非破壞檢測(二):聲射技術之沿革與應用

聲射法(Acoustic Emission, AE)屬於非破壞檢測法之一，依 ASTM E1316-06 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,

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。

91 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

件(圖 2- 61)發生的尖峰振幅及持續時間，以利於後續分析與觀察。

就聲射定位技術而言，設定材料之初始波速乃為重要課題，其對 定位後之精準度佔有相當大的影響，因此須建立一套驗證波速之校正 試驗。本試驗採用 ASTM E976-84 規範中建議的筆芯折斷法 (Pencil lead fracture) (圖 2- 62)，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- 60到達時間差法之三維空間定位配置 (資料來源：本研究整理)

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圖 2- 61單一聲射事件發生之示意圖 (資料來源：本研究整理)

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- 62筆芯折斷法製造人工聲源以提供校正用 (資料來源：ASTM E976-84)

電壓

第二項 三維聲射定位準則

本計畫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

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每組 AE 感應器接收 AE 事件時間，與第一組接收時間差∆t_i ( 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)

R_i = �(x − xi)²+ (y − y_i)²+ (z − z_i)² (2. 15)

R_i− R₁ = V × ∆t_i × ε_i (i =2~n) (2. 16)

其中，R_i = AE 事件至第 i 個感應器的距離。

V = 材料中之 AE 波傳速度。

ε_i = 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 (∆t_i)，即最少需設置五組 AE 感應器，以極小 化ε_i之方式解得四未知數，完成 AE 定位之統計分析。

圖 2- 63二維到達時間差法聲射定位準則示意 (資料來源：本研究整理)