声发射原理及参数

声发射技术原理和声发射信号特征参数分析方法
提要：由于声发射信号来自缺陷本身，因此研究缺陷所产生的声发射信号的特点，以分析缺陷所处的位置和在其不同应力状态的损伤程度。

利用设备在出现故障或破坏时，所发出的声发射信号与正常状态下的差异可以确定设备的运行状态。

本文利用广义线性定位法[5]确定故障的位置，然后利用声发射的特征参数对故障的严重程度进行检测。

对从藕合表面的传感器测得的声发射信号的输出波形经过一定的处理后进行分析。

将声发射技术运用于转轴等机械部件的裂纹故障诊断中，可以及时准确地预测并诊断出设备在运行时的故障，尤其对于早期的故障。

基于声发射技术的转轴故障检测
李凤英沈玉娣熊军
摘要介绍了声发射技术的原理和声发射信号的特征参数分析方法，运用广义线性定位法初步确定故障的位置，并采用声发射特征参数对现场的试验结果进行了分析。

通过与正常信号对比，研究故障信号的特征信息，说明运用这一技术可以对机械部件进行故障检测。

一、原理与方法
高速运行的转轴，由于其受到的力为交变载荷，而且工作环境恶劣，经常发生损坏，比如断裂事故，因此有必要进行现场检测。

随着检测技术的发展，无损检测（NUT）越来越受到人们的重视。

无损检测的方法很多，诸如超声、射线、电磁涡流、磁粉、渗透、红外以及声发射等技术。

材料或结构受到外力或内力作用产生变形或者断裂时，以弹性波的形式释放应变能的现象称为声发射现象[1]。

材料裂纹在萌发与扩展时释放出的声发射信号不但频度高，而且集中。

由于声发射信号来自缺陷本身，因此研究缺陷所产生的声发射信号的特点，以分析缺陷所处的位置和在其不同应力状态的损伤程度。

利用设备在出现故障或破坏时，所发出的声发射信号与正常状态下的差异可以确定设备的运行状态。

根据声发射信号的特点，可以把声发射信号分为突发型和连续型两种。

连续型信号由一系列低幅值和连续信号组成，这种信号对应变速率敏感，主要与材料的位错和交叉滑移等塑性变形有关；突发型信号具有高幅值、不连贯、持续时间为微秒级等特点，主要与材料中的堆跺层错的形成和机械孪晶以及裂纹的形成和断裂有关。

但是这两种分类也不是绝对的，因为在很多时候，这两种信号是同时发生的。

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利用声发射信号检测时可以分为两个步骤。

首先是对故障的位置进行确定，其次对故障的性质进行分析。

本文利用广义线性定位法[5]确定故障的位置，然后利用声发射的特征参数对故障的严重程度进行检测。

对从藕合表面的传感器测得的声发射信号的输出波形经过一定的处理后进行分析。

目前分析所使用的特征参数一般有振铃计数与计数率、事件计数与计数率、振幅与振幅分布、能量和能量率、有效值和频谱分布等[3]。

根据声发射信号的主要类型和研究的需要，可以确定选择合适的声发射特征参数。

声发射信号的典型参数如图1所示[7]，波形超过预置的阑值电压后便形成一个个矩形脉冲，这些矩形脉冲就称为事件脉冲，将信号进行包络检波后再进行事件脉冲计数就是事件计数，单位时间的事件计数为事件计数率，计数累计就称为事件总数。

设置阂值电压的重要作用就是对低于阑值电压的信号不予考虑，这在一定程度上抑制了干扰噪声，故又称为幅值剔噪法。

此外还有加权振铃计数法等。

能量法通常以能量值和能量率的形式给出。

能量值是指在给定的测量时间范围内所得到的能量大小，单位时间的能量称为能量率。

能量分析法是直接度量振幅或者有效值和信号的持续时间，反映声发射能量的特性[4]。

能量法与其他的声发射参数相比，更能反映裂纹扩展的特征。

二、试验与分析
本文通过现场的试验说明声发射技术在机械故障检测中的应用，原理如图2。

图3a、b分别是2002年12月1日和2003年1月28日对某机组的两次检测。

第一次为机组运行正常的情况，第二次为机组出现异常的情况。

图3a中的正常信号没有明显的变化，基本上是环境噪声所引起的。

而经过近两个多月的运行，图3b所示的信号幅值变化就很明显，为典型的连续声发射信号。

随时间的持续，信号特征也在不断变化，由经验判断该故障可能为机组的转轴裂纹扩展，因此首先确定对转轴进行故障检测。

一般采用声发射波到达的时间差决定声发射源的位置[6]。

本文采用广义线性定位法来确定裂纹的位置，广义线性定位的原理如图4所示。

假设在A和B两点处布置声发射传感器，A、B距离为l，建立局部坐标系，原点O在AB连线的中点，假定声发射源C在偏离声发射传感器连线，坐标为（x，a），声发射信号从C处传至A处的时间为t1，传至B处的时间为t2，声波在材料中的传播速度为υ，则
式中tc—声发射信号从C点发出的时刻
tA—声发射信号到传感器A的时刻
tB—声发射信号到传感器B的时刻
本试验现场检测采用两个频响为300kHz的声发射传感器（A、B）。

安装位置如图2所示。

试验中两个传感器的距离l为150cm，轴材料为45钢，声发射信号在结构中的传播速度为3400m/s，对于时间差τ的求法，采用两个传感器所采集的信号的互相关函数来确定。

互相关的函数定义如下：
采样频率取为10MHz，即周期T为0.25μs。

由信号的互相关函数计算得到滞后时间差为τ= 73μs，则：
距A的距离：
距B的距离：
x2＝l-x1＝150-81.2＝68. 8cm
确定出声发射源的大致位置以后，还要对裂纹扩展的严重程度进行分析。

裂纹的扩展是能量累积到一定程度的结果，因此对信号所包含的能量进行分析，由一声发射信号的能量可以表示为：
声发射信号的能量是可以用振幅来表示的。

本文采用Hilbert算子解调法对信号幅值的平方进行解调处理。

Hilbert解调法通过构造原始调制信号的复解析信号，并对复解析信号进行包络处理的方法实现信号的解调，其解调结果与调制信号完全相同，经过构造的解析信号为：q (t)＝x (t)+jH〔x (t)〕
其中
对正常机组的声发射的信号和故障机组的声发射信号分别进行幅值平方，经过Hilbert幅值解调得到的包络如图5所示。

计算所得到正常信号所包含的能量为11.2037，而故障包络线所围成的面积即能量为53.2996，能量率为0.5329。

正是因为能量的不断累积增大导致裂纹失稳扩展，从而产生剧烈的声发射信号。

由能量分析的特点和计算，可以初步确定裂纹的位置和扩展状态，停机检查的结果证实了这一点。

三、结论
将声发射技术运用于转轴等机械部件的裂纹故障诊断中，可以及时准确地预测并诊断出设备在运行时的故障，尤其对于早期的故障。

通过对声发射信号一些特征参数的分析，表明声发射信号能够清晰地辨别和确定裂纹扩展故障的变化过程，对提高机械设备运行的安全性有重要的作用。

该方法无论是作为单独的诊断手段还是与其他方法结合起来，对故障诊断的准确率和可信度都会有很大的提高。

参考文献
1 袁振明．声发射技术及其应用．北京：机械工业出版社，1985
2 李造鼎，李锡润，虞和济．故障诊断的声学方法．北京：冶金工业出版社，1989
3 王祖荫．声发射技术基础．山东：山东科学技术出版社，1990
4 王仲生等编无损检测诊断现场实用技术．北京：机械工业出版社，2002
5 岳亚霖，徐秉汉等．声发射信号的广义线性定位法．船舶九学．2002年
6 [日]滕山邦久．声发射（AE）技术的应用．冶金工业出版社，1996
7 T. M. Roberts and M. Talebzadeh: Acoustic emission monitoring of fatiguecrack propagation. JOURNAL OF CONSTRUCTIONAL STEEL RESEARCH. 2003。