声发射信号处理和分析技术

2013-11-27 10:31:23来源: 互联网
声发射信号处理和分析技术

      摘  要:介绍声发射技术发展简况、声发射信号处理面临的困难及目前所用的各种处理和分析方法。还介绍了声发射仪器的发展概况。
      关键词:声发射检验;信号处理;分析;声发射仪器
      声发射(AE)可以定义为物体或材料内部迅速释放能量而产生瞬态弹性波的一种物理现象,而AE信号则表示一个或多个AE事件经传感器接受并经系统处理后以某种形式出现的电信号。当材料遇到“麻烦”时,它们会“讲话”,我们可以利用声发射设备来“听”诸如裂纹扩展、纤维断裂以及材料其他形式损伤所发出的“声音”。AE相应的弹性波并不仅局限于可听声域,在绝大多数情况下,其有效频谱范围可伸展到数兆赫甚至数十兆赫频段。所以严格地讲,声发射应当被称为应力波发射,但由于历史的原因,人们已习惯于将其称为声发射。AE的原机制是各种各样的,如固体内裂纹的形成和扩展(裂纹的传播)、塑性形变、晶体内位错的移动和位错在钉扎点上的分离、孪晶边界的移动、复合材料内基体或夹杂物的破裂、分层或纤维的断裂以及物质结构的变化(包括相变)等。不同的源机制对应不同的发射声波,因而也对应不同的AE信号。尽管引起声发射的外部原因是多种多样的,但其共同点都是由于外部条件的变化(应力、温度和电磁场等),引起物体或结构某一局部或某些部分变得不稳定并迅速释放出能量。AE是正在扩展的材料缺陷(裂纹)的指示器,没有扩展,裂纹或材料的缺陷处于静止状态,就没有能量的重新分配,也就没有声发射。换句话说,只有当物体受到了永久性形变或永久性损伤时才会产生声发射。正因为这样,AE技术是检测材料损伤,特别是早期损伤的有利工具,也是对材料或结构状态进行动态监测的重要方法。与此相适应,声发射信号处理的主要任务则应当包括AE源识别、AE源定位和损伤评价等内容。
      1    声发射信号及信号处理的困难所在
      与其它无损检测方法不同的是,AE信号处理技术面临的最大难题,或最大困惑首先是AE源的多样性、信号本身的突发性和不确定性。在进行超声或涡流检测时,人们可准确知道注入被检材料中信号的特征(幅度、频率和波形等),并由此可知接收信号的相应特征或相当发生的变化。而对于AE检测技术而言,情况却完全不同。不同的AE源机制可以产生完全不同的AE信号,而人们对AE源机制的认识总是受到很多条件的限制。因此,说极端一点,检测人员有时几乎不知道真正的AE信号究竟应是什么样子。其次,AE信号传输途径的影响也是一个完全不容忽视的因素,但问题在于,传输途径又与AE源位置、被检对象性质(材质、形状和几何尺寸)、声耦合剂特征以及接收传感器位置等诸多因素有关。图1可以说明这一问题。          
      声源S(t)  输出信号F(t)             
      由图1可见,AE传感器所获得的信号至少是声源、传输介质、耦合介质和换能器响应等因素的综合结果,在数学上可表示为
      F(t)= S(t)* M(t)* C(t)* R(t)
      式中   S(t)——声源的时域函数
      M(t)——传输介质的脉冲响应函数(格林函数)
      C(t)——耦合介质的脉冲响应函数
      R(t)——换能器的脉冲响应函数
      * ——卷积          
      在频率域,上式可简化为
      F(ω) = S(ω)M(ω)C(ω)R(ω)
      式中   S(ω)——声源的频率响应函数
      M(ω)——传输介质的频率响应函数
      C(ω)——耦合介质的频率响应函数
      R(ω)——换能器的频率响应函数
      ω——角频率      
      S(t)和C(t)的不确定性以及M(t)和R(t)的复杂性使AE信号处理面临巨大困难。可以说,即使对一个长期从事AE技术研究的人来讲,有时也很难回答类似“AE信号究竟是什么样子”这样的问题。各种文献列举的AE信号可以是图2中的任何一种,也可以是其它样式,显然,其差异十分巨大。
      图2a是典型的连续型AE信号,完全类似于白噪声;图2b是目前最常用的谐振频率为150kHz AE传感器的突发型输出信号,可明显看到边界反射产生的回波叠加效应和AE传感器的振铃效应;图2c是利用宽带AE传感器在薄板上获得的垂直激励产生的AE信号,可分辨出弯曲波和扩展波信号;图2d是在厚板上用电容传感器(其频率响应极宽)测出的响应于固体内一个阶跃变化力AE源在“震中”位置产生的表面位置移动。AE信号的这种差异可能让初学者很难理解,甚至无所适从。
      AE信号处理技术面临的另外两大困难是AE信号的微弱性(但又完全可以是宽动态范围)和干扰噪声的多样性。因此,在AE技术发展史上,各种可能的信号处理技术都曾被尝试过。可以毫不夸张地说,在现有的各种无损检测方法中,AE检测技术所涉及到的信号处理内容应当是最广泛、最全面的。在了解了这一点之后也就不难理解为什么有如此众多的AE信号处理方法。本系列专题综述拟就一些最主要和最常用的AE信号处理技术展开讨论,它们是参数分析、定位技术、波形分析技术、模态声发射、谱分析、小波分析、神经网络及一些特殊技术。
      2声发射信号处理技术
      如前所述,声发射检测和声发射信号处理的目的是获得有关声发射源的信息,包括损伤位置、损伤程度和剩余寿命等。人们对AE的认识随理论研究的发展而加深,另一方面,AE作为实用诊断技术,每前进一步都是同信号处理技术和测试仪器的发展分不开的。可以毫不夸张地说,一部AE技术的发展史也就是AE信号处理技术的发展史。
      在研究AE信号的处理技术之前,先阐述一下AE技术发展史上的两个重要的事件,因为它们都对AE信号的处理技术和AE技术的发展起了重要作用。第一是德国人凯撒(J Kaiser)观察到的Kaiser效应。20世纪50年代初,凯撒研究了多晶金属材料如锌、铜、铝和铅等的声发射特征,发现在加载时,这些材料都产生了声发射,且是不可逆的。AE现象仅在第一次加载时产生,第二次加载及以后各次加载所产生的AE信号变得微不足道,除非后面所加外应力超过前面各次加载的最大值。这一现象后来又在多种金属材料实验中得到证实,并被命名为凯撒效应。这一效应在AE信号处理方面得到广泛应用,成为克服噪声干扰的主要手段之一,因而也成为用AE技术监测结构完好性的依据。例如,在加载实验时,可先在小应力下进行几次循环加载实验以克服实验机夹具和试件之间摩擦噪声的影响,然后再进行正式加载试验。如试件完好无损,则在加载循环中不应得到明显的AE信号,反之,任何突然增大的AE信号都极有可能是该试件发生疲劳或内部有断裂的预兆。这种利用不可逆效应降噪和获取有用信息的方法为AE技术所独有。
      同AE信号处理技术直接有关的另一重要事件是,20世纪60年代美国学者Dunegan提出,可把观察和记录AE信号的频率移至超声段(>20kHz)以降低外界干扰噪声的影响。在此之前,人们为了观察和记录声发射信号的变化,实验不得不在夜深人静的时候进行,并经常事倍功半甚至半途而废,声发射试验工作之苦可见一斑。由于观察频率的这一“简单移动”极大的克服了环境干扰噪声的影响,它所带来的是AE理论和应用研究的革命性进展。
      2.1 干扰噪声
      虽然各种检测方法都面临干扰噪声问题,但由于声发射是以被动检测的方式用于动态监测,它所面临的噪声干扰问题就特别严重,甚至是其它方法无法比拟的。在许多情况下,如利用AE进行疲劳裂纹扩展监测、运行设备状况监测以及对行驶中的汽车的转动轴和转向节进行动态监视时,外部干扰噪声都可能远远大于人们感兴趣的AE信号。AE检测面临的干扰噪声主要有下面几种:
      2.1.1 电器干扰噪声
     (1)前置放大器输入端的白噪声   这是一种自然的不可避免的噪声,确定了系统灵敏度的最终极限。使用设计良好的前置放大器,该噪声可以很小并接近理论极限。
(2)AE系统内部所产生的噪声 目
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关键字:声发射  信号

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/1127/article_21246.html
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