西安工业大学
岩土工程测试技术读书报告
（读书报告、研究报告）
考 核 科 目 ： 岩土工程测试技术
学生所在院(系) ： 研究生院建筑工程学院
题 目 ： 岩土工程测试技术
姓 名 ： 李珅熠
学 号 ： 1507210358
一、声发射技术
研究表明，承受荷载的固体往往有热发射现象、表面电子发射现象和声发射现象。从能量的转换角度来看，当固体受到荷载以后，就如同一个能量转换器，将应变能转换成热能、电能、声能发射出去。这些能量是固体因受外力而引发的固有现象，因此，这些能量的特征和量值的大小就自然代表着固体材料内的某些属性。
当结构或者材料受外力荷载或内力作用产生变形、断裂、材料内部缺陷，或潜在缺陷在外部条件作用下改变状态时，以弹性波的形式释放出应变能的现象称为声发射。
声发射是一种常见的物理现象，各种材料声发射信号的频率范围很宽，从几Hz 的次声频、20 Hz ～20K Hz 的声频到数MHz 的超声频；声发射信号幅度的变化范围也很大，从10m 的微观位错运动到1m 量级的地震波。如果声发射释放的应变能足够大，就可产生人耳听得见的声音。大多数材料变形和断裂时有声发射发生，但许多材料的声发射信号强度很弱，人耳不能直接听见，需要藉助灵敏的电子仪器才能检测出来。用仪器探测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射技术，人们将声发射仪器形象地称为材料的听诊器。
二、声发射技术基本原理
材料的声发射源主要有：材料塑形变形和位错运动；裂
纹的形成与扩展。声发射的发生要具备以下两个条件：第一，材料要受外载作用；第二，材料内部结构或缺陷要发生变化。
对于材料的微观形变和开裂以及裂纹的发生和发展，就可以利用声发射来提供它们的动态信息。声发射源往往是材料灾难性破坏的发源地，由于声发射现象一般在材料破坏之前就会出现，因此，只要及时捕捉这些声发射信息，根据其特征及其发射强度，不仅可以推知声发射源目前的状态，还可以知道它形成的历史，并预报其发展的趋势。声发射信号是分析声发射性质和状态的基本依据，通常用压电传感器在试件表面接受并记录这些信号，输入仪器进行各种分析和处理。处理和分析声发射信号的特性参数有计数与计数率、能量和能量率，以及频谱和波形、多信号时差等。
声发射检测常用仪器由信号接收（传感器）、信号处理（包括前置放大器、主放大器、滤波器及各种处理方法相适应的仪器）和信号显示（各种参数显示装置）三部分组成。声发射信号是极其微弱的信号，不同类型的声发射源所发射的信号频率和幅度相差很大，而且声发射信号是上升时间短、重复速率很高的脉冲。实验表明，各种材料声发射的频率范围很宽，从次声频、声频到超声频，频率可达50MHz ，而且声发射测试时常常有各种机械的、液体的和电气的噪声，其频率特性和其他特性与声发射信号十分相似。因此，一般要求声发射检测仪器应具有以下特性：第一，具有高响
应速度、高灵敏度、高增益、高动态范围及对强信号阻塞的恢复能力；第二，具有较宽的频响范围，有较大的频率检测窗口选择余地；第三，具有抗干扰和排除噪声的多种功能；第四，根据检测目的的不同，还要求检测仪器具有快速、完善的分析处理功能和不同的显示功能。
常用的声发射仪器按通道的数量可分为单通道声发射检测仪和多通道声发射系统，此外，还有全数字化系统和工业专用系统。单通道声发射仪可进行声发射信号的多种分析，但是无法进行声源定位。多通道声发射仪则可进行多种分析和声源定位。
三、声发射技术的发展
声发射和微震动都是自然界中随时发生的自然现象，尽管无法考证人们何时首次听到声发射，但诸如折断树技、岩石破碎和折断骨头等的断裂过程无疑是人们最早听到的声发射信号。可以十分肯定地推断“锡呜”是人们首次观察到的金属中的声发射现象，因为纯锡在塑性形变期间机械孪晶产生可听得到的声发射，而铜和锡的冶炼可追溯到公元前3700年。
现代的声发射技术的开始以Kaiser 五十年代初在德国所作的研究工作为标志。他观察到铜、锌、铝、铅、锡、黄铜、铸铁和钢等金属和合金在形变过程中都有声发射现象。他最有意义的发现是材料形变声发射的不可逆效应即：“材料被重
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”。人们称材料的这种不可逆现象为“Kaiser效应”。Kaiser 同时提出了连续型和突发型声发射信号的概念。
二十世纪五十年代末，美国人Schofield 和Tatro 经大量研究发现金属塑性形变的声发射主要由大量位错的运动所引起 ，而且还得到一个重要的结论，即声发射主要是体积效应而不是表面效应。Tatro 进行了导致声发射现象的物理机制方面的研究工作，首次提出声发射可以作为研究工程材料行为疑难问题的工具，并预言声发射在无损检测方面具有独特的潜在优势。
二十世纪六十年代初，Green 等人首先开始了声发射技术在无损检测领域方面的应用，Dunegan 首次将声发射技术应用于压力容器方面的研究。在整个六十年代，美国和日本开始广泛地进行声发射的研究工作，人们除开展声发射现象的基础研究外，还将这一技术应用于材料工程和无损检测领域。美国于1967年成立了声发射工作组，日本于1969年成立了声发射协会。
二十世纪七十年代初，Dunegan 等人于开展了现代声发射仪器的研制，他们把实验频率提高到100KHz-1MHz 的范围内，这是声发射实验技术的重大进展，现代声发射仪器的研制成功为声发射技术从实验室的材料研究阶段走向在生产现场用于监视大型构件的结构完整性创造了条件。
随着现代声发射仪器的出现，整个七十年代和八十年代初人们从声发射源机制、波的传播到声发射信号分析方面开展了广泛和系统的深入研究工作。在生产现场也得到了广泛的应用，尤其在化工容器、核容器和焊接过程的控制方面取得了成功。Drouillard 于1979年统计出版了1979年以前世界上发表的声发射论文目录，据他的统计，到1986年底世界上发表有关声发射的论文总数已超过5000篇。
我国对声发射技术的研究起始于20世纪70年代，其特点是首先着眼于便携式声发射仪的现场应用。李典文、杜增林等人于1981一1984年分别在北京矿务局门头沟矿和开滦矿务局的唐山矿利用波兰SAK- 3和SYLOK 声发射监测系统对冲击地压进行研究，并多次成功预报了冲击地压的来临。80年代，随电子元件集成化和计算机技术的发展，国内声发射仪的研制发展也很快。长沙矿山研究院，北京矿冶研究总院，武汉安全环保研究院等科研单位相继对一系列的声发射仪进行了研制或改进。例如长沙矿山研究院“七五”期间研制的8通道SDL-1型声发射定位监测系统，STL-12型声发射监测系统，以及用于单点检测的DYF 一1和DYF - 2型智能声波监测多用仪。这些仪器经多年在云锡公司矿山、金川公司矿山、白银公司矿山、凡口铅锌矿、锡矿山、三山岛金矿等许多矿山进行声发射监测，取得了良好的效果。理论上国内一些学者也做了有益的研究，陈忠辉、唐春安等人对三维
应力状态下岩石快速加卸围压对声发射的影响进行了理论探讨，他们还利用统计损伤模型对岩石声发射凯塞效应机制进行研究，建立了声发射数和岩石微元强度统计分布之间的定量关系，推导出了单轴应力状态下的凯塞效应表达式。吴刚、赵震洋对不同应力状态下岩石类材料破坏的声发射特性进行了研究，揭示了在工程卸荷作用下岩石类材料的声发射特性。唐绍辉对岩石声发射活动的时空分布规律和活动模式进行了分析和探讨，为正确利用现场监测到的声发射信息进行岩体稳定性预测预报提供了理论依据。曹庆林、傅鹤林、唐绍辉分别对采场冒顶灾害的声发射预测预报理论进行了研究，提出用灰色理论、分形理论研究采场冒顶灾害，并用之于现场，取得了较好的效果。
四、声发射技术在岩土工程中的应用
在土木、矿山工程上，利用声发射技术对桥梁、隧道、大坝的检测，水泥结构裂纹开裂和扩展的连续监视等。首先利用声发射三维定位技术对断裂过程区的确定，声发射事件的发展趋势反映了混凝土内部破坏的微观过程，由此可以反演出混凝土/岩石的断裂过程，同时利用声发射曲线可以定性地判断材料的脆性，对结构进行安全评价。因此，利用可以发射技术对矿岩的局部冒落、矿柱的突然失稳事故进行监测和预报。声发射技术在边坡工程中的应用，护堤的声发射活动和位移相互之间对应得很好，根据声发射活动和位移的变
化趋势来监测护堤的稳定程度。此外，利用声发射凯塞效应量测地应力，从地层中取出岩芯，将岩芯在实验室进行再次加载，根据其声发射时的应力状态推算出地应力，不仅经济有效地进行量测工作，而且还可以简捷方便地获得大量实测数据，提高测量数据的可靠性。
五、存在的问题及应用前景
虽然声发射技术在岩土工程中的应用无疑是行之有效的，但是也存在一些问题。李典文认为:“尽管凯塞效应已经发现了40年，有关他的理论却很少，甚至没有什么发展。" Holcoml 〕认为，岩石声发射技术是理论研究落后于工程实际的少数学科之一。在仪器方面，由于地下空间环境条件的恶劣，经常使得仪器的性能不稳定，同时，环境噪音也易使仪器对声发射信号的判别失真。在对岩体声发射信息的利用方面，还很不完善，没有利用声发射的全部信息。所以说，声发射信号波形的识别技术有待进一步发展。因而，用户对仪器使用的熟练程度以及经验技巧在实际监测中很重要。理论上，对岩石声发射的机理研究有待深入; 试验标准的制定有待进一步规范; 对凯塞效应的机理研究，对断裂试验开裂点的判定许多学者还有不同的看法; 如何根据室内声发射试验规律指导岩体稳定性监测，用哪一种理论来处理声发射监测信息更为合理，都有待进一步研究。
如前所述，尽管声发射技术还存在这样或那样的问题，
但它仍不失为一种经济的、行之有效的、应用前景广泛的技术手段。在国外，声发射技术已不局限于在采矿工程中应用，而是早已渗透到其他各个领域。例如，对大型结构的健全性声发射评价，对大型压力容器或管道进行声发射无损检测，利用声发射对隧道施工中围岩松动区进行监测和评价，地下空区的声发射监测，送电铁塔基础变形的声发射监测，甚至还用于控制轻武器弹壳的生产，对飞机飞行中疲劳裂纹进行声发射监测等等。
总之，声发射技术以其无可替代的优越性被人们认识、利用和发展，随着电子技术和其本身机理研究的发展，其应用前景必将更加广泛。