声发射信号处理方法

声发射信号处理方法李光海[e-mail]2020/1/19声发射I、II级人员培训2声发射信号处理方法声发射信号的特点瞬态性多态性易受噪声干扰声发射信号的处理方法一种为以多个简化的波形特征参数来表示声发射信号的特征，然后对这些波形特征参数进行分析和处理；另一种为存贮和记录声发射信号的波形，对波形进行频谱分析。)()()(tietAtf2020/1/19声发射I、II级人员培训3经典信号处理方法声发射信号参数分析事件计数振铃计数能量幅度持续时间上升时间平均信号电平有效值电压2020/1/19声发射I、II级人员培训4声发射信号参数分析2020/1/19声发射I、II级人员培训5声发射信号参数分析信号幅度声发射信号的幅度通常以dBAE表示，定义传感器输出1V时为0dB，则幅值为VAE的声发射信号的dBAE幅度可由下式算出：VVdBrefVVAErefAE1lg202020/1/19声发射I、II级人员培训6声发射信号参数分析HDT（撞击定义时间）PDT（峰值定义时间）HLT（撞击锁闭时间）T门槛HDT2020/1/19声发射I、II级人员培训7声发射信号参数分析表5-2P472020/1/19声发射I、II级人员培训8声发射信号的分析技术声发射信号特征参数数据列表到达时间压力通道上升时间计数能量持续时间幅度01:18.910173036.60381925732225901:18.910320536.6012133494862435101:18.910499936.60469628668995501:18.911207036.6082927531947512020/1/19声发射I、II级人员培训9声发射信号单参数分析计数法计数法是处理声发射脉冲信号的一种常用方法。目前应用的计数法有声发射事件计数率与振铃计数率及它们的总计数，另外还有一种对振幅加权的计数方式，称为“加权振铃”计数法。声发射事件是由材料内局域变化产生的单个突发型信号，声发射计数(振铃计数)是声发射信号超过某一设定门槛的次数,信号单位时间超过门槛的次数为计数率,声发射计数率依赖于传感器的响应频率、换能器的阻尼特性、结构的阻尼特性和门槛的水平。2020/1/19声发射I、II级人员培训10声发射计数法式中f0是换能器的响应中心频率,β为波的衰减系数,Vp是峰值电压,Vt为阈值电压。计数法的缺点是易受下列因素影响：样品几何形状传感器的特性耦合条件门槛电压接收仪器的响应tpVVfNln02020/1/19声发射I、II级人员培训11能量分析法声发射能量反映声发射源以弹性波形式释放的能量；由于计数法测量声发射信号存在上述缺点，尤其对连续型声发射信号更明显，因而通常采用测量声发射信号的能量来对连续型声发射信号进行分析。目前，声发射信号的能量测量是定量测量声发射信号的主要方法之一。声发射信号的能量正比于图4.1中声发射波形的面积，通常用均方根电压(Vrms)或均方电压(Vms)来进行声发射信号的能量测量。2020/1/19声发射I、II级人员培训12能量分析法信号V(t)的均方电压、均方根电压以及能量定义如下:TTmsdttVV021)(msrmsVV21212ttmsttrmsdtVdtVE2020/1/19声发射I、II级人员培训13能量分析法能量分析法的优点：Vrms和Vms对电子系统增益和换能器耦合情况的微小变化不太敏感,且不依赖于任何阈值电压；Vrms和Vms与连续型声发射信号的能量有直接关系，但对计数技术来说，根本不存在这样的简单关系；Vrms与Vms很容易对不同应变率或不同样品体积进行修正。2020/1/19声发射I、II级人员培训14幅度分析法信号峰值幅度和幅度分布是一种可以更多地反映声发射源信息的处理方法，信号幅度与材料中产生声发射源的强度有直接关系，幅度分布与材料的形变机制有关。声发射信号幅度的测量同样受换能器的响应频率、换能器的阻尼特性、结构的阻尼特性和门槛电压水平等因素的影响。通过应用对数放大器，既可对声发射大信号也可对声发射小信号进行精确的峰值幅度测量。不同的声发射源具有不同的幅度分布谱。2020/1/19声发射I、II级人员培训15幅度分析法声发射信号的幅度、事件和计数得到如下经验公式：N=声发射信号累加振铃计数；P=声发射信号事件总计数；f=换能器的响应频率；=声发射事件的下降时间；b=幅度分布的斜率参数。bPfN2020/1/19声发射I、II级人员培训162020/1/19声发射I、II级人员培训17经历图分析法声发射信号经历分析方法是通过对声发射信号参数随时间或外变量变化的情况进行分析，从而得到声发射源的活动情况和发展趋势采用经历图分析方法对声发射源进行分析可达到如下目的：声发射源的活动性评价；费利西蒂（Felicity）比和凯塞（Kaiser）效应评价；恒载声发射评价；起裂点测量。2020/1/19声发射I、II级人员培训18声发射信号的经历图2020/1/19声发射I、II级人员培训19经历图分析2020/1/19声发射I、II级人员培训20分布分析方法声发射信号分布分析方法是将声发射信号撞击计数或事件计数按信号参数值进行统计分布分析。分布分析可用于发现声发射源的特征，从而达到鉴别声发射源类型的目的。2020/1/19声发射I、II级人员培训21关联分析方法关联分析方法也是声发射信号分析中最常用的方法，对任意两个声发射信号的波形特征参数可以作它们之间的关联图进行分析，图中二维坐标轴各表示一个参数，每个显示点对应于一个声发射信号撞击或事件。通过作出不同参量两两之间的关联图，可以分析不同AE源的特征，从而能起到鉴别AE源的作用。2020/1/19声发射I、II级人员培训22关联图分析裂纹扩展信号泄漏信号裂纹扩展信号泄漏信号2020/1/19声发射I、II级人员培训23关联分析中的滤波器设置2020/1/19声发射I、II级人员培训24声发射源的定位技术突发性信号定位时差定位，是经对各个声发射通道信号到达时间差、波速、探头间距等参数的测量及复杂的算法运算，来确定波源的坐标或位置。时差定位是一种精确而又复杂的定位方式，广泛用于试样和构件的检测。不过，时差定位，易丢失大量的低幅度信号，其定位精度又受波速、衰减、波形、构件形状等许多易变量的影响，因而，在实际应用中也受到种种限制。区域定位，是一种处理速度快、简便而又粗略的定位方式，主要用于复合材料等由于声发射频度过高或传播衰减过大或检测通道数有限而难以采用时差定位的场合。2020/1/19声发射I、II级人员培训25声发射源的定位技术平面定位柱面定位球面定位突发信号连续信号时差定位区域定位源定位幅度测量式区域定位衰减测量式定位互相关式时差定位干涉式时差定位一维定位二维定位三维定位独立通道监视信号到达次序2020/1/19声发射I、II级人员培训262020/1/19声发射I、II级人员培训27独立通道定位按传感器各监视各区域的方式或按声发射波到达各传感器的次序，粗略确定声发射源所处的区域。a）单通道监视区b）到达次序区域定位2020/1/19声发射I、II级人员培训28线定位当被检测物体的长度与半径之比非常大时，易采用线定位进行声发射检测，如管道、棒材、钢梁等。*T1T2*T2T1dD)(211221tVDdtTTVTdDVTd2020/1/19声发射I、II级人员培训29平面定位tV=r1－RZ=RsinθZ2=r12―(D―Rcosθ)21rθ探头探头Dr1zRr1－R=常数AE源*Xs，Yscos21222DtVVtDR2020/1/19声发射I、II级人员培训30三探头平面定位算法探头1（X1，Y1）探头3（X3，Y3）探头2（X2，Y2）AE源（Xs，Ys）θ1θθ3D1RD2r1r2)cos(21)cos(2122113222222211122121DVtVtDDVtVtDRRRrVtRrVt2020/1/19声发射I、II级人员培训31解析解的定位仿真从以上数值模拟结果来看，在直角或锐角三角形内甚至其周围都可求得解。而在钝角三角形内，由于θ值选择的限制，在钝角附近则存在着一定的盲区,2020/1/19声发射I、II级人员培训32四个探头阵列的平面定位计算方法22222YaXLaLXXX）（22222XbYLbLYYY）（Lx=txV，Ly=tYV2020/1/19声发射I、II级人员培训33球面定位算法)coscos)cos(sincos(sin212121aRABLPA1tVLPB2tVLPCACBP0coscoscos)cos(sinsin1222RVtL0coscoscos)cos(sinsin2333RVtL0coscoscos)cos(sinsin111RL2020/1/19声发射I、II级人员培训34影响声发射信号定位源精度的因素不唯一解图形畸变弱声发射源强声源和多声源探头位置波速（多模态）时差测量硬件影响门槛值设定噪声影响算法误差2020/1/19声发射I、II级人员培训35声发射信号定位源精度门槛影响硬件影响2020/1/19声发射I、II级人员培训36连续声发射源定位幅度衰减测量区域定位方法外径108mm，厚度4.5mm，泄漏孔径2.5mm时，泄漏声发射信号RMS随传播距离变化关系(压力为0.4、0.3、0.25、0.2MPa，R15传感器)2020/1/19声发射I、II级人员培训37幅度衰减测量区域定位方法RMSA1A2A3A4x1x2xx3x42020/1/19声发射I、II级人员培训38连续声发射源定位的幅度测量方法(1)通过识别最高和第二高声发射输出信号，从声发射探头阵列中找到最靠近泄漏源的两个探头。在探头阵列之外的泄漏源不能采用幅度测量法进行定位。(2)以分贝来确定两个探头输出的差值，并与被测物体的衰减特征进行比较。(3)对于二维平面，两个探头确定了一条通过泄漏源的双曲线，因此需要第三个探头来得到另一条双曲线，两个双曲线的交点即为泄漏源部位。2020/1/19声发射I、II级人员培训39幅度测量法定位的条件(1)必须将所有通道（包括探头和放大器）的灵敏度调整为相同。(2)无任何电子或机械背景噪音。2020/1/19声发射I、II级人员培训40相关定位对于任意一函数A(t)和时间延迟为τ’的函数B(t)，两个函数A(t)和B(t+τ’)在有限时间间隔内的互相关函数RAB(τ)在τ=τ’肯定包含一个最大值，这一互相关方法可用于连续型声发射源的定位。如探头A接收到来自连续AE源的波A(t)，探头B接受到来自AE源的波B(t+τ’)，相对于波A(t)的时间延迟为τ’，那么AE波从源传播到两个探头间的时差可以从其互相关函数RAB(τ)的最大峰值部位来得到，即ΔtAB=τ’。TTABdttBtAR01)()(2020/1/19声发射I、II级人员培训41相关分析2020/1/19声发射I、II级人员培训42干涉式定位方法(1)在感兴趣的二维或三维空间内定义一个位置；(2)计算信号从定义位置到所有探头之间的传播路径长度，通过已知波速计算波到达阵列中所有探头的传播时间和各个探头的时间延迟；(3)按预定的时间同时捕捉每一个探头的输出，按照第2步计算的延迟时间推迟各通道的采样时间；(4)确定所有延迟的探头间的相干性，高水平的相干性指出在假设的源部位有泄漏发生；(5)如果相干性较低，假设另外一个部位从第2步重复进行。2020/1/19声发射I、II级人员培训43三维立体