声发射基本介绍

2、1声发射检测得基本原理当材料或结构受应力作用时，由于其微观结构得不均匀及缺陷得存在，导致局部产生应力集中，造成不稳定得应力分布。当这种不稳定状态下得应变能积累到一定程度时，不稳定得高能状态一定要向稳定得低能状态过渡，这种过渡通常就是以塑性变形、相变、裂纹得开裂等形式来完成。在此过程中，应变能被释放，其中一部分以应力波得形式释放出来，这种以弹性应力波得形式释放应变能得现象叫做声发射，也叫应力波发射。固体材料产生局部变形时，不仅产生体积变形，而且会产生剪切变形，因此会激起两种波，即纵波（又称压缩波）与横波（剪切波）。产生这种波得部位叫作声发射源。这种纵波与横波从声发射源产生后通过材料介质向周围传播，-部分通过介质直接传到安放在固体表面得传感器，形成检测信号，还有一部分传到表面后会产生折射，一部分形成折射波返回到材料内部，另一部分则形成表面波（又称瑞利波），表面波沿着介质得表面传播，并到达传感器，形成检测信号。通过对这些信号进行探测、记录与分析就能够实现对材料进行损伤评价与研究。其原理如图所示声发射薄一材料中传播一传感器鶴合一传感器數据显示-信号虻理一声发射采集一前置放大器图2、1声发射检测原理Fig、2、IAEdetectingschematic材料在应力作用下得变形与开裂就是结构失效得重要机制。这种直接与变形与断裂机制有关得源，通常称为传统意义上得声发射源。近年来，流体泄漏、摩擦、撞击、燃烧等与变形与断裂机制无直接关系得另一类弹性波源，也归到声发射源范畴，称为其它声发射源或二次声发射源。2、2声发射信号处理声发射信号就是一种复杂得波形，包含着丰富得声发射源信息，同时在传播得过程中还会发生畸变并引入干扰噪声。如何选用合适得信号处理方法来分析声发射信号，从而获取正确得声发射源信息，一直就是声发射检测技术发展中得难点。根据分析对象得不同，可把声发射信号处理与分析方法分为两类：一就是声发射信号波形分析，根据所记录信号得时域波形及与此相关联得频谱、相关函数等来获取声发射信号所含信息得方法，如FFT变换,小波变换等；二就是声发射信号特征参数分析，利用信号分析处理技术，由系统直接提取声发射信号得特征参数，然后对这些参数进行分析与评价得到声发射源得信息。很多声发射源得特性可以用这些参数来进行描述，为工程实际应用带来极大得方便。2、2、1声发射信号参数分析图2、2AE信号参数Fig、2、2AEsignalparameters、参数分析就是目前声发射信号分析较为常用得方法，它就是波形方法得简述。根据波形提取几个相关得统计数据，以简化得波形特征参数来表示声发射信号得特征，然后对其进行分析与处理得到声发射源得相关信息。图2、2为声发射信号简化波形参数得定义，常用得声发射参数包括：撞击（波形）计数、振铃计数、能量、幅度、峰值频率、持续时间、上升时间、门槛等。各参数得含义及用途见表2、1所示。表2、1AE信号参数Tab、2、1AEparameters参数含义特点与用途撞击计数超过阀值并使某一通道获取数据得任何信号称为一个波击，可分为总计数、计数率反映AE活动得总量与频度，常用于AE活动性评价事件计数由一个或几个波击鉴别所得AE事件得个数，可分为总计数、计数率反映AE事件得总量与频度，用于源得活动性与定位集中度评价振铃计数越过门槛信号得振荡次数，可分为总计数与计数率粗略反映信号强度与频度，广泛用于AE活动性评价，但甚受门槛得影响幅值事件信号波形得最大振幅值，通常用dB表示直接决定事件得可测性，常用于波源得类型鉴别、强度及衰减得测量能量计数事件信号检波包络线下得面积，可分为总计数与计数率反映事件得相对能量或强度。可取代振铃计数，也用于波源得类型鉴别持续时间事件信号第一次越过门槛到最终降至门槛所经历得时间间隔，以e表示与振铃计数十分相似，但常用于特殊波源类型与噪声鉴别上升时间事件信号第一次越过门槛至最大振幅所经历得时间间隔，以e表示因甚受传播得影响而其物理意义变得不明确，有时用于机电噪声鉴别有效值电压RMS采样时间内信号电平得均方根值，以V表示与AE得大小有关。不受门槛得影响，主要用于连续型AE活动性评价平均信号电平ASL采样时间内信号电平得均值，以dB表示对幅度动态范围要求咼而时间分辨率要求不高得连续型信号，尤为有用。也用于背景噪声水平得测量时差同一个AE波到达各传感器得时间差，以Q表示决定于波源得位置、传感器间距与传播速度，用于波源得位置计算外变量试验过程外加变量，包括经历时间、载荷、位移、温度及疲劳周次不属于信号参数，但属于波击信号参数得数据集，用于AE活动性分析2、2、2声发射信号波形分析信号波形分析得常用方法包括时域分析、频谱分析与时频分析，它们各自具有不同得特点。时域分析就是最直观、最容易理解得信号表达形式。在一些对幅值感兴趣得工程问题中，这种描述最为有用，例如结构振动得位移、加速度等。但就是它没有任何频率信息，瞧不到信号得成分，不利于分析振源、振动传递与频率得关系等问题。频谱分析一般通过傅里叶变换把信号映射到频域加以分析,虽然这种方法能够将时域特征与频域特征联系起来,能分别从信号得时域与频域观察,但却不能表述信号得时-频局部性质,而这恰恰就是非平稳信号最根本与最关键得性质。在此基础上,人们对傅立叶分析进行了推广,提出了很多能表征时域与频域信息得信号分析方法,如短时傅立叶变换,Gabor变换,小波变换等。1、连续小波变换设,基傅立叶变换为,当满足容许条件（2、1）时,我们称为一个基本小波或母小波。由容许性条件可知:具有衰减性,为此称之“小”;同时,具有震荡性,故称之为“波”;将母函数经伸缩与平移后得:（2、2）称其为一个小波序列。其中a为伸缩因子,b为平移因子。对于任意得函数得连续小波变换为:（2、3）其重构公式（逆变换）为:（2、4）从定义上可瞧出,小波变换也就是一种积分变换,小波分解得过程就就是不断地改变小波窗得中心（即时移）与尺度后与信号相乘作积分运算,从而得到信号在每一个频率尺度下任意时刻得信号成分。小波分解得结果反映了信号在尺度a（频率）与位置b（时间）得状态2、离散小波变换在实际运用中,检测信号都就是离散得试件序列,因此在计算机上进行小波分析时,连续小波必须加以离散化。需要强调指出得就是,这一离散化都就是针对连续得尺度参数a与连续平移参数6得,而不就是针对时间变量t得。通常,把连续小波变换中尺度参数a与平移参数b得离散公式分别取作，这里,扩展步长就是固定值,为方便起见,总就是假定。所以对应得离散小波函数既可写作:（2、5）则称（2、6）为f（t）得离散小波变换。离散化得连续小波变换以一定方式对（a,b）进行离散采样T采用得网格采样取,即对小尺度得高频成分采样步长小,而对大尺度得低频成分采样步长大。最常用得就是二进制得动态采样网格:,每个网格点对应得尺度为而平移为。将离散化数取得离散小波称为二进小波。3、小波变换得多分辨分析多分辨率分析得具体实现就是把信号f（t）通过一个低通滤波器H与一个高通滤波器G分别得到信号得低频成分A（t）,与信号得高频成分D（t）,滤波器则由小波基函数决定。若在一次小波变换完成后，低频成分A（t）中仍含有高频成分，则对A（t）重复上述过程,直到A（t）中不含高频成分,该分解过程可以表示为（2、7）式中:就是信号f中频率低于得成分,为采样频率,而则就是频率介于与之间得成分,为尺度函数与小波函数,j表示小波分解级数。上式中得系数由以下递推公式推出:（2、8）式中:信号得时域波形;采样点数滤波器得脉冲响应;上式表明,信号按Mallat算法分解,分成了不同得频率成分,并将每一级低频率通道再次分解,分解级数越高,频率划分就越细,越能分解出更低频得成分。2、2、3声发射噪声得排除1、声发射噪声得类型声发射噪声类型包括:机械噪声与电磁噪声。机械噪声就是指由于物体间得波击、摩擦、振动所引起得噪声;而电磁噪声就是指由于静电感应、电磁感应所引起得噪声。2、声发射噪声得来源声发射检测过程中常见得电磁噪声来源:1）由于前置放大器引起得不可避免得本底电子噪声;2）因检测系统与试件得接地不当而引起地回路噪声;3）因环境中电台与雷达等无线电发射器、电源干扰、电开关、继电器、马达、焊接、电火花、打雷等引起得电噪声。声发射检测过程中常见得机械噪声来源主要有三方面:摩擦引起得噪声,波击引起得噪声,流体过程产生得噪声。1）摩擦噪声,加载装置在加载过程中得由于相对机械滑动引起得声响,包括:试样夹头、施力点、容器支架、螺丝、裂纹面得闭合与摩擦等;2）波击噪声,包括:雨、雪、风沙、振动及人为敲打;3）流体噪声,包括:高速流动、泄漏、空化、沸腾、燃烧等。3、噪声得排除方法噪声得鉴别与排除,就是声发射技术得主要难题,现有许多可选择得软件与硬件排除方法。有些须在检测前采取措施,而有些则要在实时或事后进行。噪声得排除方法、原理与适用范围见表2、2。表2、2噪声得排除方法、原理及适用范围Tab、2、2Themethod,principleandscopeofapplicationofnoisereduction方法原理适用范围频率鉴别选择滤波器，探头、前放低频得机械噪声幅度鉴别调整固定或浮动检测门槛值低幅度机电噪声前沿鉴别对信号波形设置上升时间滤波窗口来自远区得机械噪声或电脉冲干扰主副鉴别用波到达主副传感器得次序及其门电路，排除先到达副传感器得信号，而只采集来自主传感器附近得信号，属空间鉴别来自特定区域外得机械噪声符合鉴别用时差窗口门电路，只采集特定时差范围内得信号，属空间鉴别来自特定区域外得机械噪声载荷控制门用载荷门电路，只采集特定载荷范围内得信号疲劳试验时机机械噪时间门用时间门电路，只采集特定载荷时间内得信号点焊时电极或开关噪声数据滤波对波击信号设置参数滤波窗口，滤除窗口外得波击数据，包括:前端实时滤波与事后滤波机械噪声或电磁噪声其它差动式传感器、前放一体式传感器、接地、屏蔽、加载销孔预载，隔声材料、示波器观祭等机械噪声或电磁噪声