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，则幅值上升时间持续时间振铃计数幅度门槛电压能量46为 Vae 的声发射信号的 dBae 幅度可由下式算出：dBae = 20 lg（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dBae 0 20 40 60 80 100Vae 1V 10V 100V 1mV 10mV 100mV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T 门槛HDT47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.mmmuuun PARA1 CH RISE COUN ENER DURATION AMP 01:18.9101730 36.60 3 81 92 57 3222 59 01:18.9103205 36.60 12 133 49 48 6243 51 01:18.9104999 36.60 4 69 62 86 6899 55 01:18.9112070 36.60 8 29 27 53 1947 51 (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 :T Vms = V2(t)dt　 0 Vrms =  Vms β Vt∫f0 VpT1 49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 : t2 t2 E ∝ (Vrms)2 dt = Vms dt t1 t1 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。