声发射信号处理方法

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1、声发射信号处理方法 李光海 中国特种设备检测研究院 13910535948 2010-10-9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。 )( )()( ti etAtf = 2010-10-9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

2、 2010-10-9声发射I、II级人员培训4 声发射信号参数分析 2010-10-9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 1V时为0dB，则幅值为VAE的声发射信号的dBAE幅度 可由下式算出： ()VVdB refV V AE ref AE 1 lg20= 2010-10-9声发射I、II级人员培训 ?HDT（撞击定义时间） ?PDT（峰值定义时间） ?HLT（撞击锁闭时间） 6 声发射信号参数分析 T 门槛 HDT 2010-10-9声发射I、II级人员培训7 声发射信号参数分析 ?表5-2 P47 2010-10

3、-9声发射I、II级人员培训8 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。 2010-10-9声发射I、II级人员培训9 ?式中f0是换能器的响应中心频率, 为波的衰减系 数, Vp是峰值电压, V

4、t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 声发射计数法 t p V V f Nln 0 = 2010-10-9声发射I、II级人员培训10 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

5、声发射信号的能量测量。 2010-10-9声发射I、II级人员培训11 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: = T Tms dttVV 0 2 1 )( msrms VV= = 2 1 2 1 2 t t ms t t rms dtVdtVE 2010-10-9声发射I、II级人员培训12 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

6、或不同样品体积 进行修正。 2010-10-9声发射I、II级人员培训13 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。 2010-10-9声发射I、II级人员培训14 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

7、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。 b Pf N = 2010-10-9声发射I、II级人员培训15 2010-10-9声发射I、II级人员培训16 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。 2010-10-

8、9声发射I、II级人员培训17 声发射信号的经历图 2010-10-9声发射I、II级人员培训18 经历图分析 2010-10-9声发射I、II级人员培训19 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 。 2010-10-9声发射I、II级人员培训20 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

9、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。 2010-10-9声发射I、II级人员培训21 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 2010-10-9声发射I、II级人员培训22 关联分析中的滤波器设置 2010-10-9声发射I、II级人员培训23 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

10、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。 2010-10-9声发射I、II级人员培训24 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 2010-10-9声发射I、II级人员培训25 2010-10-9声发射I、II级

11、人员培训26 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）单通道监视区b）到达次序区域定位）到达次序区域定位 2010-10-9声发射I、II级人员培训27 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 * T2 T1 d D )( 2 1 1221 tVDd tTTVTdDVTd = = 2010-10-9声发射I、II级人员培训28 平面定位 ?tV = r1R ?Z = R sin ?Z2 = r12 (DR cos)2 1 r 探头

12、探头 D r1z R r1R=常数AE源 * Xs，Ys cos2 1 222 DtV VtD R + = 2010-10-9声发射I、II级人员培训29 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） 1 3 D1 R D2 r1 r2 )cos(2 1 )cos(2 1 2211 322 22 2 2 2 111 22 1 2 1 + + = = DVt VtD DVt VtD RR RrVtRrVt 2010-10-9声发射I、II级人员培训30 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

13、求得解。 而在钝角三角形内，由于 值选择的限制，在钝角 附近则存在着一定的盲区, 2010-10-9声发射I、II级人员培训31 四个探头阵列的平面定位计算方法四个探头阵列的平面定位计算方法 += 22 2 2 2 Y a XL a L X X X ）（ += 22 2 2 2 X b YL b L Y Y Y ）（ Lx = tx V，Ly = tY V 2010-10-9声发射I、II级人员培训32 球面定位算法 )coscos)cos(sincos(sin 212121 +=aRAB LPA = 1 tVLPB+= 2 tVLPC+= A P CB 0coscoscos)cos(sins

14、in 1 222 = + + R VtL 0coscoscos)cos(sinsin 2 333 = + + R VtL 0coscoscos)cos(sinsin 111 =+ R L 2010-10-9声发射I、II级人员培训33 影响声发射信号定位源精度的因素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 2010-10-9声发射I、II级人员培训34 声发射信号定位源精度声发射信号定位源精度 门槛影响 硬件影响 2010-10-9声发射I、II级人员培训

15、35 连续声发射源定位连续声发射源定位 ?幅度衰减测量区域定位方法幅度衰减测量区域定位方法 外径外径108mm，厚度，厚度4.5mm，泄漏孔径，泄漏孔径2.5mm时，泄漏声发射信号时，泄漏声发射信号RMS随传播距 离变化关系 随传播距 离变化关系(压力为压力为0.4、 0.3、 0.25、 0.2MPa，R15传感器传感器) 2010-10-9声发射I、II级人员培训36 幅度衰减测量区域定位方法幅度衰减测量区域定位方法幅度衰减测量区域定位方法幅度衰减测量区域定位方法 RMS A1 A2 A3 A4 x1 x2 x x3 x4 2010-10-9声发射I、II级人员培训37 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。 2010-10-9声发射I、II级人员培训38 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。