第5章-声发射信号处理方法

45第5章声发射信号处理方法目前采集和处理声发射信号的方法可分为两大类。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。简化波形特征参数分析方法是自二十世纪五十年代以来广泛使用的经典的声发射信号分析方法，目前在声发射检测中仍得到广泛应用，且几乎所有声发射检测标准对声发射源的判据均采用简化波形特征参数。5.1经典信号处理方法5.1.1波形特性参数图5.1为突发型标准声发射信号简化波形参数的定义。由这一模型可以得到如下参数：(1)波击（事件）计数；(2)振铃计数；(3)能量；(4)幅度；(5)持续时间；(6)上升时间；图5.1声发射信号简化波形参数的定义对于连续型声发射信号，上述模型中只有振铃计数和能量参数可以适用。为了更确切地描述连续型声发射信号的特征，由此又引入了如下两个参数：(7)平均信号电平；(8)有效值电压。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，则幅值为上升时间持续时间振铃计数幅度门槛电压能量46Vae的声发射信号的dBae幅度可由下式算出：dBae=20lg（Vae/1V）表5.1列出了常用整数幅度dBae对应的传感器输出电压值。表5.1常用整数幅度dBae对应的传感器输出电压值dBae020406080100Vae1V10V100V1mV10mV100mV对于实际的声发射信号，由于试样或被检构件的几何效应，声发射信号波形为如图5.2所示的一系列波形包络信号。因此，对每一个声发射通道，通过引入声发射信号撞击定义时间（HDT）来将一连串的波形包络画入一个撞击或划分为不同的撞击信号。对于图5.2的波形，当仪器设定的HDT大于两个波包过门槛的时间间隔T时，则这两个波包被划归为一个声发射撞击信号；但如仪器设定的HDT小于两个波包过门槛的时间间隔T时，则这两个波包被划归分为两个声发射撞击信号。图5.2声发射撞击信号的定义表5.2列出了常用声发射信号特性参数的含义和用途。这些参数的累加可以被定义为时间或试验参数(如压力、温度等)的函数,如总事件计数、总振铃计数和总能量计数等。这些参数也可以被定义为随时间或试验参数变化的函数，如声发射事件计数率、声发射振铃计数率和声发射信号能量率等。这些参数之间也可以任意两个组合进行关联分析，如声发射事件-幅度分布、声发射事件能量-持续时间关联图等。5.1.2分析识别技术(1)声发射信号参数的列表显示和分析列表显示是将每个声发射信号参数进行时序排列和直接显示，包括信号到达时间，各个声发射信号参数、外变量、声发射源的坐标等。表5.3为压力容器升压过程中采集到的裂纹扩展声发射信号的参数数据列表。在声发射检测前对声发射系统T门槛HDT47进行灵敏度测定和模拟源定位精度测试时，直接观察数据列表。对声发射源的强度进行精确分析时也经常采用数据列表显示和分析。表5.2声发射信号参数参数含义特点与用途撞击（Hit）和撞击计数超过门槛并使某一通道获取数据的任何信号称之为一个撞击。所测得的撞击个数，可分为总计数、计数率反映声发射活动的总量和频度，常用于声发射活动性评价事件计数产生声发射的一次材料局部变化称之为一个声发射事件。可分为总计数、计数率。一阵列中，一个或几个撞击对应一个事件反映声发射事件的总量和频度，用于源的活动性和定位集中度评价计数越过门槛信号的振荡次数，可分为总计数和计数率信号处理简便，适于两类信号，又能粗略反映信号强度和频度，因而广泛用于声发射活动性评价，但受门槛值大小的影响幅度信号波形的最大振幅值，通常用dBae表示（传感器输出1V为0dB）与事件大小有直接的关系，不受门槛的影响，直接决定事件的可测性，常用于波源的类型鉴别、强度及衰减的测量能量计数（MARSE）信号检波包络线下的面积，可分为总计数和计数率反映事件的相对能量或强度。对门槛、工作频率和传播特性不甚敏感，可取代振铃计数，也用于波源的类型鉴别持续时间信号第一次越过门槛至最终降至门槛所经历的时间间隔，以s表示与振铃计数十分相似，但常用于特殊波源类型和噪声的鉴别上升时间信号第一次越过门槛至最大振幅所经历的时间间隔，以s表示因受传播的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，信号的均方根值，以V表示与声发射的大小有关，测量简便，不受门槛的影响，适用于连续型信号，主要用于连续型声发射活动性评价平均信号电平（ASL）采样时间内，信号电平的均值，以Db表示提供的信息和用途与RMS相似，对幅度动态范围要求高而时间分辩率要求不高的连续型信号，尤为有用。也用于背景噪声水平的测量到达时间一个声发射波到达传感器的时间，以s表示决定了波源的位置、传感器间距和传播速度，用于波源的位置计算外变量试验过程外加变量，包括时间、载荷、位移、温度及疲劳周次等不属于信号参数，但属于波击信号参数的数据集，用于声发射活动性分析48表5.3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MM:SS.mmmuuunPARA1CHRISECOUNENERDURATIONAMP01:18.910173036.60381925732225901:18.910320536.6012133494862435101:18.910499936.60469628668995501:18.911207036.608292753194751(2)声发射信号单参数分析方法由于早期的声发射仪器只能得到计数、能量或者幅度等很少的参数，因此人们早期对声发射信号的分析和评价通常采用单参数分析方法，最常用的单参数分析方法为计数分析法、能量分析法和幅度分析法。1)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。对于一个声发射事件，由换能器探测到的声发射计数为:N=ln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样品几何形状、传感器的特性及连接方式、门槛电压、放大器和滤波器工作状况等因素的影响。2)能量分析法: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。但目前声发射仪器多用数字化电路,因而也可直接测量声发射信号波形的面积。对于突发型声发射信号可以测量每个事件的能量。一个信号V(t)的均方电压和均方根电压定义如下:TVms=V2(t)dt0Vrms=VmsβVt∫f0VpT149式中,T是平均时间,V(t)是随时间变化的信号电压。根据电子学中的理论，可以得到Vms随时间的变化就是声发射信号的能量变化率,声发射信号从t1到t2时间内的总能量E可由下式表示:t2t2E∝(Vrms)2dt=Vmsdtt1t1声发射信号能量的测量可以直接与材料的重要物理参数(如发射事件的机械能、应变率或形变机制等)直接联系起来，而不需要建立声发射信号的模型。能量测量同样解决了小幅度连续型声发射信号的测量问题。另外，测量信号的均方根电压或均方电压也有很多优点。首先，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,不象计数技术一样与阈值的大小有紧密关系。其次，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。第三，Vrms与Vms很容易对不同应变率或不同样品体积进行修正。3)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。人们对声发射信号的幅度、事件和计数得到如下经验公式：N=式中: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。(3)经历图分析方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。最常用和最直观的方法是图形分析，如图5.3（a～d）所示为一台压力容器上的裂纹在加压过程中裂纹扩展并最终导致泄漏的声发射信号随时间的变化图。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：(1)声发射源的活动性评价；(2)费利西蒂（Felicity）比和凯塞（Kaiser）效应评价；∫∫Pfb50(3)恒载声发射评价；(4)起裂点测量。(a)能量率随时间的变化图(b)计数率随时间的变化图(c)总能量随时间的变化曲线(d)总计数随时间的变化曲线图5.3压力容器加压过程中声发射信号随时间的变化经历图(4)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。一般采用分布图进行分析，纵轴选择撞击计数或事件计数，而横轴可选择声发射信号的任一参数。横轴选用某一个参数即为该参数的分布图。如幅度分布、能量分布、振铃计数分布、持续时间分布、上升时间分布等，其中幅度分布应用最为广泛。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，例如金属材料的裂纹扩展与塑性变形、复合材料的纤维断裂与基材开裂等；该方法也经常用于评价声发射源的强度。图5.4为一台压力容器在加压过程中裂纹扩展声发射信号撞击数和定位源事件的部分参数分布图。(a)所有撞击信号的幅度分布图（b）所有定位源信号的幅度分布图裂纹扩展信号泄漏信号51(c)所有撞击信号的能量分布图(d)所有定位源信号的能量分布图(e)所有撞击信号的持续时间分布图(f)所有定位源信号的持续时间分布图图5.4压力容器在加压过程中裂纹扩展声发射信号的参数分布图。(5)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。如有些电子干扰信号通常具有很高的幅度，但能量却很小，通过采用幅度－能量关联图即可将其区分出来；对于压力容器来说，内部介质泄漏信号与容器壳体产生的信号相比，具有长得多的持续时间，通过应用能量－持续时间或幅度－持续时间关联图分析，很易发现压力容器的泄漏。美国MONPAC声发射检验俱乐部以声发射信号计数与幅度的关联图的形态来评价金属压力容器声发射检验数据的质量。图5.5（a～h）为一台压力容器在加压过程中裂纹扩展声发射信号撞击数的部分典型的关联图。图5.6（a，b）所示为一台压力容器上的裂纹在加压过程中裂纹扩展并最终导致泄漏的声发射信号能量和计数与持续时间的关联图，从图中可见，在同等能量和计数值的情况下，泄漏信号的持续时间比裂纹扩展信号的持续时间大得多。(a)能量与幅度的关联图(b)计数与幅度的关联图52(c)持续时间与幅度的关联图(d)上升时间与幅度的关联图(e)计数与持续时间的关联图(f)能量与持续时间的关联图(g)上升时间与持续时间的关联图(h)上升时间与能量的关联图图5.5压力容器在加压过程中裂纹扩展声发射信号参数的关联图(a)能量与持续