聲發(fā)射基本介紹

1、2.1聲發(fā)射檢測(cè)的基本原理當(dāng)材料或結(jié)構(gòu)受應(yīng)力作用時(shí)，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(shí)，不穩(wěn)定的高能狀態(tài)一定要向穩(wěn)定的低能狀態(tài)過(guò)渡 ，這種過(guò)渡通常是以 塑性變形、相變、裂紋的開(kāi)裂等形式來(lái)完成。在此過(guò)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(lái)，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(shí)，不僅產(chǎn)生體積變形，而且會(huì)產(chǎn) 生剪切變形，因此會(huì)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(guò)材

2、料介質(zhì)向周?chē)鷤?播，-部分通過(guò)介質(zhì)直接傳到安放在固體表面的傳感器，形成檢測(cè)信號(hào)，還有一部分 傳到表面后會(huì)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?，并到達(dá)傳感器,形成檢測(cè)信號(hào)。通過(guò) 對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行探測(cè)、記錄和分析就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)材料進(jìn)行損傷評(píng)價(jià)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(hào)赴理一聲發(fā)射采集一歳置放大器圖2.1聲發(fā)射檢測(cè)原理Fig.2.1 AE detect ing schematic材料在應(yīng)力作用下的變形與開(kāi)裂是結(jié)構(gòu)失效的重要機(jī)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(jī)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(lái) 撞擊、燃燒等與變形和斷裂機(jī)制無(wú)直接關(guān)系的另一類(lèi)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(hào)處理聲發(fā)射信號(hào)是一種復(fù)雜的波形，包含著豐富的聲發(fā)射源信息，同時(shí)在傳播的過(guò) 程中還會(huì)發(fā)生畸變并引入干擾噪聲。如何選用合適的信號(hào)處理方法來(lái)分析聲發(fā)射 信號(hào)，從而獲取正確的聲發(fā)射源信息，一直是聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)發(fā)展中的難點(diǎn)。根據(jù) 分析對(duì)象的不同，可把聲發(fā)射信號(hào)處理和分析方法分為兩類(lèi)：一是聲發(fā)射信號(hào)波形 分析,根據(jù)所記錄信號(hào)的時(shí)域波形及與此相關(guān)聯(lián)的頻譜、相關(guān)函數(shù)等來(lái)獲取聲發(fā) 射信號(hào)所含信息的方法，如FFT變換，小波變換等；二是聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)分析

4、 利用信號(hào)分析處理技術(shù)，由系統(tǒng)直接提取聲發(fā)射信號(hào)的特征參數(shù)，然后對(duì)這些參數(shù) 進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)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(lái)進(jìn) 行描述，為工程實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)極大的方便。2. 2. 1聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)分析二升時(shí)間圖2.2 AE信號(hào)參數(shù)Fig.2.2 AE sig nal parameters.參數(shù)分析是目前聲發(fā)射信號(hào)分析較為常用的方法，它是波形方法的簡(jiǎn)述。根據(jù)波形提取幾個(gè)相關(guān)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以簡(jiǎn)化的波形特征參數(shù)來(lái)表示聲發(fā)射信號(hào)的特征, 然后對(duì)其進(jìn)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(hào)簡(jiǎn)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(jì)數(shù)、振鈴計(jì)數(shù)、能量、幅度、

5、 峰值頻率、持續(xù)時(shí)間、上升時(shí)間、門(mén)檻等。各參數(shù)的含義及用途見(jiàn)表2.1所示。表2.1 AE信號(hào)參數(shù)Tab.2.1 AE parameters參數(shù)含義特點(diǎn)與用途撞擊計(jì)數(shù)超過(guò)閥值并使某一通道獲取數(shù) 據(jù)的任何信號(hào)稱為一個(gè)波擊， 可分為總計(jì)數(shù)、計(jì)數(shù)率反映AE活動(dòng)的總量和頻度， 常用于AE活動(dòng)性評(píng)價(jià)事件計(jì)數(shù)由一個(gè)或幾個(gè)波擊鑒別所得AE事件的個(gè)數(shù)，可分為總計(jì) 數(shù)、計(jì)數(shù)率反映AE事件的總量和頻度， 用于源的活動(dòng)性和定位集中 度評(píng)價(jià)振鈴計(jì)數(shù)越過(guò)門(mén)檻信號(hào)的振蕩次數(shù)，可分為總計(jì)數(shù)和計(jì)數(shù)率粗略反映信號(hào)強(qiáng)度和頻度，廣 泛用于AE活動(dòng)性評(píng)價(jià)，但甚 受門(mén)檻的影響幅值事件信號(hào)波形的最大振幅值，通 常用dB表示直接決定事件的可

6、測(cè)性， 常用 于波源的類(lèi)型鑒別、強(qiáng)度及衰 減的測(cè)量能量計(jì)數(shù)事件信號(hào)檢波包絡(luò)線下的面 積，可分為總計(jì)數(shù)和計(jì)數(shù)率反映事件的相對(duì)能量或強(qiáng)度。 可取代振鈴計(jì)數(shù)，也用于波源 的類(lèi)型鑒別持續(xù)時(shí)間事件信號(hào)第一次越過(guò)門(mén)檻到最 終降至門(mén)檻所經(jīng)歷的時(shí)間間 隔，以e表示與振鈴計(jì)數(shù)十分相似，但常用 于特殊波源類(lèi)型和噪聲鑒別上升時(shí)間事件信號(hào)第一次越過(guò)門(mén)檻至最 大振幅所經(jīng)歷的時(shí)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(shí)用于機(jī) 電噪聲鑒別有效值電壓RMS采樣時(shí)間內(nèi)信號(hào)電平的均方根 值，以V表示與AE的大小有關(guān)。不受門(mén)檻 的影響，主要用于連續(xù)型 AE 活動(dòng)性評(píng)價(jià)平均信號(hào)電平ASL采樣時(shí)間內(nèi)信號(hào)電平的均值，

7、 以dB表示對(duì)幅度動(dòng)態(tài)范圍要求咼而時(shí) 間分辨率要求不高的連續(xù)型 信號(hào)，尤為有用。也用于背景 噪聲水平的測(cè)量時(shí)差同一個(gè)AE波到達(dá)各傳感器的時(shí)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(jì)算外變量試驗(yàn)過(guò)程外加變量，包括經(jīng)歷 時(shí)間、載荷、位移、溫度及疲 勞周次不屬于信號(hào)參數(shù)，但屬于波擊 信號(hào)參數(shù)的數(shù)據(jù)集，用于 AE 活動(dòng)性分析2. 2. 2聲發(fā)射信號(hào)波形分析信號(hào)波形分析的常用方法包括時(shí)域分析、頻譜分析和時(shí)頻分析 ，它們各自具 有不同的特點(diǎn)。時(shí)域分析是最直觀、最容易理解的信號(hào)表達(dá)形式。在一些對(duì)幅值 感興趣的工程問(wèn)題中，這種描述最為有用，例如結(jié)構(gòu)振動(dòng)的位移、加速度等。但是它沒(méi)

8、有任何頻率信息，看不到信號(hào)的成分，不利于分析振源、振動(dòng)傳遞與頻率的關(guān) 系等問(wèn)題。頻譜分析一般通過(guò)傅里葉變換把信號(hào)映射到頻域加以分析，雖然這種方法能夠?qū)r(shí)域特征和頻域特征聯(lián)系起來(lái)，能分別從信號(hào)的時(shí)域和頻域觀察，但卻 不能表述信號(hào)的時(shí)-頻局部性質(zhì)，而這恰恰是非平穩(wěn)信號(hào)最根本和最關(guān)鍵的性質(zhì)。 在此基礎(chǔ)上，人們對(duì)傅立葉分析進(jìn)行了推廣，提出了很多能表征時(shí)域和頻域信息的 信號(hào)分析方法，如短時(shí)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(shí)，我們稱 t為一個(gè)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(shí)，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(gè)小波序列。其中a為伸縮因子,b為平移因子。對(duì)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(guò)程就是不斷地改 變小波窗的中心(即時(shí)移)和尺度后與信號(hào)相乘作積分運(yùn)算，從而得到信號(hào)在每一 個(gè)頻率尺度下任意時(shí)刻的信號(hào)成分。小波分解的結(jié)果反映了信號(hào)f t在尺度a(頻 率)和位置b (

10、時(shí)間)的狀態(tài)2. 離散小波變換在實(shí)際運(yùn)用中，檢測(cè)信號(hào)都是離散的試件序列，因此在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行小波分析 時(shí)，連續(xù)小波必須加以離散化。需要強(qiáng)調(diào)指出的是，這一離散化都是針對(duì)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(duì)時(shí)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(kuò)展步長(zhǎng)a。1是固定值，為方便起見(jiàn)，總是假 定ao 1。所以對(duì)應(yīng)的離散小波函數(shù) j，kt既可寫(xiě)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(duì)(a, b)進(jìn)行離散采樣T采用的網(wǎng)格采樣 取aa0，bkaObo,即對(duì)小尺度的高頻成分采樣步長(zhǎng)小，而對(duì)大尺度的低頻成分采樣步長(zhǎng)大。最常用的是二進(jìn)制的動(dòng)態(tài)采樣網(wǎng)格： a。 2，bo 1，每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)對(duì)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(jìn)小波。3. 小波變換的多分辨分析多分辨率分析的具體實(shí)現(xiàn)是把信號(hào)f(t)通過(guò)一個(gè)低通濾波器H和一個(gè)高通濾 波器G,分別得到信號(hào)的低頻成分 A(t),和信號(hào)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(duì)A(t) 重復(fù)上述過(guò)程，直到A(t)中不含高

12、頻成分，該分解過(guò)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(hào)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(jí)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(hào)的時(shí)域波形；N 采樣點(diǎn)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(hào)f t按Mallat算法分解，分成了不同的頻率成分，并將每一 級(jí)低頻率通道再次分解，分解級(jí)數(shù)越高，頻率劃分就越細(xì)，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(lèi)型聲發(fā)射噪聲類(lèi)型包括：機(jī)械噪聲和電磁噪聲。機(jī)械噪聲是指由于物體間的波 擊、摩擦、振動(dòng)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(lái)源聲發(fā)射檢測(cè)過(guò)程中常見(jiàn)的電磁噪聲來(lái)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(cè)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(tái)和雷達(dá)等無(wú)線電發(fā)射器、電源干擾、電開(kāi)關(guān)、繼電器、馬達(dá)、焊接、 電火花、打雷等引起的電

14、噪聲。聲發(fā)射檢測(cè)過(guò)程中常見(jiàn)的機(jī)械噪聲來(lái)源主要有三方面：摩擦引起的噪聲，波擊引起的噪聲，流體過(guò)程產(chǎn)生的噪聲。1）摩擦噪聲，加載裝置在加載過(guò)程中的由于相 對(duì)機(jī)械滑動(dòng)引起的聲響，包括:試樣夾頭、施力點(diǎn)、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(dòng)及人為敲打；3）流體噪聲，包括: 高速流動(dòng)、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(cè)前采取措施，而有些則要在實(shí)時(shí)或事后進(jìn)行。噪聲的排 除方法、原理和適用范圍見(jiàn)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(jī)械噪聲幅度鑒別調(diào)整固定或浮動(dòng)檢測(cè)門(mén)檻值低幅度機(jī)電噪聲前沿鑒別對(duì)信號(hào)波形設(shè)置上升時(shí)間濾 波窗口來(lái)自遠(yuǎn)區(qū)的機(jī)械噪聲或電脈 沖干擾主副鑒別用波到達(dá)主副傳感器的次序 及其門(mén)電路，排除先到達(dá)副傳 感器的信號(hào)，而只采集來(lái)自主 傳感器附近的信號(hào)，屬空間鑒 別來(lái)自特定