测技术是根据材料内部发出的应力波来判断内部损伤程度的一种动态无损检测方法，它可以对材料内部潜在缺陷的运动变化过程进行检测。所以声发射检测技术将在木质材料的无损检测中得到更深人和更广泛的应用。进一步深入的研究将主要集中在以下几个方面。

5．1　把声发射参数作为木质材料本构特性进行研究

　　木质材料同其他材料一样，在所受应力的不同阶段，声发射信号的空间位置、信号强度等都会发生相应的变化，根据这些变化，可以较准确地判断材料所处的状态和是否达到破坏状态的临界“特征点”。而材料产生声发射本身就意味着损伤或损伤先兆，因此在木质材料性能可靠性检测中，声发射是一种重要的可测信息；所以声发射应该同应力、应变一样成为表征材料力学特性的本构参量[25]，同时声发射参量与材料的应力、应变参量之问存在着密切的相关关系，这种相关性可以通过耦合的本构方程来表达。但是，木材是一种非均质的多孔性材料，其内部结构(如纹理方向、纹孔形状和大小、早晚材分布等)和性能(如密度、断裂韧性、硬度等)对声发射有很大的影响，所以把声发射作为木质材料的本构参量，研究声发射信号的物理参量与材料的本构关系，对木质结构材料的设计、可靠性评估具有重要的意义，同时也是声发射技术应用到木材科学领域的基础性研究。

5．2　动态监测受载木质材料的破坏过程

　　当材料或结构内部发生变形，弹性能集中释放时就会产生声发射信号，而且随着材料受力状态的改变，声发射也随之发生变化。笔者研究了在一定的加载速度下杨木的断裂，整个过程可分为弹性阶段、弹性为主的粘弹性阶段、粘性为主的粘弹性阶段和最终断裂4个阶段。木材所处的每个阶段都对应着不同受力状态，有不同的声发射现象?声发射信号参数的变化特征也十分明显，在受力很小的初始阶段，由于木材处于完全弹性阶段，没有明显的声发射现象；随着受力的增大，木材内部开始产生裂纹，同时也有声发射出现，但声发射信号撞击次数少，上升变化缓慢，持续时间长。随着受力的增大，裂纹扩展速度的加快，声发射撞击数大幅度升高，上升变化快，持续时间变短。可根据声发射撞击数的增加快慢区分材料所处的状态。还可以研究其他的声发射参数与材料的受力关系，因为采集的声发射信号中隐含着有关声发射源特性的动态信息，如材料内部裂纹产生的时间、位置、变化趋势及严重程度等。因此可以根据接受到的声发射信号参数实时地判断材料所处的应力状态，采用声发射多参数综合分析法判断材料裂纹的活动情况，找到材料即将断裂破坏的“临界点”。进一步深入研究不同木质材料的结构材、不同加载速度情况下的声发射情况，对实时监控受外加载荷条件下的材料应力变化和破坏过程，监测和预报结构木质材料的安全性状态具有重要的实际意义。

5．3　声发射技术用于木质材料断裂损伤的研究

　　木质材料作为结构用材时，其天然的非均匀件和节、疤、开裂以及加工中所产生的缺陷易造成木质材料断裂破坏，而断裂特性是木结构安全性评价及木质结构设计的重要指标，所以对木材裂纹的定量化研究具有极其重要的意义。而声发射技术是定量研究断裂力学的一种重要手段，从无损检测的角度来看，声发射技术有助于解决材料何时出现损伤、是什么性质的损伤、在什么地方出现损伤和损伤的严重程度如何。由于材料受到周期性应力或应变时，导致材料因疲劳或蠕变而产生的损伤过程是一个复杂的动态过程，其损伤过程和损伤结果反映了材料本身的断裂特性。所以把声发射检测技术同断裂力学结合起来，以声发射信号参数为基础，可以深入研究木质材料断裂过程中声发射的产生机理，以揭示木质材料裂纹的形成、扩展、断裂过程同声发射活动特征之间的函数关系。通过声发射检测技术研究木质材料的断裂韧性，找到声发射信号波形参数与材料损伤程度、材料断裂韧性之间的映射关系，为结构木质材料的可靠性计算和材料的损伤容许极限设计提供依据；而且可以利用声发射检测仪器对材料的工作状况进行监测，通过人工神经网络方法对损伤程度进行识别和预报。

　　材料的断裂力学性能是材料设计和结构材料安全性评估的重要参数，同时也有助于预测其剩余寿命；随着越来越多的木质材料作为结构材使用，研究木质材料的断裂力学特性显得尤为必要。

5．4　先进的信号处理技术将应用于对木质材料的声发射检测技术中

　　声发射信号是复杂的频率丰富的时变信号，声发射参数与研究目标之间也是复杂的非线性关系，这就为研究带来了难度。要有效地利用声发射技术，实现受力构件在线监测和预报的研究，采用先进的非线性信号处理方法如小波分析技术和分形技术、模式识别技术如人工神经网络技术将是一条很有效的途径。由于声发射信号都具有瞬态性和随机性，属于非平稳的随机信号，与普通声振动信号相比，声发射具有较宽的频率范围，从次声频、声频到超声频整个频率范围，信号频谱丰富而且信息量大；这类信号可以利用小波分析的时一频局部化能力，在时域和频域把AE信号分解到不同频段进行研究，根据各频段的信息分析声发射源的特性。例如，利用小波包分析和神经网络技术对用声发射传感器采集的刀具切削状态信息进行分析处理，实现了对刀具故障的在线识别和监测[26]。同时，材料不同状态的声发射信号具有相似性，同时又具有随机性，这种时间和空间的非线性特点可以用分形手段进行研究。例如，利用分形体信号波形的关联维数时尺度范围的确定方法，分析了声发射信号在刀具磨损过程中分形维数的变化特性，分形维数反映了声发射信号的几何特征，其大小能较好地反映刀具的不同磨损状态，可以实时在线监测刀具的不同磨损状态[27]。另外，声发射信号中包含声发射源的模式特征信息，将AE信号的特征参数作为已经构建好的神经网络的输入向量，通过学习训练后的网络便可以用于对象的模式识别，从网络的输出层便可以得到声发射源的类型。将人工神经网络及模态识别应用到声发射研究，在传统的声发射研究中开辟出一个新领域，也给复杂条件、复杂结构的复合材料研究提供新的可靠手段。如我国学者李家林等提出一种对声发射源活动情况进行模式识别的方法；该方法以裂纹的形成、扩展和断裂3个阶段为声发射源，通过对声发射的参数进行采样和分析，利用不同类型的人工神经网络进行模式识别，以判断裂纹的危害程度[28]。

5．5　声发射技术在木质材料加工和生产中的应用

　　在木质材料的生产和加工过程中声发射也将得到广泛的应用，如木材的干燥和木材的切削加工。在木材干燥过程中，当温度变化时木材内部因应力分布不均造成局部应力集中而释放应变能，从而产生丰富的声发射信号。结合自动化技术和先进的信号分析技术，深入地研究声发射信号特征参数与干燥过程中木材含水率、变形和开裂之间的复杂的关系，建立非线性模型，便可以实时自动地调整工艺参数和基准，实现对整个干燥过程的自动控制和监控。在木材切削加工中，通过木材切削过程中产生的声发射信号，研究纹理方向、含水率、切削状态等对声发射的影响，可实现对刀具磨耗状态的检测和控制切削中缺陷的产生。

　　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，所以声发射技术必将成为木质材料无损检测的有效手段。