聲射技術之沿革

聲射法(Acoustic Emission, AE)屬於非破壞檢測法之一，依 ASTM E610-82 定義聲射現象為：“Acoustic emission are transient elastic waves generated by the rapid release of energy from localized sourced within a material.”亦即，聲射法為材料內部能量快速釋放而產生暫態彈性應力 波(transient elastic stress wave)之現象。而聲射法技術廣為應用於偵測 材料內部之缺陷、損壞等裂源技術，當脆性材料受到外在環境之改 變，其材料內部亦同時累積能量，而達到其所吸收能量之極限時，則 該能量將會以微裂縫形式釋放，造成其內部之劣化，當微裂縫相互串 聯，最終漸漸形成外觀顯見之巨觀裂縫，然而針對這些為數眾多微小 能量的釋放的微震裂源(microseismic source)進行探索，其微震裂源即 為微裂縫發生處。試驗進行時，配置感應器於試體表面上，針對微震 裂源發生時機之研判與其空間定位之推估。

國外方面，Kaiser 於 1953 年奠定了聲射研究之基礎，說明金屬 受 壓 力 激 發 所 產 生 之 微 震 訊 號 事 件 (seismic activity) 屬 於 不 可 逆 (irreversible)行為，即材料受力下進行解壓之過程中，不產生 AE 訊 號，直至再加壓並超越過去施加之最大載重，方又復而出現 AE 訊號，

史稱為「凱撒效應」(Kaiser effect)並非恆真，當材料種類不同或相同 材料應力場不同時，於應力未達從前所加之最大值前，就復以發生聲 射訊號，並定義此一現象為 felicity effect(Fowler, 1979)。

1980 年代，AE 廣為各大行業所使用，於土木工程方面，Niwa,

45

Ohtsu, and Shiomi (1981)開始運用 AE，分析 AE 於混凝土材料之波型 與特徵，試圖找尋初裂位置，Maji and Sahu (1994) 以鋼筋混凝土梁 進行 AE 試驗，Chen (2002)以統計方式進行定位分析，採到達時間定 位方式，並利用最佳化統計方法，求得統計殘差在 2 mm 之內的微震 裂源定位，Chen and Labuz (2006)結合另一非破壞光學干涉檢測進行 一系列貫切試驗之研究。

46 定一門檻值(threshold) 7 mv，當超過門檻值且濾除雜訊後所記錄的每 一筆聲射訊號，即代表一個微裂縫產生，感應器接收到 AE 發生之事 之裂縫衍伸 (crack initiation and propagation)，因此藉由定位後之 AE 位置可供分析塑性區的大小、初始裂縫發生時間與空間關係，進而加 以研析，即可得到不同材料即破裂機制下之聲源特徵。

Bray et al. (1992) 指出聲射訊號依破壞機制、材料種類等因素，

發生之波形可分為二種： 突發型(burst type)與連續型 (continuous type)。脆性材料在破壞時，裂縫之初始開裂將會延伸其裂縫長度，其

47 lead fracture) (圖 2- 23)，以及超音波脈衝 (ultrasonic pulse)檢測儀器 兩方面驗證，以得到較接近之縱波波速，作參數之設定，使擷取之 AE 事件資料較易判讀。

microcrack (x, y, z)

#1 AE sensor (x1, y1, z1)

#7 AE sensor (x7, y7, z7)

#5 AE sensor (x5, y5, z5)

#4 AE sensor (x4, y4, z4)

#n AE sensor (xn, yn, zn)

z

x y

#2 AE sensor

(x2, y2, z2) #3 AE sensor (x3, y3, z3)

#6 AE sensor (x6, y6, z6) transient elastic stress wave

圖 2- 21 到達時間差法之三維空間定位配置 (資料來源：本研究繪製)

48 電壓

(Voltage)

門檻值(threshold)

時間 (Time) 尖峰振幅 (amplitude)

單一聲射事件時間 (duration)

圖 2- 22 單一聲射事件發生之示意圖 (資料來源：本研究繪製)

LENGTH 3mm DIA. .5mm HARD. 2H

PENCIL GUIDE RING

GUIDE TUBE LEAD

(a) Nielsen Shoe on Hsu Pencil Source

(b) Nielsen Shoe

GUIDE RING TEFLON

DIMENSIONS GIVEN IN mm TOLERANCES ±0.1 mm (unless otherwise noted)

7.0

2.0 0.5 GT

4.0

Diameter GT (+/-0.05mm) .3 mm .84 mm .5 mm .92 mm

圖 2- 23 筆芯折斷法製造人工聲源以提供校正用 (資料來源：ASTM E976-84)

49

第二項 聲射定位準則

本研究採用到達時間差定位法

(arrival time difference method)，定位分析脆性材料開裂時所產生 之突發型聲射事件。依前述方法之原理，為先量測數個已知位置感應 器之到達時間差，應用一維之距離等於時間差乘以波傳速度，以式 (2.13)表示，計算未知的聲源點位，同時當感應器數量足夠時，亦可 將波傳速度以公式求得，與實驗所得或文獻所列之波速相互印證，再 進行感應器之校正，確保定位更趨準確。

(2. 13)

其中，D = 兩感應器距離

= 兩感應器接收波傳之時間差

= 材料縱波波傳速度

將AE定位用於二維平面時，用三組感應器置於三角形平面的三 個頂點處，並假設於此平面上各方向波傳速度V為常數，則每二組感 應器獲得一時間差，可得一雙曲線 (圖 2- 24(a))，若三組感應器可得 兩時間差，代回式(2.14)，則獲兩相交雙曲線，其交點觸即為AE聲源 位置 (圖 2- 24(b))，若波速V未知，則增設一組感應器即可獲得。

50

(2. 14)

其中， 、 為已知；雙曲線之 、 為未知。

於三維空間之聲射定位，將 n 個 AE 感應器固定於已知座標上，

每組 AE 感應器接收 AE 事件時間，與第一組接收時間差 (i=2~n) 為已知，則依三維空間距離計算，距離等於波傳速度乘以時間差，可 列出式(2.15)和(2.16)。

(2. 15)

(i =2~n) (2. 16)

其中， = AE 事件至第 i 個感應器的距離。

= 材料中之 AE 波傳速度。

= 統計之殘差值。

觀察公式可知，AE 聲源點位(x,y,z)未知，若波速 V 為已知，則 須有四組時間差值 ( )，即最少需設置五組 AE 感應器，以極小化 之方式解得四未知數，完成 AE 定位之統計分析。

51

圖 2- 24 二維聲射定位準則之到達時間差法 (資料來源：本研究繪製)

52

4. 「全像術法」(holography)：量測物體微小的變形或建立物體 3D 模型，以及作振動模態分析。

5. 「麥克生干涉系統」(michelson interference)：量測鏡面平坦