声发射基本介绍

2、1声发射检测得基本原理

当材料或结构受应力作用时,由于其微观结构得不均匀及缺陷得存在,导致局部产生应力集中,造成不稳定得应力分布。当这种不稳定状态下得应变能积累到一定程度时,不稳定得高能状态一定要向稳定得低能状态过渡,这种过渡通常就是以塑性变形、相变、裂纹得开裂等形式来完成。在此过程中,应变能被释放,其中一部分以应力波得形式释放出来,这种以弹性应力波得形式释放应变能得现象叫做声发射,也叫应力波发射。固体材料产生局部变形时,不仅产生体积变形,而且会产生剪切变形,因此会激起两种波,即纵波(又称压缩波)与横波(剪切波)。产生这种波得部位叫作声发射源。这种纵波与横波从声发射源产生后通过材料介质向周围传播,--部分通过介质直接传到安放在固体表面得传感器,形成检测信号,还有一部分传到表面后会产生折射,一部分形成折射波返回到材料内部,另一部分则形成表面波(又称瑞利波),表面波沿着介质得表面传播,并到达传感器,形成检测信号。通过对这些信号进行探测、记录与分析就能够实现对材料进行损伤评价与研究。其原理如图所示

图2、1 声发射检测原理

Fig、2、l AE detecting schematic

材料在应力作用下得变形与开裂就是结构失效得重要机制。这种直接与变形与断裂机制有关得源,通常称为传统意义上得声发射源。近年来,流体泄漏、摩擦、撞击、燃烧等与变形与断裂机制无直接关系得另一类弹性波源,也归到声发射源范畴,称为其它声发射源或二次声发射源。

2、2声发射信号处理

声发射信号就是一种复杂得波形,包含着丰富得声发射源信息,同时在传播得过程中还会发生畸变并引入干扰噪声。如何选用合适得信号处理方法来分析声发射信号,从而获取正确得声发射源信息,一直就是声发射检测技术发展中得难点。根据分析对象得不同,可把声发射信号处理与分析方法分为两类:一就是声发射信号波形分析,根据所记录信号得时域波形及与此相关联得频谱、相关函数等来获取声发射信号所含信息得方法,如FFT变换,小波变换等;二就是声发射信号特征参数分析,利用信号分析处理技术,由系统直接提取声发射信号得特征参数,然后

对这些参数进行分析与评价得到声发射源得信息。很多声发射源得特性可以用这些参数来进行描述,为工程实际应用带来极大得方便。

2、2、1声发射信号参数分析

图2、2 AE信号参数

Fig、2、2 AE signal parameters

、参数分析就是目前声发射信号分析较为常用得方法,它就是波形方法得简述。根据波形提取几个相关得统计数据,以简化得波形特征参数来表示声发射信号得特征,然后对其进行分析与处理得到声发射源得相关信息。图2、2为声发射信号简化波形参数得定义,常用得声发射参数包括:撞击(波形)计数、振铃计数、能量、幅度、峰值频率、持续时间、上升时间、门槛等。各参数得含义及用途见表2、1所示。

表2、1 AE信号参数

Tab、2、1 AE parameters

2、2、2声发射信号波形分析

信号波形分析得常用方法包括时域分析、频谱分析与时频分析,它们各自具有不同得特点。时域分析就是最直观、最容易理解得信号表达形式。在一些对幅值感兴趣得工程问题中,这种描述最为有用,例如结构振动得位移、加速度等。但就是它没有任何频率信息,瞧不到信号得成分,不利于分析振源、振动传递与频率

得关系等问题。频谱分析一般通过傅里叶变换把信号映射到频域加以分析,虽然这种方法能够将时域特征与频域特征联系起来,能分别从信号得时域与频域观察,但却不能表述信号得时-频局部性质,而这恰恰就是非平稳信号最根本与最关键得性质。在此基础上,人们对傅立叶分析进行了推广,提出了很多能表征时域与频域信息得信号分析方法,如短时傅立叶变换,Gabor变换,小波变换等。

1、连续小波变换

设,基傅立叶变换为,当满足容许条件

(2、1)

时,我们称为一个基本小波或母小波。由容许性条件可知:具有衰减性,为此称之“小”;同时,具有震荡性,故称之为“波”;将母函数

经伸缩与平移后得:

(2、2)

称其为一个小波序列。其中a为伸缩因子,b为平移因子。对于任意得函数得连续小波变换为:

(2、3)

其重构公式(逆变换)为:

(2、4)

从定义上可瞧出,小波变换也就是一种积分变换,小波分解得过程就就是不断地改变小波窗得中心(即时移)与尺度后与信号相乘作积分运算,从而得到信号在每一个频率尺度下任意时刻得信号成分。小波分解得结果反映了信号在尺度a(频率)与位置b(时间)得状态

2、离散小波变换

在实际运用中,检测信号都就是离散得试件序列,因此在计算机上进行小波分析时,连续小波必须加以离散化。需要强调指出得就是,这一离散化都就是针对连续得尺度参数a与连续平移参数6得,而不就是针对时间变量t得。

通常,把连续小波变换中尺度参数a与平移参数b得离散公式分别取作,,这里,扩展步长就是固定值,为方便起见,总就是假定。所以对应得离散小波函数既可写作:

(2、5)

则称

(2、6)

为f(t)得离散小波变换。

离散化得连续小波变换以一定方式对(a, b)进行离散采样T采用得网格采样取,,即对小尺度得高频成分采样步长小,而对大尺度得低频成分采样步长大。

最常用得就是二进制得动态采样网格:,每个网格点对应得尺度为而平移为。将离散化数取得离散小波称为二进小波。

3、小波变换得多分辨分析

多分辨率分析得具体实现就是把信号f(t)通过一个低通滤波器H与一个高通滤波器G,分别得到信号得低频成分A(t),与信号得高频成分D(t),滤波器则由小波基函数决定。若在一次小波变换完成后,低频成分A(t)中仍含有高频成分,则对A(t)

重复上述过程,直到A(t)中不含高频成分,该分解过程可以表示为:

=

……

(2、7)

=

式中:就是信号f中频率低于得成分,为采样频率,而则就是频率介于与之间得成分,为尺度函数与小波函数,j表示小波分解级数。上式中得系数由以下递推公式推出:

(2、8)

式中:—信号得时域波形;

—采样点数

—滤波器得脉冲响应;

上式表明,信号按Mallat算法分解,分成了不同得频率成分,并将每一级低频率通道再次分解,分解级数越高,频率划分就越细,越能分解出更低频得成分。

2、2、3声发射噪声得排除

1、声发射噪声得类型

声发射噪声类型包括:机械噪声与电磁噪声。机械噪声就是指由于物体间得波击、摩擦、振动所引起得噪声;而电磁噪声就是指由于静电感应、电磁感应所引起得噪声。

2、声发射噪声得来源

声发射检测过程中常见得电磁噪声来源:1)由于前置放大器引起得不可避免得本底电子噪声;2)因检测系统与试件得接地不当而引起地回路噪声;3)因环境中电台与雷达等无线电发射器、电源干扰、电开关、继电器、马达、焊接、电火花、打雷等引起得电噪声。

声发射检测过程中常见得机械噪声来源主要有三方面:摩擦引起得噪声,波击引起得噪声,流体过程产生得噪声。1)摩擦噪声,加载装置在加载过程中得由于相对机械滑动引起得声响,包括:试样夹头、施力点、容器支架、螺丝、裂纹面得闭合与摩擦等;2)波击噪声,包括:雨、雪、风沙、振动及人为敲打;3)流体噪声,包括:高速流动、泄漏、空化、沸腾、燃烧等。

3、噪声得排除方法

噪声得鉴别与排除,就是声发射技术得主要难题,现有许多可选择得软件与硬件排除方法。有些须在检测前采取措施,而有些则要在实时或事后进行。噪声得排除方法、原理与适用范围见表2、2。