結(jié)構(gòu)損傷演化聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)

一、概述

設(shè)備的局部損傷源主要有金屬塑性變形和斷裂等，其中裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展及斷裂最為突出，是主要的聲發(fā)射源，對需周期性加載的設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行早期裂紋擴(kuò)展的準(zhǔn)確監(jiān)測，在預(yù)防災(zāi)難性重大事故方面可以起到關(guān)鍵作用。

帶裂紋金屬結(jié)構(gòu)在全壽命周期內(nèi)的疲勞破壞一般會經(jīng)歷三個(gè)階段：裂紋萌生階段、穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段和失穩(wěn)擴(kuò)展階段。許多設(shè)備在服役之初在其結(jié)構(gòu)內(nèi)部已經(jīng)存在裂紋源，裂紋源形成的主要原因是結(jié)構(gòu)缺陷和承受較大應(yīng)力。裂紋源在疲勞交變應(yīng)力作用下會進(jìn)一步擴(kuò)展，逐步進(jìn)入穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段。設(shè)備在作業(yè)時(shí)往往會經(jīng)歷較長時(shí)間的工作循環(huán)，每一個(gè)工作循環(huán)均會包含空載—加載—卸載（空載）的載荷歷程，是典型的承受頻繁交變應(yīng)力作用的機(jī)械。因此，含有裂紋源的設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)會很快地進(jìn)入裂紋擴(kuò)展階段。

聲發(fā)射技術(shù)作為一種無損檢測技術(shù)，可以通過聲發(fā)射檢測系統(tǒng)，及早地判斷出裂紋的萌生位置及擴(kuò)展情況。聲發(fā)射參數(shù)的相關(guān)曲線直接表征了裂紋的萌生及擴(kuò)展過程，曲線的拐點(diǎn)或突變點(diǎn)直接對應(yīng)曲線的特征點(diǎn)及裂紋發(fā)展的三個(gè)階段。因此，采用聲發(fā)射技術(shù)對設(shè)備的活性裂紋進(jìn)行監(jiān)測。

聲發(fā)射又稱為應(yīng)力波發(fā)射，是材料局部因能量的快速釋放而發(fā)出瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象。聲發(fā)射是一種常見的物理現(xiàn)象，大多數(shù)材料變形和斷裂時(shí)有聲發(fā)射發(fā)生，如果釋放的應(yīng)變能足夠大，就產(chǎn)生可以聽得見的聲音，如在耳邊彎曲錫片，就可以聽見“噼啪”聲，這是由于錫受力產(chǎn)生孿晶變形的發(fā)聲。大多數(shù)金屬材料塑性變形和斷裂時(shí)也有聲發(fā)射發(fā)生。聲發(fā)射檢測的主要目的是確定聲發(fā)射源的部位，分析聲發(fā)射源的性質(zhì)，確定聲發(fā)射發(fā)生的時(shí)間或載荷和評定聲發(fā)射源的嚴(yán)重性。聲發(fā)射檢測方法在許多方面不同于其他常規(guī)無損檢測方法，其特點(diǎn)主要表現(xiàn)為：

1）聲發(fā)射是一種動態(tài)檢驗(yàn)方法，聲發(fā)射探測到的能量來自被測試物體本身，而不是像超聲或射線探傷方法一樣由無損檢測儀器提供。

2）對大型構(gòu)件，可提供整體或大范圍的快速檢測。由于不必進(jìn)行繁雜的掃查操作，而只要布置好足夠數(shù)量的傳感器，經(jīng)一次加載或試驗(yàn)過程，就可確定缺陷的部位，從而易于提高檢測效率。

3）可提供活性缺陷隨載荷、時(shí)間、溫度等外變量而變化的實(shí)時(shí)或連續(xù)信息，因而適用于工業(yè)過程在線監(jiān)控及早期或臨近破壞預(yù)報(bào)。

4）由于對被檢件的接近要求不高，而適于其他方法難于或不能接近環(huán)境下的檢測，如高低溫、核輻射、易燃、易爆及極毒等環(huán)境。

5）由于對構(gòu)件的幾何形狀不敏感，而適于檢測其他方法受到限制的形狀復(fù)雜的構(gòu)件。

裝備結(jié)構(gòu)裂紋的形成和擴(kuò)展與材料的塑性變形有關(guān)，一旦裂紋形成，材料局部地區(qū)的應(yīng)力集中得到卸載，產(chǎn)生聲發(fā)射，當(dāng)裂紋擴(kuò)展至一定限度即會發(fā)生斷裂，此時(shí)的聲發(fā)射信號強(qiáng)度最大。監(jiān)視裂紋的形成與擴(kuò)展、斷裂（包括腐蝕致裂紋、疲勞裂紋、焊接致裂紋等）是采用聲發(fā)射技術(shù)進(jìn)行局部監(jiān)測的主要目的。

二、聲發(fā)射監(jiān)測理論基礎(chǔ)

1.聲發(fā)射波的傳播

1)傳播模式

聲發(fā)射波在固體構(gòu)件中的傳播，可構(gòu)成縱波、橫波、表面波（瑞利波）和Lamb波等不同傳播模式。

（1）縱波

在形成聲發(fā)射波的過程中，若質(zhì)點(diǎn)振動方向與波的傳播方向一致，稱為縱波。

縱波質(zhì)點(diǎn)位置的分布特點(diǎn)是：疏密相間。隨著振動的傳播，疏密相間的狀態(tài)向右移動，因而縱波也被稱為稀疏波。

（2）橫波

若質(zhì)點(diǎn)的振動方向和波的傳播方向垂直，稱為橫波。橫波在彈性材料的傳播過程中，各質(zhì)點(diǎn)的位置相對平衡點(diǎn)分布，各質(zhì)點(diǎn)之間彼此有彈性力相互聯(lián)系。沿著波的傳播方向，凸起的波峰和凹下的波谷交替排列向波的傳播方向移動，形成完整的橫波波形。橫波只能在固體介質(zhì)中傳播。

（3）表面波

質(zhì)點(diǎn)在介質(zhì)表面的運(yùn)動形式為縱橫向變化的復(fù)合振動，其運(yùn)動路徑為橢圓形，質(zhì)點(diǎn)位移的長軸垂直于傳播方向，質(zhì)點(diǎn)位移的短軸平行于傳播方向。表面波是英國物理學(xué)家瑞利于1885年研究并證實(shí)的，又稱為瑞利波。該波在介質(zhì)中僅沿表面?zhèn)鞑?，其能量隨著介質(zhì)深度的增加而快速下降，且受環(huán)境因素影響，如強(qiáng)度、壓力和加速度等的影響。表面波只能在固體介質(zhì)中傳播。

（4）板波（Lamb波）

對于薄壁材料如板材、殼體、空心棒材等制成的容器等，當(dāng)材料厚度小于聲發(fā)射的波長時(shí)，材料中就不會產(chǎn)生平面波，而只能產(chǎn)生各種類型的板波。板波為橫波和縱波的合成波，質(zhì)點(diǎn)的振動做橢圓軌跡運(yùn)動。板波的傳播滿足Lamb方程，其方程的解稱為Lamb波，通常所說的板波泛指Lamb波。Lamb波由無限多個(gè)不同階次的波構(gòu)成，發(fā)射源在板厚遠(yuǎn)小于波長的薄板中主要激勵(lì)出不同階次的對稱波和反對稱波。其中，對稱波波幅小、頻率高、速度高；反對稱波波幅大、頻率低、速度低。Lamb波在固體內(nèi)傳播時(shí)，質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡為橢圓形，質(zhì)點(diǎn)轉(zhuǎn)動會有擴(kuò)展波和彎曲波兩種模式。

2)波的傳播速度

波的傳播速度是與介質(zhì)的彈性模量和密度有關(guān)的材料特性，因而不同的材料，聲發(fā)射波的傳播速度也不同。在均勻介質(zhì)中，縱波與橫波的速度分別可用式(1)表達(dá)。

式中，vL為縱波速度；vS為橫波速度；σ為泊松比；E 為彈性模量；G 為切變模量；ρ為材料密度。

在同種材料中，不同模式的波速之間有一定比率關(guān)系。例如，橫波速度約為縱波速度的60%，表面波速度約為橫波的90%。縱波、橫波、表面波的速度與波的頻率無關(guān)，而板波的速度則與波的頻率有關(guān)，即具有頻散現(xiàn)象，其速度介于縱波速度和橫波速度之間。在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，傳播速度還受到諸如材料類型、各向異性、結(jié)構(gòu)形狀與尺寸、內(nèi)容介質(zhì)等多種因素的影響，具有一定的不確定性。

傳播速度主要用于聲發(fā)射源的時(shí)差定位計(jì)算，而其不確定性成為影響源定位精度的主要因素。在實(shí)際應(yīng)用中，波速難以用理論計(jì)算，需要用實(shí)驗(yàn)測量。對于大多數(shù)鐵基金屬材料容器，聲發(fā)射波的典型傳播速度約為3000m/s，在無法測得波速的情況下，可以將此值作為定位計(jì)算的初設(shè)值。

3)反射、折射與模式轉(zhuǎn)換

在固體介質(zhì)中，聲發(fā)射源處同時(shí)產(chǎn)生縱波和橫波兩種傳播模式。它們傳播到不同材料界面時(shí)，可產(chǎn)生反射、折射和模式轉(zhuǎn)換。入射橫波和入射縱波除各自產(chǎn)生反射（或折射）縱波與橫波外，在半無限體自由表面上，一定的條件下還可轉(zhuǎn)換成表面波，如圖1所示；在厚度接近波長的薄板中又會發(fā)生板波；厚度遠(yuǎn)大于波長的厚板結(jié)構(gòu)中，波的傳播變得更為復(fù)雜，其示意如圖2所示。

圖1 半無限大固體內(nèi)的聲發(fā)射波傳播

O—波源L—縱波S—橫波R—表面波

圖2 厚板中的傳播示意圖

O—波源L—縱波S—橫波R—表面波

聲發(fā)射波經(jīng)界面反射、折射和模式轉(zhuǎn)換后，將產(chǎn)生多種不同模式的波，以不同波速、不同波程、不同時(shí)序到達(dá)傳感器。因此，若聲發(fā)射源產(chǎn)生的聲發(fā)射波為一個(gè)尖脈沖波，則到達(dá)傳感器時(shí)，可能以縱波、橫波、表面波或板波及其多波程遲達(dá)波等復(fù)雜方式，分離成數(shù)個(gè)尖脈沖或經(jīng)相互疊加而成為持續(xù)時(shí)間很長的復(fù)雜波形，有時(shí)長達(dá)數(shù)毫秒。此外，傳感器頻響特性及傳播衰減等也會對儀器接收的聲發(fā)射信號產(chǎn)生影響，使信號波形的上升時(shí)間變慢、幅度下降、持續(xù)時(shí)間變長、到達(dá)時(shí)間延遲、頻率成分向低頻偏移。這種變化將對聲發(fā)射波波形的定量分析及常規(guī)參數(shù)分析帶來一定的困難。

2 凱賽爾效應(yīng)和費(fèi)利西蒂效應(yīng)

1)凱賽爾效應(yīng)

凱賽爾效應(yīng)是德國學(xué)者凱賽爾在1963年研究金屬聲發(fā)射特性時(shí)發(fā)現(xiàn)的。材料被重新加載期間，在應(yīng)力值達(dá)到上次加載最大應(yīng)力之前不產(chǎn)生聲發(fā)射信號。多數(shù)金屬材料和巖石中，可觀察到明顯的凱賽爾效應(yīng)。但是，重復(fù)加載前，如產(chǎn)生新裂紋或其他可逆聲發(fā)射機(jī)制，則凱賽爾效應(yīng)會消失。

凱賽爾效應(yīng)在聲發(fā)射技術(shù)中有著重要用途，包括：

1）在役構(gòu)件新生裂紋的定期過載聲發(fā)射檢測；

2）巖體等原先所受最大應(yīng)力的推測：

3）疲勞裂紋起始與擴(kuò)展的聲發(fā)射檢測；

4）通過預(yù)載措施消除加載銷孔的噪聲干擾；

5）加載過程中常見的可逆性摩擦噪聲的鑒別。

2)費(fèi)利西蒂效應(yīng)和費(fèi)利西蒂比

材料重復(fù)加載時(shí)，重復(fù)載荷到達(dá)原先所加最大載荷前發(fā)生明顯聲發(fā)射的現(xiàn)象，稱為費(fèi)利西蒂效應(yīng)，也可以認(rèn)為是反凱賽爾效應(yīng)。重復(fù)加載時(shí)的聲發(fā)射起始載荷（PAE）對原先所加最大載荷（Pmax）之比（PAE/Pmax），稱為費(fèi)利西蒂比。

費(fèi)利西蒂比作為一種定量參數(shù)，較好地反映了材料中原先所受損傷或結(jié)構(gòu)缺陷的嚴(yán)重程度，已成為缺陷嚴(yán)重性的重要評定判據(jù)。費(fèi)利西蒂比大于1表示凱賽爾效應(yīng)成立，而小于1則表示不成立。在一些復(fù)合材料構(gòu)件中，費(fèi)利西蒂比小于0.95作為聲發(fā)射源超標(biāo)的重要判據(jù)。

3 聲發(fā)射監(jiān)測原理

許多材料的聲發(fā)射信號強(qiáng)度很弱，人耳不能直接聽見，需要借助靈敏的電子儀器才能檢測出來，用儀器探測、記錄、分析聲發(fā)射信號和利用聲發(fā)射信號推斷聲發(fā)射源的技術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)。聲發(fā)射監(jiān)測原理如圖3所示，從聲發(fā)射源發(fā)射的彈性波最終傳播到達(dá)材料的表面，引起可以用聲發(fā)射傳感器探測的表面位移，這些探測器將材料的機(jī)械振動轉(zhuǎn)化為電信號，然后再被放大、處理和記錄，人們根據(jù)觀察到的聲發(fā)射信號進(jìn)行分析與推斷，以了解材料產(chǎn)生聲發(fā)射的機(jī)制。

圖3 聲發(fā)射監(jiān)測原理

三、聲發(fā)射監(jiān)測傳感技術(shù)

1.傳感器工作原理

某些晶體受力產(chǎn)生變形時(shí)，其表面出現(xiàn)電荷，而又在電場的作用下，晶片發(fā)生彈性變形，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。壓電轉(zhuǎn)換元件具有自發(fā)電和可逆兩種重要性能，加上它體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、固有頻率高、靈敏度和信噪比高等優(yōu)點(diǎn)，壓電式傳感器的應(yīng)用得到迅速的發(fā)展。常用聲發(fā)射傳感器的工作原理，基于晶體元件的壓電效應(yīng)，將聲發(fā)射波所引起的被檢件表面振動轉(zhuǎn)換成電壓信號，傳輸至信號處理器。

壓電材料多為非金屬介電晶體，包括鋯鈦酸鉛、鈦酸鉛、鈦酸鋇等多晶體和鈮酸鋰、碘酸鋰等單晶體。其中，鋯鈦酸鉛（PZT-5）接收靈敏度高，是聲發(fā)射傳感器常用的壓電材料。鈮酸鋰晶體居里點(diǎn)高達(dá)1200℃，常用作高溫傳感器。

傳感器的特性參數(shù)包括頻響寬度、諧振頻率、幅度靈敏度。傳感器特性參數(shù)取決于許多因素，包括：①晶片的形狀、尺寸及其彈性和壓電常數(shù)；②晶片的阻尼塊及殼體中的安裝方式；③傳感器的耦合、安裝及試件的聲學(xué)特性。

2.傳感器的類型

傳感器可分為壓電型、電容型和光學(xué)型。其中，常用的壓電型又可分為諧振式（單端和差動式）、寬頻帶式、錐形式、高溫式、微型、前放內(nèi)置式、潛水式、定向式、空氣耦合式和可轉(zhuǎn)動式，其主要類型、特點(diǎn)和適用范圍如表1所示。

表1 傳感器的類型、特點(diǎn)和適用范圍

3.傳感器的結(jié)構(gòu)

聲發(fā)射傳感器一般由殼體、保護(hù)膜、壓電晶片、阻尼塊、連接導(dǎo)線及高頻插座等組成，其中諧振式高靈敏度傳感器是聲發(fā)射檢測中使用最多的一種，結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。

圖4 壓電型傳感器的結(jié)構(gòu)

壓電元件多采用鋯鈦酸鉛陶瓷晶片（PZT-5），起著聲電轉(zhuǎn)換作用。兩表面鍍上5～19μm厚的銀膜，起著電極作用。陶瓷保護(hù)膜起著保護(hù)晶片及傳感器與被檢體之間的電絕緣作用。金屬外殼對電磁干擾起著屏蔽作用。導(dǎo)電膠起著固定晶片與導(dǎo)電的作用。在差動式傳感器中，正負(fù)極差接而成的兩個(gè)晶片可輸出差動信號，起著抑制共模電噪聲的作用。傳感器材料的選擇，還應(yīng)考慮諸如溫度、腐蝕、核輻射、壓力等檢測環(huán)境因素。

聲發(fā)射傳感器陣列由聲發(fā)射傳感器和陣列固定裝置組成，聲發(fā)射傳感器主要用于檢測微弱的聲發(fā)射信號，將信號變?yōu)橄到y(tǒng)可識別的電信號。起重裝備鋼材中焊接缺陷產(chǎn)生的聲發(fā)射源其頻率范圍為25～750kHz，選用頻率為150kHz的諧振式窄帶聲發(fā)射傳感器來測量起重裝備的聲發(fā)射信號。陣列固定裝置將幾個(gè)傳感器進(jìn)行集成，通過磁吸附方式將聲發(fā)射傳感器與被測物很好地耦合。為了方便開展對起重裝備的局部損傷監(jiān)測，設(shè)計(jì)了多種陣列固定裝置，如圖5所示。陣列傳感裝置為每個(gè)傳感器都預(yù)留了活動區(qū)域，保證在進(jìn)行監(jiān)測時(shí)聲發(fā)射傳感器的距離相對可調(diào)。

圖5 聲發(fā)射傳感器陣列

四、聲發(fā)射信號處理方法

1.聲發(fā)射信號的參數(shù)分析方法

經(jīng)過數(shù)十年的研究和生產(chǎn)實(shí)踐，聲發(fā)射參數(shù)分析法已經(jīng)廣泛應(yīng)用并成為經(jīng)典的聲發(fā)射信號分析方法，在當(dāng)前的聲發(fā)射檢測中廣泛應(yīng)用，且大部分聲發(fā)射源的判斷標(biāo)準(zhǔn)均采用簡化波形的特征參數(shù)。盡管參數(shù)分析法還有很多需要完善的地方，但在多數(shù)情況下，它已被證明可以解決工程實(shí)踐中的很多問題，并具有簡單、易于計(jì)算處理的優(yōu)勢。

圖6所示為突發(fā)型標(biāo)準(zhǔn)聲發(fā)射信號簡化波形參數(shù)的定義。由這一模型可得到撞擊（事件）計(jì)數(shù)、振鈴計(jì)數(shù)、能量、幅度、持續(xù)時(shí)間和上升時(shí)間等參數(shù)。對于連續(xù)型聲發(fā)射信號，上述模型只有振鈴計(jì)數(shù)和能量參數(shù)可以適用。為了更確切地描述連續(xù)型聲發(fā)射信號的特征，引入了平均信號電平和有效值電壓兩個(gè)參數(shù)。

圖6 聲發(fā)射參數(shù)定義

表2列出了常用聲發(fā)射信號參數(shù)的含義和用途。這些參數(shù)可定義為隨時(shí)間或試驗(yàn)參數(shù)變化的函數(shù)，如聲發(fā)射事件計(jì)數(shù)率、聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率和聲發(fā)射信號能量率等。也可定義為時(shí)間或試驗(yàn)參數(shù)的函數(shù)，如總事件計(jì)數(shù)、總振鈴計(jì)數(shù)和總能量計(jì)數(shù)等。這些參數(shù)之間也可以任意兩個(gè)組合進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，如聲發(fā)射事件—幅度分布、聲發(fā)射事件能量—持續(xù)時(shí)間關(guān)聯(lián)圖等。

表2 聲發(fā)射信號參數(shù)

以下介紹幾種參數(shù)分析方法。

1)聲發(fā)射信號單參數(shù)分析法

早期聲發(fā)射儀器只有計(jì)數(shù)、能量或幅度等很少參數(shù)可以測量，因此，單參數(shù)分析方法是早期對聲發(fā)射信號的分析和評價(jià)的主要方法，其中計(jì)數(shù)分析法、能量分析法和幅度分析法是早期最常用的分析方法。

計(jì)數(shù)分析法是處理聲發(fā)射脈沖信號的一種常用方法。目前應(yīng)用的計(jì)數(shù)分析法有聲發(fā)射撞擊（或事件）計(jì)數(shù)率法與振鈴計(jì)數(shù)率法及混合計(jì)數(shù)法，另外還有一種對振幅加權(quán)的計(jì)數(shù)方式，稱加權(quán)振鈴計(jì)數(shù)法。聲發(fā)射事件是材料內(nèi)局域變化產(chǎn)生的單個(gè)突發(fā)型信號，聲發(fā)射計(jì)數(shù)（振鈴計(jì)數(shù)）是聲發(fā)射信號超過某一設(shè)定門檻值的次數(shù)，計(jì)數(shù)率是單位時(shí)間內(nèi)信號超過門檻值的次數(shù)，聲發(fā)射計(jì)數(shù)率依賴于換能器的響應(yīng)頻率、換能器的阻尼特性、結(jié)構(gòu)的阻尼特性和閾值的水平。對于一個(gè)聲發(fā)射事件，由換能器探測到的聲發(fā)射計(jì)數(shù)為

式中，f0為換能器響應(yīng)中心頻率；β為波形的衰減系數(shù)；Vp為聲發(fā)射信號峰值電壓；Vt為閾值電壓。

計(jì)數(shù)分析法的缺點(diǎn)是受被測物體幾何形狀、門檻值電壓、換能器特性、放大器和濾波器工作狀況等因素的影響較大。

能量分析法是定量測量聲發(fā)射信號的主要方法之一。聲發(fā)射信號的能量正比于聲發(fā)射波形的面積，通常用方均根電壓Vrms或均方電壓Vms進(jìn)行聲發(fā)射信號能量測量，也可直接測量聲發(fā)射信號波形的面積。對于突發(fā)型聲發(fā)射信號可以測量每個(gè)事件的能量。聲發(fā)射信號能量的測量與材料的聲發(fā)射事件的機(jī)械能、應(yīng)變率或形變機(jī)制等重要物理參數(shù)具有緊密的關(guān)系，而不需要建立聲發(fā)射信號的模型。能量測量同樣解決了小幅度連續(xù)型聲發(fā)射信號的測量問題。

信號峰值幅度和幅度分布可以更多地反映聲發(fā)射源的信息，信號幅度與材料中產(chǎn)生聲發(fā)射源的強(qiáng)度有直接關(guān)系，幅度分布與材料的形變機(jī)制有關(guān)。聲發(fā)射信號幅度的測量的影響因素包括換能器的響應(yīng)頻率、換能器的阻尼特性、結(jié)構(gòu)的阻尼特性和門檻值水平等。通過應(yīng)用對數(shù)放大器，不論聲發(fā)射信號的大小都可以對其進(jìn)行精確的峰值幅度測量。

2).聲發(fā)射信號的經(jīng)歷圖分析法

聲發(fā)射信號的經(jīng)歷圖分析法通過分析聲發(fā)射信號參數(shù)隨時(shí)間或外變量變化的情況，從而得到聲發(fā)射源的活動情況和發(fā)展趨勢。經(jīng)歷圖分析是常用、直觀的分析方法。經(jīng)歷圖分析法可以對聲發(fā)射源的活動性進(jìn)行評價(jià)、對恒載聲發(fā)射進(jìn)行評價(jià)以及起裂點(diǎn)測量。

3).聲發(fā)射信號的分布圖分析法

聲發(fā)射信號的分布圖分析法是將聲發(fā)射信號撞擊計(jì)數(shù)或事件計(jì)數(shù)按信號參數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分布分析。一般縱軸表示撞擊計(jì)數(shù)或事件計(jì)數(shù)，橫軸表示聲發(fā)射信號的任一參數(shù)，橫軸表示的參數(shù)（如幅度分布、能量分布、振鈴計(jì)數(shù)分布、持續(xù)時(shí)間分布及上升時(shí)間分布等）即為該參數(shù)的分布圖。其中幅度分布圖應(yīng)用最為廣泛。運(yùn)用分布圖分析可以發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射源的特征，這樣可以鑒別聲發(fā)射源類型，如金屬材料的裂紋擴(kuò)展、塑性變形和復(fù)合材料的纖維斷裂等，也是檢測聲發(fā)射源強(qiáng)度的常用方法。

4).聲發(fā)射信號的關(guān)聯(lián)分析方法

關(guān)聯(lián)分析方法也是聲發(fā)射信號分析中常用的方法之一。對聲發(fā)射信號的任意兩個(gè)波形特征參數(shù)可做其關(guān)聯(lián)圖進(jìn)行分析，圖中二維坐標(biāo)軸各表示一個(gè)參數(shù)，每個(gè)顯示點(diǎn)對應(yīng)于一個(gè)聲發(fā)射信號撞擊或事件。通過不同參量之間的關(guān)聯(lián)圖，可以分析不同AE源的特征，從而起到鑒別AE源的作用。如有些電子干擾傳導(dǎo)通常具有很高的幅度，但能量卻很小，通過幅度-能量關(guān)聯(lián)圖即可將其區(qū)分出來；對于壓力容器來說，內(nèi)部介質(zhì)泄漏信號與容器殼體產(chǎn)生的信號相比，具有長得多的持續(xù)時(shí)間，通過能量-持續(xù)時(shí)間或幅度-持續(xù)時(shí)間關(guān)聯(lián)圖分析，很容易發(fā)現(xiàn)壓力容器的泄漏。

5).聲發(fā)射信號的列表顯示法

列表顯示法是將聲發(fā)射信號參數(shù)進(jìn)行時(shí)序排列并直接顯示，包括信號到達(dá)的時(shí)間、各聲發(fā)射信號參數(shù)、外變量和聲發(fā)射源坐標(biāo)等?？梢酝ㄟ^對各聲發(fā)射信號參數(shù)進(jìn)行時(shí)序排列和直接顯示，觀察系統(tǒng)對模擬源的響應(yīng)，并對聲發(fā)射源的強(qiáng)度等這樣的特殊問題進(jìn)行分析。

由于聲發(fā)射信號參數(shù)分析方法對聲發(fā)射儀的要求較低，分析方式簡單、直觀，實(shí)時(shí)性好，分析速度快，且對于檢測人員更容易掌握和操作，因此是工程檢測中最主要使用的方法。然而，盡管每一個(gè)聲發(fā)射參數(shù)都能提供與聲發(fā)射源特征的相關(guān)信息，但對于不同的試驗(yàn)條件，不同的材料結(jié)構(gòu)，以及不同的選用參數(shù)，在整個(gè)處理過程中所得到的聲發(fā)射源的評價(jià)也會不同。另一個(gè)聲發(fā)射參數(shù)分析方法的缺點(diǎn)在于，聲發(fā)射參數(shù)只是描述聲發(fā)射信號波形的有限特征，用其表征整個(gè)聲發(fā)射源的特征尚存在一定偏差。

2.其他信號處理方法

聲發(fā)射檢測的主要目的之一是辨別產(chǎn)生聲發(fā)射源的波形特征，由于聲發(fā)射源處的波在傳播過程中會發(fā)生衰減、吸收以及邊界處發(fā)生折射、反射，而且信號經(jīng)采集電路和放大電路處理后其波形已明顯地畸變。因此，如何從采集到的聲發(fā)射波來反推原始波形，將有用信號和噪聲信號進(jìn)行分離以及修正測量系統(tǒng)的誤差一直是科研工作者面臨的難題。

聲發(fā)射信號處理技術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)，通過數(shù)值計(jì)算對采集到的聲發(fā)射信號進(jìn)行變換、綜合、評估以及識別等處理，以提取有實(shí)際意義的關(guān)于聲發(fā)射源的信息。聲發(fā)射信號處理技術(shù)依托計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，通過數(shù)值計(jì)算使面目全非的聲發(fā)射源變得清楚明顯。聲發(fā)射信號處理的方法主要包括快速傅里葉變換、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模式識別、小波分析、相關(guān)性分析、典型濾波及自適應(yīng)濾波等。

1).快速傅里葉變換（FFT）

FFT是離散傅里葉變換（DFT）的一種快速算法，在確定DFT系數(shù)時(shí)，使所要求的乘法及加法次數(shù)減少。FFT算法的實(shí)質(zhì)是把一個(gè)長數(shù)據(jù)列x(n)經(jīng)過幾次分選抽取，分割成2個(gè)n/2序列，然后再分成4個(gè)n/4序列，直到最后每個(gè)序列只剩兩項(xiàng)為止，對最后兩項(xiàng)序列做DFT計(jì)算，分別算出分割后子序列的頻譜，然后按照一定的規(guī)則組合，即可得到整個(gè)序列x(n)的頻譜。

2).神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的簡稱，是模擬人類形象思維的重要方法之一。工程實(shí)踐中，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過大量樣本學(xué)習(xí)所具有的較強(qiáng)泛化能力的特點(diǎn)，可將傳感器的每一次測量值作為一條證據(jù)，經(jīng)過運(yùn)算，得到該證據(jù)對各待識別目標(biāo)的基本概率賦值函數(shù)后，再使用D-S證據(jù)理論將每條證據(jù)的基本概率賦值函數(shù)進(jìn)行融合，得到最終的識別結(jié)果。常用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為B-P網(wǎng)絡(luò)模型，由輸入層及其節(jié)點(diǎn)、輸出層及其節(jié)點(diǎn)、一層至多層隱層及其節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，如圖7所示。輸入值首先由輸入層正向傳至隱層節(jié)點(diǎn)，按照一定的誤差算法（如最小二乘法、最小均方誤差等）經(jīng)特性函數(shù)（常用S型函數(shù)）作用后，再傳至下一隱層，直到最終傳至輸出層輸出，在傳播過程中每經(jīng)過一層都要由相應(yīng)的特性函數(shù)進(jìn)行變換。

圖7 B-P網(wǎng)絡(luò)

3.小波分析

小波是出現(xiàn)時(shí)間很短的振蕩波，通常只有幾個(gè)循環(huán)周期。小波分析是20世紀(jì)80年代后期形成的一門新興的數(shù)學(xué)分支，它是在傅里葉變換的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，但與傅里葉分析有明顯的不同。小波變換可以將單一的時(shí)域信息變換為時(shí)間-頻率域信息，可以將信號進(jìn)行多尺度分解，分解成不同頻段的時(shí)域信號，該方法已成為目前國際上應(yīng)用較廣的時(shí)頻域分析工具，在非平穩(wěn)的損傷信號識別中正發(fā)揮著越來越重要的作用。

當(dāng)一個(gè)函數(shù)Ψ(t)∈L2 (R)滿足以下性質(zhì)時(shí)：

這個(gè)函數(shù)Ψ(t )可以稱為小波或母小波。將母小波Ψ(t )經(jīng)過尺度伸縮和時(shí)間平移后可得

式中，Ψa,b(t)為一個(gè)小波序列；b為平移參數(shù)；a為尺度參數(shù)。在不同尺度下小波的持續(xù)時(shí)間隨a加大而增寬，幅度與a呈反比減小，但波的形狀保持不變。

對于任意x(t)∈L2(R)的函數(shù)，關(guān)于小波基Ψa,b(t)的連續(xù)小波變換（CWT）定義為

連續(xù)小波變換的逆變換定義為

式中，Ψ(ω)為函數(shù)Ψ(t )的傅里葉變換。

五、典型聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)

1.聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)

聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)一般可分為功能單一的單通道型（或雙通道型）、多通道多功能的通用型和工業(yè)專用型，其特點(diǎn)與適用范圍如表3所示。

表3 聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)的類型、特點(diǎn)與適用范圍

單通道聲發(fā)射監(jiān)測儀由傳感器、前置放大器、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、記錄與顯示單元等構(gòu)成，如圖8所示

圖8 單通道聲發(fā)射監(jiān)測儀

聲發(fā)射傳感器是聲發(fā)射信號拾取的關(guān)鍵部件，主要用于檢測微弱的聲發(fā)射信號，將信號變?yōu)橄到y(tǒng)可以識別的電信號，送入前置放大器中進(jìn)一步放大。一般要求聲發(fā)射傳感器靈敏度要高、頻帶盡量寬，以利于檢測到微弱的寬頻帶范圍的聲發(fā)射信號。

前置放大器置于傳感器附近，傳感器的輸出信號先經(jīng)過它放大后再經(jīng)過長電纜傳送到主機(jī)。其作用如下：

1）為高阻抗的傳感器與低阻抗的傳輸電纜之間提供匹配，以減少信號衰減。

2）通過放大微弱的輸入信號抑制電纜噪聲，以提高信號的信噪比。

3）提供頻率濾波。前置放大器可以內(nèi)置于傳感器內(nèi)和內(nèi)置于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如無線聲發(fā)射采集模塊/手持聲發(fā)射系統(tǒng)等，也可獨(dú)立外置于傳感器和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)之間由電纜連接。

數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)一般會集成多個(gè)采集卡，每個(gè)采集卡會有多個(gè)獨(dú)立通道，采集卡根據(jù)采樣頻率通常會有40MHz、10MHz、5MHz等不同的規(guī)格型號，根據(jù)采樣精度通常會有18bit、16bit等不同的規(guī)格型號。

記錄與顯示單元通常由計(jì)算機(jī)加專用聲發(fā)射軟件組成，計(jì)算機(jī)選用筆記本電腦或臺式機(jī)，軟件實(shí)現(xiàn)信號采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)重放和顯示，具有聲發(fā)射特征參數(shù)提取、波形采集和顯示、定位分析和頻譜分析等功能，方便材料及構(gòu)件的性能分析研究。

微機(jī)控制式多通道系統(tǒng)如圖9所示，采用多處理器并行處理結(jié)構(gòu)，由高速采集用傳感器/前置放大器、獨(dú)立采集用獨(dú)立通道控制器、協(xié)調(diào)用總通道控制器、數(shù)據(jù)分析用主計(jì)算機(jī)構(gòu)成。

圖9 微機(jī)控制式多通道系統(tǒng)

獨(dú)立通道控制器分別控制著兩個(gè)獨(dú)立信號通道，進(jìn)行撞擊參數(shù)組的測量，包括撞擊與振鈴計(jì)數(shù)、能量、幅度、持續(xù)時(shí)間、上升時(shí)間、有效值電壓、平均信號電平和到達(dá)時(shí)間等常規(guī)參數(shù)，并快速存儲于大容量輸出緩沖器。緩沖器在前端高速測量與后續(xù)低速主處理器之間進(jìn)行速率匹配，以防止主機(jī)丟失高頻度信號數(shù)據(jù)。由于采用并行處理結(jié)構(gòu)，在不降低采集速度的情況下，可擴(kuò)展達(dá)數(shù)十個(gè)檢測通道，原理上可擴(kuò)展達(dá)128個(gè)通道。

總通道控制器具有容量更大的緩沖器，并在前端與主機(jī)之間起著協(xié)調(diào)作用，它將所讀撞擊參數(shù)組和外變量，以及每個(gè)撞擊到達(dá)傳感器的次序，逐個(gè)供給主機(jī)并存于硬盤。由于采用全局定時(shí)法，在每個(gè)通道的每個(gè)撞擊的數(shù)據(jù)集中，都包含著精度為0.25μs的到達(dá)傳感器的絕對時(shí)間，而不是時(shí)差。這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為檢測人員事后任意選擇其他定位軟件提供了機(jī)會。

計(jì)算機(jī)可采用IBM兼容機(jī)，在各種軟件的支持下，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)或事后的分析與顯示。軟件的功能包括：①實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，包括條件設(shè)置、轉(zhuǎn)存和顯示方式選擇；②源定位，包括一維、二維定位及事件集中區(qū)顯示；③事后分析，包括數(shù)據(jù)濾波和編程功能；④三維圖顯示；⑤在附件支持下的波形記錄與譜分析。

以美國物理聲學(xué)PAC公司的多通道SAMOS聲發(fā)射探測系統(tǒng)為例，如圖10所示，該系統(tǒng)是全數(shù)字化系統(tǒng)，其核心是并行處理PCI總線的聲發(fā)射功能卡PCI-8板，在一塊板上具有8個(gè)通道的實(shí)時(shí)聲發(fā)射特征提取、波形采集及處理的能力。技術(shù)性能指標(biāo)如下：

1）直接集成于計(jì)算機(jī)PCI總線結(jié)構(gòu)的、每卡8個(gè)通道的聲發(fā)射系統(tǒng)。

2）每個(gè)通道具有至少4個(gè)高通及4個(gè)低通硬件濾波器，并可通過軟件選擇帶寬組合。

3）每個(gè)通道具有獨(dú)立的脈沖發(fā)生器以實(shí)現(xiàn)傳感器的自動測試。

4）在聲發(fā)射卡上有2個(gè)外參數(shù)輸入通道。

5）每一通道具有內(nèi)置的平方（Square）信號處理組件以實(shí)現(xiàn)真實(shí)能量與方均根（RMS）特征抽取。

6）系統(tǒng)為數(shù)字化，是16位A-D高分辨率系統(tǒng)。

7）系統(tǒng)的采樣率為3 MSample/s。

8）系統(tǒng)的頻率范圍為1～400 kHz。

9）系統(tǒng)的動態(tài)范圍不小于82dB。

10）系統(tǒng)輸入電壓范圍為±10V。

11）系統(tǒng)配置數(shù)字化的I/O端口，具有輸入控制和報(bào)警輸出功能。

12）聲發(fā)射探測系統(tǒng)可進(jìn)行聲發(fā)射特征、波形及外參數(shù)輸入的實(shí)時(shí)同步采集與特征提取。

13）系統(tǒng)具有一體化的、基于Windows系統(tǒng)的同步聲發(fā)射采集、特征抽取與信號分析軟件（如可同步實(shí)現(xiàn)聲發(fā)射及外參數(shù)特征抽取、波形采集、實(shí)時(shí)圖形顯示、FFT、定位、聚類分析和數(shù)字邏輯濾波等）。

14）系統(tǒng)提供LabView和C++ 驅(qū)動程序，方便用戶進(jìn)行二次開發(fā)。

圖10 多通道SAMOS聲發(fā)射探測系統(tǒng)

2.基于光纖傳輸?shù)穆暟l(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)

傳統(tǒng)的聲發(fā)射檢測方法將聲發(fā)射信號通過電纜傳輸，但電纜具有傳輸距離有限、易受干擾等缺點(diǎn)，使得傳統(tǒng)的聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)無法滿足遠(yuǎn)距離監(jiān)測的要求。為此，設(shè)計(jì)基于光纖傳輸?shù)难b備局部損傷聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，它主要由聲發(fā)射傳感器陣列、聲發(fā)射預(yù)處理子系統(tǒng)、光纖傳輸子系統(tǒng)和聲發(fā)射監(jiān)測軟件子系統(tǒng)等組成，如圖11所示。該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了聲發(fā)射信號的遠(yuǎn)距離傳輸，具有抗干擾能力強(qiáng)、信號傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。

圖11 基于光纖傳輸?shù)木植繐p傷聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)

聲發(fā)射傳感器陣列由聲發(fā)射傳感器和陣列固定裝置組成，主要用于檢測微弱的聲發(fā)射信號，將信號變?yōu)橄到y(tǒng)可識別的電信號。

光纖聲發(fā)射預(yù)處理子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)采集信號的數(shù)據(jù)處理功能。由于聲發(fā)射傳感器采集的信號比較微弱，首先對其進(jìn)行放大、濾波等處理，然后將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由FPGA控制完成實(shí)時(shí)聲發(fā)射特征提取及波形采集。由于輸出的數(shù)據(jù)是USB協(xié)議的，為了保證光纖傳輸子系統(tǒng)的模塊化和通用性，將其輸入設(shè)計(jì)為RJ45協(xié)議形式，因此光纖聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集模塊還負(fù)責(zé)將USB協(xié)議的信號轉(zhuǎn)換為RJ45協(xié)議形式，為信號的傳輸做準(zhǔn)備。

光纖聲發(fā)射傳輸子系統(tǒng)輸出的光信號通過該系統(tǒng)的光纖進(jìn)行長距離傳輸，接收到的微弱光信號經(jīng)過光電解調(diào)模塊還原為電信號，送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。光纖聲發(fā)射傳輸子系統(tǒng)主要由RJ45接口和隔離變壓器、光電介質(zhì)電路、光收發(fā)電路、電源和配置四部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖12所示。其工作原理為：從RJ45非屏蔽雙絞線銅纜連接器的3和6腳引入以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過耦合濾波電路對信號進(jìn)行濾波，然后將信號送到光電介質(zhì)電路中，光電介質(zhì)電路翻譯或重定格式數(shù)據(jù)，完成一個(gè)電平轉(zhuǎn)換，信號被傳送到光收發(fā)電路中，光收發(fā)電路再把數(shù)據(jù)發(fā)送到光纜中，同時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)過光纖傳到另一個(gè)光收發(fā)電路中，進(jìn)行與上面相反的工作，隨后通過RJ45接口傳出數(shù)據(jù)，這樣就完成了數(shù)據(jù)的光纖傳輸。

圖12 光纖聲發(fā)射傳輸子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光纖聲發(fā)射監(jiān)測軟件包括參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)分析模塊，主要完成對聲發(fā)射監(jiān)測信號的采集、處理、顯示和存儲等，直觀展現(xiàn)裝備的局部損傷狀況。

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