聲發(fā)射基本介紹

1、2.1聲發(fā)射檢測的基本原理當(dāng)材料或結(jié)構(gòu)受應(yīng)力作用時，由于其微觀結(jié)構(gòu)的不均勻及缺陷的存在，導(dǎo)致局 部產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成不穩(wěn)定的應(yīng)力分布。當(dāng)這種不穩(wěn)定狀態(tài)下的應(yīng)變能積累到 一定程度時，不穩(wěn)定的高能狀態(tài)一定要向穩(wěn)定的低能狀態(tài)過渡 ，這種過渡通常是以 塑性變形、相變、裂紋的開裂等形式來完成。在此過程中，應(yīng)變能被釋放，其中一部分以應(yīng)力波的形式釋放出來，這種以彈性應(yīng)力波的形式釋放應(yīng)變能的現(xiàn)象叫做 聲發(fā)射，也叫應(yīng)力波發(fā)射。固體材料產(chǎn)生局部變形時，不僅產(chǎn)生體積變形，而且會產(chǎn) 生剪切變形，因此會激起兩種波，即縱波（又稱壓縮波）和橫波（剪切波）。產(chǎn)生這種波 的部位叫作聲發(fā)射源。這種縱波和橫波從聲發(fā)射源產(chǎn)生后通過材

2、料介質(zhì)向周圍傳 播，-部分通過介質(zhì)直接傳到安放在固體表面的傳感器，形成檢測信號，還有一部分 傳到表面后會產(chǎn)生折射，一部分形成折射波返回到材料內(nèi)部，另一部分則形成表面 波（又稱瑞利波）,表面波沿著介質(zhì)的表面?zhèn)鞑ィ⒌竭_傳感器,形成檢測信號。通過 對這些信號進行探測、記錄和分析就能夠?qū)崿F(xiàn)對材料進行損傷評價和研究。其原 理如圖所示聲發(fā)射逓一材料中制番_傳感器犒合一吿感器數(shù)搏顯示一 信號赴理一聲發(fā)射采集一歳置放大器圖2.1聲發(fā)射檢測原理Fig.2.1 AE detect ing schematic材料在應(yīng)力作用下的變形與開裂是結(jié)構(gòu)失效的重要機制這種直接與變形和，流體泄漏、摩擦、，也歸到聲發(fā)射源斷裂機制

3、有關(guān)的源，通常稱為傳統(tǒng)意義上的聲發(fā)射源。近年來 撞擊、燃燒等與變形和斷裂機制無直接關(guān)系的另一類彈性波源 范疇，稱為其它聲發(fā)射源或二次聲發(fā)射源。2. 2聲發(fā)射信號處理聲發(fā)射信號是一種復(fù)雜的波形，包含著豐富的聲發(fā)射源信息，同時在傳播的過 程中還會發(fā)生畸變并引入干擾噪聲。如何選用合適的信號處理方法來分析聲發(fā)射 信號，從而獲取正確的聲發(fā)射源信息，一直是聲發(fā)射檢測技術(shù)發(fā)展中的難點。根據(jù) 分析對象的不同，可把聲發(fā)射信號處理和分析方法分為兩類：一是聲發(fā)射信號波形 分析,根據(jù)所記錄信號的時域波形及與此相關(guān)聯(lián)的頻譜、相關(guān)函數(shù)等來獲取聲發(fā) 射信號所含信息的方法，如FFT變換，小波變換等；二是聲發(fā)射信號特征參數(shù)分析

4、 利用信號分析處理技術(shù)，由系統(tǒng)直接提取聲發(fā)射信號的特征參數(shù)，然后對這些參數(shù) 進行分析和評價得到聲發(fā)射源的信息。很多聲發(fā)射源的特性可以用這些參數(shù)來進 行描述，為工程實際應(yīng)用帶來極大的方便。2. 2. 1聲發(fā)射信號參數(shù)分析二升時間圖2.2 AE信號參數(shù)Fig.2.2 AE sig nal parameters.參數(shù)分析是目前聲發(fā)射信號分析較為常用的方法，它是波形方法的簡述。根據(jù)波形提取幾個相關(guān)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以簡化的波形特征參數(shù)來表示聲發(fā)射信號的特征, 然后對其進行分析和處理得到聲發(fā)射源的相關(guān)信息。圖2.2為聲發(fā)射信號簡化波 形參數(shù)的定義，常用的聲發(fā)射參數(shù)包括：撞擊（波形）計數(shù)、振鈴計數(shù)、能量、幅度、

5、 峰值頻率、持續(xù)時間、上升時間、門檻等。各參數(shù)的含義及用途見表2.1所示。表2.1 AE信號參數(shù)Tab.2.1 AE parameters參數(shù)含義特點與用途撞擊計數(shù)超過閥值并使某一通道獲取數(shù) 據(jù)的任何信號稱為一個波擊， 可分為總計數(shù)、計數(shù)率反映AE活動的總量和頻度， 常用于AE活動性評價事件計數(shù)由一個或幾個波擊鑒別所得AE事件的個數(shù)，可分為總計 數(shù)、計數(shù)率反映AE事件的總量和頻度， 用于源的活動性和定位集中 度評價振鈴計數(shù)越過門檻信號的振蕩次數(shù)，可分為總計數(shù)和計數(shù)率粗略反映信號強度和頻度，廣 泛用于AE活動性評價，但甚 受門檻的影響幅值事件信號波形的最大振幅值，通 常用dB表示直接決定事件的可

6、測性， 常用 于波源的類型鑒別、強度及衰 減的測量能量計數(shù)事件信號檢波包絡(luò)線下的面 積，可分為總計數(shù)和計數(shù)率反映事件的相對能量或強度。 可取代振鈴計數(shù)，也用于波源 的類型鑒別持續(xù)時間事件信號第一次越過門檻到最 終降至門檻所經(jīng)歷的時間間 隔，以e表示與振鈴計數(shù)十分相似，但常用 于特殊波源類型和噪聲鑒別上升時間事件信號第一次越過門檻至最 大振幅所經(jīng)歷的時間間隔，以宙表示因甚受傳播的影響而其物理 意義變得不明確，有時用于機 電噪聲鑒別有效值電壓RMS采樣時間內(nèi)信號電平的均方根 值，以V表示與AE的大小有關(guān)。不受門檻 的影響，主要用于連續(xù)型 AE 活動性評價平均信號電平ASL采樣時間內(nèi)信號電平的均值，

7、 以dB表示對幅度動態(tài)范圍要求咼而時 間分辨率要求不高的連續(xù)型 信號，尤為有用。也用于背景 噪聲水平的測量時差同一個AE波到達各傳感器的時間差，以Q表示決定于波源的位置、傳感器間 距和傳播速度，用于波源的位 置計算外變量試驗過程外加變量，包括經(jīng)歷 時間、載荷、位移、溫度及疲 勞周次不屬于信號參數(shù)，但屬于波擊 信號參數(shù)的數(shù)據(jù)集，用于 AE 活動性分析2. 2. 2聲發(fā)射信號波形分析信號波形分析的常用方法包括時域分析、頻譜分析和時頻分析 ，它們各自具 有不同的特點。時域分析是最直觀、最容易理解的信號表達形式。在一些對幅值 感興趣的工程問題中，這種描述最為有用，例如結(jié)構(gòu)振動的位移、加速度等。但是它沒

8、有任何頻率信息，看不到信號的成分，不利于分析振源、振動傳遞與頻率的關(guān) 系等問題。頻譜分析一般通過傅里葉變換把信號映射到頻域加以分析，雖然這種方法能夠?qū)r域特征和頻域特征聯(lián)系起來，能分別從信號的時域和頻域觀察，但卻 不能表述信號的時-頻局部性質(zhì)，而這恰恰是非平穩(wěn)信號最根本和最關(guān)鍵的性質(zhì)。 在此基礎(chǔ)上，人們對傅立葉分析進行了推廣，提出了很多能表征時域和頻域信息的 信號分析方法，如短時傅立葉變換，Gabor變換,小波變換等。1. 連續(xù)小波變換設(shè)t L2 R，基傅立葉變換為？，當(dāng)？ 滿足容許條件? I2C L_d vR(2.1)時，我們稱 t為一個基本小波或母小波。由容許性條件可知：t具有衰減性，為此

9、稱之“小”同時，t具有震蕩性，故稱之為“波”；將母函數(shù) t經(jīng)伸縮和平移后得t - b a(2.2 )稱其為一個小波序列。其中a為伸縮因子,b為平移因子。對于任意的函數(shù)a， b R; a 0ft L2 R的連續(xù)小波變換為:.t - bWf a，b a 2 f tdtRa(2.3)其重構(gòu)公式(逆變換)為：11t bf t Wf a，b 匸dadbCa2a(2.4 )從定義上可看出，小波變換也是一種積分變換，小波分解的過程就是不斷地改 變小波窗的中心(即時移)和尺度后與信號相乘作積分運算，從而得到信號在每一 個頻率尺度下任意時刻的信號成分。小波分解的結(jié)果反映了信號f t在尺度a(頻 率)和位置b (

10、時間)的狀態(tài)2. 離散小波變換在實際運用中，檢測信號都是離散的試件序列，因此在計算機上進行小波分析 時，連續(xù)小波必須加以離散化。需要強調(diào)指出的是，這一離散化都是針對連續(xù)的尺度參數(shù)a和連續(xù)平移參數(shù)6的,而不是針對時間變量t的通常,把連續(xù)小波變換中尺度參數(shù) a和平移參數(shù)b的離散公式分別取作 a a0，b ka0bo，這里j Z，擴展步長a。1是固定值，為方便起見，總是假 定ao 1。所以對應(yīng)的離散小波函數(shù) j，kt既可寫作：j，k tjt-ka0boa。ja。2 ao t - kbo(2.5)則稱Wf j，k a02 f t a0Jt-kb0 dtR(2.6)為f(t)的離散小波變換。離散化的連續(xù)

11、小波變換以一定方式對(a, b)進行離散采樣T采用的網(wǎng)格采樣 取aa0，bkaObo,即對小尺度的高頻成分采樣步長小，而對大尺度的低頻成分采樣步長大。最常用的是二進制的動態(tài)采樣網(wǎng)格： a。 2，bo 1，每個網(wǎng)格點對應(yīng)的尺度為2j,而平移為2jk。將離散化數(shù)取a。2，bo 1的離散小波稱為二進小波。3. 小波變換的多分辨分析多分辨率分析的具體實現(xiàn)是把信號f(t)通過一個低通濾波器H和一個高通濾 波器G,分別得到信號的低頻成分 A(t),和信號的高頻成分D(t),濾波器則由小波基 函數(shù)決定。若在一次小波變換完成后，低頻成分A(t)中仍含有高頻成分，則對A(t) 重復(fù)上述過程，直到A(t)中不含高

12、頻成分，該分解過程可以表示為：f tA1 tD1 t=A tD2 tD1 t(2.7)=A tJDi ti 1式中：AJ tk Cj ；kJ，k t是信號k ;f t中頻率低于2-J-1fs的成分，fs為米樣頻率，而DJ tdj，k J，k t則是頻率介于2-J-1 fs與2-Jfs之間的成分，k zt和t為尺度函數(shù)和小波函數(shù)，j表示小波分解級數(shù)。上式中的系數(shù)由以下遞推公式推出:Cj, kCj-1, k h n-2knd j, kCj-1, k g n-2kk 0,2，N - 1nCo； k fk（2.8 ）式中：fo 信號的時域波形；N 采樣點數(shù)h n， g n 濾波器H和G的脈沖響應(yīng)；上式

13、表明，信號f t按Mallat算法分解，分成了不同的頻率成分，并將每一 級低頻率通道再次分解，分解級數(shù)越高，頻率劃分就越細，越能分解出更低頻的成 分。2.2.3聲發(fā)射噪聲的排除1. 聲發(fā)射噪聲的類型聲發(fā)射噪聲類型包括：機械噪聲和電磁噪聲。機械噪聲是指由于物體間的波 擊、摩擦、振動所引起的噪聲；而電磁噪聲是指由于靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)所引起 的噪聲。2. 聲發(fā)射噪聲的來源聲發(fā)射檢測過程中常見的電磁噪聲來源：1）由于前置放大器引起的不可避免的本底電子噪聲；2）因檢測系統(tǒng)和試件的接地不當(dāng)而引起地回路噪聲；3）因環(huán)境中電臺和雷達等無線電發(fā)射器、電源干擾、電開關(guān)、繼電器、馬達、焊接、 電火花、打雷等引起的電

14、噪聲。聲發(fā)射檢測過程中常見的機械噪聲來源主要有三方面：摩擦引起的噪聲，波擊引起的噪聲，流體過程產(chǎn)生的噪聲。1）摩擦噪聲，加載裝置在加載過程中的由于相 對機械滑動引起的聲響，包括:試樣夾頭、施力點、容器支架、螺絲、裂紋面的閉 合與摩擦等;2）波擊噪聲，包括:雨、雪、風(fēng)沙、振動及人為敲打；3）流體噪聲，包括: 高速流動、泄漏、空化、沸騰、燃燒等。3. 噪聲的排除方法噪聲的鑒別和排除，是聲發(fā)射技術(shù)的主要難題，現(xiàn)有許多可選擇的軟件和硬件 排除方法。有些須在檢測前采取措施，而有些則要在實時或事后進行。噪聲的排 除方法、原理和適用范圍見表2.2。表2.2噪聲的排除方法、原理及適用范圍Tab 22 The method, prin ciple and scope of applicati on ofno ise reducti on方法原理適用范圍頻率鑒別選擇濾波器，探頭、前放低頻的機械噪聲幅度鑒別調(diào)整固定或浮動檢測門檻值低幅度機電噪聲前沿鑒別對信號波形設(shè)置上升時間濾 波窗口來自遠區(qū)的機械噪聲或電脈 沖干擾主副鑒別用波到達主副傳感器的次序 及其門電路，排除先到達副傳 感器的信號，而只采集來自主 傳感器附近的信號，屬空間鑒 別來自特定