毕业设计（论文）-声发射无损检测技术的机理研究.doc

兰州工业学院 毕业设计（论文）题目 声发射无损检测技术的机理研究 院 系 材料工程学院 专 业 焊接质量检测技术 班 级 焊 检 12 姓 名 学 号 201212604148 指导教师（职称） 日 期 2015年3月10日 兰州工业学院毕业设计（论文）任务书材料工程系2015届焊接质量检测技术专业毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）题目无损检测技术课题内容性质科学研究课题来源性质教师收集的结合生产实际的课题实验校内（外）指导教师职 称工作单位及部门联系方式何林发工程师材料工程学院2867483一、题目说明（目的和意义）：毕业设计是本专业教学过程的最后一个重要环节，也是培养学生分析问题和解决问题能力的主要方法，通过毕业设计，要求学生全面综合运用所学基本理论，基本技能和生产实践知识；学习系统地综合运用所学的知识和技能解决实际工程问题的本领，巩固和加深对所学知识的理解，并且通过毕业设计的实践扩大和补充知识，使认识提高到一个新的水平。通过毕业设计的实践，培养调查研究的习惯和工作能力，练习查阅资料和有关标准，查阅工具书或参考书，合理选择实验方法、实验设备，正确操作、分析，并能以实验分析过程和毕业论文表达设计的思想和结果。通过毕业设计，不但要提高解决具体问题的独立工作能力，而且应建立正确的设计和科研思想，加强思想性，牢固树立实事求是和严肃认真的工作态度。二、设计（论文）要求（工作量、内容）： 1、总要求：要求每个学生根据给定的毕业设计题目独立完成针对选定焊接材料，明确分析该材料易产生的焊接缺陷，对最易产生的缺陷进行研究。明确该缺陷的概念、危害及分类；明确该材料的化学成分、基本性能、应用；分析该缺陷的基本特征及产生的机理；分析该材料形成该缺陷的主要影响因素；论述该缺陷的防止措施。根据文献及相关的理论知识对实验结果进行分析总结，并得出结论,根据结论可进行相应的补充实验，完成毕业设计论文一份，毕业设计完成后进行答辩。2、给定的条件和要求：实验设备类型、种类齐全；实验药品齐全；查阅文献，明确毕业设计的意义及目的；严格按照标准及操作规程进行实验。3、确定总体方案：分析国内外金属材料焊接的发展和趋势，了解毕业设计任务书给定的条件和用途，可到工厂进行调研、了解焊接结构制造的经验，进行毕业设计可行性分析和论证，最后确定总体方案。4、具体要求（1）查阅资料，确定所研究的无损检测方法，明确所研究的对象或问题。（2）分析所研究课题的国内外现状或该无损检测方法的特点。（3）设计实验研究的思路、原理、方法、设备、器材。（4）观点分析、阐述或记录、汇总研究数据。（5）得出研究结论或分析研究结果。（6）列举参考文献。 （7）毕业论文一份，幅面大小为A4，全部由计算机打印。 5、撰写毕业设计论文包括内容：封面、任务书、摘要、目录、论文正文、总结论、致谢、参考文献等。应阐述整个毕业设计内容，要突出重点和特色，图文并茂，文字通畅。毕业论文的页数不少于20页（幅面大小为A4，全部由计算机打印）。6、试样的要求：实验试样要符合相应国家标准。7、论文撰写格式、装订顺序及要求依毕业设计（论文）规范。三、进度表日 期内 容1周3.5周1.5周毕业设计共6周，安排如下：1、文献查阅及方案论证1周 （1）调查研究、搜集和查阅资料 （0.5周） （2）总体设计方案的拟定和论证 （0.5周） 2、实验过程3.5周（1）实验前期准备 （0.5周） （2）试样制备 （0.5周） （3）实验操作、实验记录 （2周） （6）结果分析并得出结论 （0.5周）3、撰写毕业设计论文1.5周完成日期2015.2.10答辩日期2015.3.102013.3.13四、主要参考文献、资料、设备和实习地点及翻译工作量：1 王宗杰.熔焊方法及设备. 北京：机械工业出版社，2007.11.2 英若采.熔焊原理及金属材料焊接. 北京：机械工业出版社，2009.12.3 邓洪军.焊接结构生产. 北京：机械工业出版社，2012年1月.4 英若采.熔焊原理及金属材料焊接. 北京：机械工业出版社，2009.12.5 刘世荣.金属学与热处理. 北京：机械工业出版社，1997.6.6 丁德全.金属工艺学.北京：机械工业出版社，2008.4.7 上海市特种设备监督检验技术研究院.北京：特种设备焊接技术.机械工业出版社,2010.8 胡义祥.金相检验实用技术. 北京：机械工业出版社，2012.6.9 机械工业理化检测人员技术培训和资格鉴定委员会.金相检验. 北京：中国计量出版社，2011.3. 10 魏延宏.焊接检验.高等教育出版社,2010.11 张博.金相检验.北京：机械工业出版社，2009.12 李以善.焊接结构检测技术.北京：化学工业出版社2009.13 徐卫东.焊接检验与质量管理.北京：机械工业出版2011. 14 强天鹏.射线检测（第2版）.北京：中国劳动社会保障出版社.2007. 15 王乐生.射线检测. 北京：机械工业出版社.2009.8.16 郑世才.射线检测.北京：机械工业出版社.2011.1. 17 史亦韦.超声检测.北京：机械工业出版社.2012.1. 18 郑晖，林树青.超声检测.北京：中国劳动社会保障出版社.2008.5.19 郭伟.超声检测.北京：机械工业出版社.2009.9.20 邓洪军.无损检测实训.北京：机械工业出版社.2010.2.21 丁守宝.无损检测新技术及应用.北京：高等教育出版社，2012.9.22 张俊哲.无损检测技术及其应用（第二版）.北京：科学出版社，2010.10.23宋天民无损检测新技术.北京：中国石化出版社，2012.1.24夏纪真无损检测导论.广州：中山大学出版社，2010.125李孟源.声发射检测及信号处理.北京：科学出版社，2010.10.指导教师签字教研室主任签字主管院领导签字年 月 日年 月 日年 月 日注：本任务书要求一式两份，一份系部留存，一份报教务处实践教学科摘 要声发射是一种常见的物理现象，各种材料的声发射信号的频率范围很宽，从几赫兹的次声频、20赫兹20千赫兹的超声频，声发射信号的幅度变化范围也很大，从10米的微观错运动到1米量级的地震波。如果声发射释放的应变能比较大，就可产生人耳听见的声音。大多数材料变形和断裂时有声发射发生，但许多材料的声发射信号强度很弱，人耳不能直接听见，需要借助灵敏电子仪器才能检测出来。用仪器探测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号进行诊断声发射源的技术称为声发射技术。材料中局部区域应力集中，快速释放能量并产生瞬间弹性波的现象称为声发射。声发射检测技术在设备运行状态监测、生产安全预警方面具有重大的现实价值，可广泛应用在石油化工、航天航空、材料实验和交通运输等领域。AE(Acoustic Emission)信号处理是AE检测技术研究的核心。但是，由于声发射信号本身的复杂性，采集和分析提取声发射源特征参数存在困难，声发射信号处理技术的研究一直是声发射技术理论研究与工程应用中的一个关键问题。 声发射检测技术具有在线检测、动态检测、整体检测、对活性缺陷敏感度高等优点。储罐罐底板是储罐最容易发生问题的地方，底板的泄漏和腐蚀损伤可以产生有效的声源，所以本文针对现场储罐声发射检测的实际情况，以罐底板的腐蚀和泄漏为研究对象，进行储罐泄漏和腐蚀的声发射在线检测技术的研究。本文介绍了国内外声发射检测技术的发展和现状，通过声发射技术的原理，总结了声发射检测的特点，概况了声发射信号的特征参数分析方法以及高级处理技术，主要内容是通过对储罐底板泄漏和腐蚀现象的分析，分析了储罐声发射的有效活动声源，通过模拟储罐进行储罐底板的泄漏模拟试验研究，结果证明了储罐声发射检测技术的可应用性。以此为依据，进行了实际储罐的声发射在线检测应用研究，检测的结果用常规无损检测的方法进行开罐复检，结果证明了储罐的声发射在线检测的有效的，可行的。研究和应用的结果表明，储罐声发射在线检测技术具有重要的应用价值。关键词：声发射；储罐；信号处理；泄漏；在线检测ABSTRACTMaterial rapid release of local energy can produce acoustic emission signal, the acoustic emission signal contains important information about the acoustic emission source characteristics, through the collection and analysis of acoustic emission signal can dynamically monitor material defects and sports development. Acoustic emission testing technology in equipment running condition monitoring, production safety warning has great realistic value, can be widely used in petrochemical, aerospace, material experiment and transportation, etc. AE (& Emission) signal processing is the core of AE testing technology research. But, because of the complexity of the acoustic emission signal itself, collection and analysis of acoustic emission source, characteristic parameters are difficult to study of acoustic emission signal processing technology is the theory of acoustic emission technology research and a key problem in engineering application.With the rapid development of global economy, the increasing demand of oil and gas and oil industry, the rapid development of the reserves of oil is commonly, the gaze of the storage tank is one of the storage of oil products indispensable important equipment. In order to ensure the safety of the tank, the tank testing, production of conventional NDT methods need for testing, the high cost of testing, testing time is long, the intensity of labor is big. Acoustic emission testing technology with the online test, dynamic test, the overall detection, high sensitivity to active defects, etc. Storage tank bottom is the easiest problem takes place, storage tank floor corrosion damage of leakage and can produce effective sound source, so this article according to the actual situation of tank acoustic emission testing, with the tank bottom corrosion and leakage as the research object, tank leakage and corrosion of the acoustic emission on-line detection technology research.This paper introduces the development and status quo of acoustic emission testing technology home and abroad, through the principle of acoustic emission technology, summarizes the characteristics of acoustic emission testing, the general situation of the characteristic parameters of acoustic emission signal analysis method and advanced processing technology, the main content is through the analysis of tank bottom leakage and corrosion phenomena, analyzes the effective activities of acoustic emission source storage tank, storage tank through the simulated storage tank bottom leakage simulation test study, the result proves that the application of tank acoustic emission testing technology. On this basis, the actual application research on the acoustic emission on-line detection of storage tank, the test results with conventional NDT methods can recheck, the result proves that the tank of the acoustic emission on-line detection of effective, feasible.Research and application results show that acoustic emission testing technology online storage tank has important application value.Key words: acoustic emission; Storage tank; The signal processing; Leakage; On-line inspectionIII目 录摘 要ABSTRACT第1章 绪论11.1 课题背景及理论意义11.2 国内外在声发射方向的研究现状及分析21.3 本课题研究的主要内容和意义3第2章 声发射检测技术42.1 声发射检测基本原理42.2 声发射检测仪器42.3 声发射源定位技术62.4 声发射信号分析6第3章 声发射信号的高级处理技术103.1 概述103.2 模态声发射103.3 频谱分析方法113.4 神经网络分析方法123.5 小波分析方法15第4章 模拟储罐罐底泄漏的试验研究164.1试验方法164.2制作立式储罐模型164.3试验设备174.3.1 实验模拟立式储罐规格184.3.2 声发射检测设备的配备184.4试验步骤184.4.1 确定试验方案184.4.2传感器的布置194.4.3 设备灵敏度的标定194.4.4 试验步骤204.5试验结果与分析204.5.1 发射检测仪器检测罐底中心孔（在液位不变的条件下）204.5.2 声发射检测仪器检测罐底侧孔224.5.3 声源定位图244.6小结25第5章 声发射检测储罐的现场应用275.1声发射检测程序275.1.1 资料审查275.1.2 现场勘察275.1.3 声发射仪器275.2仪器设置285.3 检测过程285.4 储罐的现场检测295.5 储罐检测结果分析305.5.1 1#储罐的检测结果分析305.5.2 1#储罐的复检315.5.3 2#储罐检测结果分析315.5.4 2#储罐的复检33结 论34致 谢35参考文献36外文翻译37兰州工业学院毕业设计说明书（论文）第1章 绪论1.1 课题背景及理论意义 在科学技术不断发展的今天，结构材料的检测得到越来越多的应用。通常不同形式的结构构架及不同的环境性能，使结构材料展现出不同的强度、硬度、外形、大小等状态。针对于结构材料的这种特性，通常在结构材料的使用中，通过状态监测，能有效的监测和诊断出材料的性能，这对于安全生产来说意义深远。状态监测是通过测量和监测。对材料内部的微观变化进行采集和记录。材料检测技术随着检测技术和仪器的进步得到不断的发展完善，无损检测技术就是建立在材料检测技术之上，并且得到了广泛的应用。无损检测技术NDTNondestructive Testing是在不损害材料的基础上进行检测，是保证材料质量和安全的前提下，延长材料使用寿命的一种检测技术。随着科学技术的发展，无损检测技术应用于各个领域。目前，无损检测技术已经演变发展出多种检测手段，如超声检测、射线检测、渗透检测、磁粉检测、声发射检测等技术。 声发射Acoustic Emission，简称AE现象是指材料局部因能量的快速释放而发生瞬态弹性波的现象。对记录到的信号进行处理分析寻找缺陷位置，发展规律的技术称为声发射技术。因此，声发射也叫应力波发射。 随着超声技术的不断发展其应用范围也越来越广泛。检测超声技术主要用于应力测试定位、局部放电和测厚等方面。声发射技术作为一种检测超声技术，被越来越多的国家所重视。五十年代初德国学者Kaiser开始研究声发射现象；六十年代初美国通用动力公司应用声发射技术监测北极星导弹燃烧室及固体火箭发动机壳的结构完整性；七十年代初我国开始研究和应用声发射技术。至今，该技术的应用已覆盖航空、工业制造过程和质量监测航天、铁路、石油化工等方面。 随着我国国民经济的发展和可持续发展战略的实施，对绿色安全，环境保护及灾害防治的要求越来越高，在我们石油行业，就是保障油气储存和运输设备的安全使用，尽可能的避免所有有能发生的环境和生态污染及杜绝灾难发生。因此，研究和使用安全有效的无损检测技术，特别是在线检测技术，为储罐等石油储存和运输设备提供长期可靠的保证，具有非常重要的意义。1.2 国内外在声发射方向的研究现状及分析检测系统的关键部件就是传感器。目前研究的热点方向是利用现代光纤技术研究声传感技术，基于光纤传感器具有灵敏度高、频带宽且抗干扰性能力强、体积小且抗腐蚀能力好等特点，已有大量实验研究和文献报道。但是这种传感器同时也存在着一系列问题，例如该传感器稳定性差、输出非线性等，所以目前目前该技术只是以实验研究为主，不够实用化。就目前的技术手段来看，提高传感器的精度、频率范围以及传感器的稳定性，并且把该技术应用到声发射检测中，是声发射检测技术研究的重要问题。随着声发射技术变得日趋成熟，声发射检测仪器达到崭新的阶段，声发射的深度、广度都有了较显著的提高，例如德国Vallen公司开发的第五代的多通道数字声发射检测仪器AMSYS，配合其配套的声发射信号处理软件包VisualAE、VisualTR、Visualelass等便可以对不同信号进行多种分析和处理。复合材料具有庞大的内部构造，受到破坏时表现出纤维断裂、基材开裂、基材分离和分层等不同的形式。我国学者通过声发射技术手段，对B/AL复合材料进行线性定位，分析其断裂过程，得出声发射信号主要来源于纤维断裂和基材分离或分层的结论；通过声发射信号的关联图，对高性能纤维复合材料的拉伸和弯曲破坏进行分析，判断出复合材料的损伤破坏以纤维断裂、基材开裂、界面开裂三种形式存在。外国学者将研究的重点放在短纤树脂复合材料的破坏过程中的声发射特性，通过高频滤波技术分析声发射信号的频谱，判断出纤维断裂产生高幅度值，基材破坏和损伤产生低幅度值；通过低通滤波技术和声发射信号处理技术来研究分析纤维增断裂过程中的断裂情况。研究人员对复合材料再重复破坏下的声发射特性进行研究，认为破坏过程中应力波的传播速度是发生变化的，这种破坏是随机产生的。获取材料或构件中声发射信号源特征是声发射检测技术应用到无损检测中的主要目的之一，通过获取声发射信号源特征找出声发射源的位置，判断其危害性及性质，从而为无损检测技术的发展建立理论基础。该领域的研究遇到了许多困难，因此声发射信号源特征的研究取得突破，能够提高声发射检测技术应用于无损检测中的科学性和理论性。就目前形势来看，只能通过间接手段获取声发射源特征，获取声发射源特征的最可行方法是对声发射传感器接收到的声发射信号进行处理和分析。从声发射技术作为一种无损检测手段诞生以来，研究声发射技术的学者们就没有停止过对于声发射信号处理技术的探索和研究。一方面，研究探索声发射信号处理技术，并且在该方向上取得进展，能够为声发射源特征研究提供新的方法和思路；另一方面，声发射源特征研究又制约着声发射信号处理技术的发展。由此可见，声发射信号处理技术也是目前研究的一个热点方向。1.3 本课题研究的主要内容和意义 主要内容是通过模拟储罐进行储罐底板的泄漏模拟试验研究，试验结果证明了储罐声发射检测技术的可应用性。以此为依据，进行了实际储罐的声发射在线检测应用研究，检测的结果用常规无损检测的方法进行开罐复检，结果证明了储罐的声发射在线检测是有效的、可行的。随着科技的发展，电子数字技术已经成为社会主流趋势。从 20 世纪 90 年代，声发射技术在全球的研究和应用不断的发展。声发射检测技术应用于大型常压储罐的检测，是现在国际上唯一认可的罐底在线检测方法。储罐的声发射技术在线检测与安全评价技术的研究和应用，为储罐设备的延寿和定期检修提供了安全先进的技术保障，对大型储罐的安全稳定运行，减少和避免环境污染提供了可靠依据。声发射检测技术作为一种动态的无损检测方法，在设备运行过程中进行检测，为企业减少了劳动力和资金的投资。42第2章 声发射检测技术2.1 声发射检测基本原理声发射Acoustic Emission，AE现象是指材料局部因能量的快速释放而发生瞬态弹性波的现象。利用这种声发射现象可以对构件进行声发射检测，声发射检测作为一种无损检测手段与其它无损检测方法相比有几个显著特点：1.声发射检测能够动态反映出构件内部在载荷作用下损伤的情况，是一种动态的检测。2.声发射检测在众多无损检测技术中唯一一种与时间有直接关系的测试方法。3.声发射信号不是由无损检测仪器发出的，而是由被测试的构件直接发出的。声发射检测技术是一种通过运用仪器检测、分析、记录声发射信号，从而利用声发射信号实现对声发射源进行定位、定量和定性的技术。声发射检测技术是一种动态的无损检测方法，运用声发射技术检测到的信号来自于缺陷本身，当构件所受应力状态或者所处位置不同时，即使一个同样性质的缺陷，对构件的检测结果也不同，因而其声发射特征也有差别。基本原理如图2-1所示。图2-1 声发射基本原理图检测的主要目标是:确定声发射源的部位；分析声发射源的性质；确定声发射发生的时间或载荷；评定声发射源的严重性。一般而言，对超标声发射源，要用其他无损检测方法进行局部复检，以精确确定缺陷的性质与大小。2.2 声发射检测仪器 随着科技水平的迅速发展，声发射体统和声发射检测仪器不断的更新和完善。初期的声发射检测仪器的系统：只有硬件模拟参数，波形数据储存记录是没有的；当代的声发射检测系统：全部通道多功能硬件数字参数与部分通道记录储存功能的声发射仪器，由于硬件不能产生参数而仅可以得到波形数据，所以采用了软件分析处理得到参数的全波声发射仪器。从原来比较体积大，重量大，操作不方便等特点的声发射仪器到现在体积小，重量小，操作方便，多功能多通道的全波形的数字化仪器。回顾声发射仪器发展的历程，大致可分为以下几个阶段：1.第一台声发射检测仪器产生于 20 世纪 60 年代末，该声发射检测仪采用模拟电路，属于单通道检测仪器，因为该检测仪器功能单一，只能应用于实验室试样粗略声发射检测。单通道声发射采集系统一般由传感器、前置放大器、主大器、信号参数测量和数据分析等基本单元构成。单通道声发射采集系统如图2-2所示：图2-2 单通道声发射采集系统2.20世纪 70 年代出现第一多通道声发射仪器，该检测仪器把各种多通道硬件模块插在一个容纳箱内，而这些硬件模块用于形成的声发射特征量，容纳箱被连接到一台标准的小型计算机。3.第二代多通道检测系统产生 20 世纪 80 年代初，该检测系统吧显示、存储及处理功能和数据采集功能相分离，利用直接前端处理器完成数据采集工作；在数据的存储和处理方面，利用直接存储器存取DMA和标准总线如IEEE488,加快了速度，改进了实时显示效果。多通道信号采集系统如图2-3所示：图2-3 多通道声发射采集系统4.八十年代末产生了第三代多通道声发射检测系统。数据的的丢失和死锁通常是由通道接口的瓶颈效应造成的，该系统为了实现信息的快速传递与缓冲，采用分布式并进行处理技术，每秒可处理声发射信号数据几千Hit以上。5.第四代全数字式声发射检测系统产生于 20 世纪 90 年代。全数字化声发射检测系统在系统结构和软件配置上均优于第三代产品。除此之外，放大后的声发射信号可以直接进行高速A/D转换，提取特征向量。2.3 声发射源定位技术声发射源定位方法按测试对象或测试定位要求主要可分为线定位、面定位和三维定位。按实现定位的方法原理，声发射源定位又分为时差定位法、区域定位法、相关关系定位法等。时差定位法通常假定材料声传播各向同性，声速为常数，是目前线性、平面应用最普遍的声发射源定位方法。它根据同一声发射源所发出的声发射信号到达不同传感器的时间上的差异以及传感器布置的空间位置，通过它们的几何关系列出方程并进行求解，可得到声发射源的精确位置。时差线定位法的原理如图2-4所示：图2-4 声发射源时差线定位原理图若声发射波从波源A到达传感器B和C的时间差为T，速为V，则可得式:|A-B|=VT。离两个传感器的距离差相等的轨迹为如图所示的一条双曲线。声发射源就位于此曲线的某一点。2.4 声发射信号分析声发射信号有两种基本类型：突发型和连续型，如图2-5所示。突发型信号，指在时域上可分离的波形。实际上，所有声发射源过程，均为突发过程，如断续的裂纹扩展，复合材料的纤维断裂等。不过，当声发射频度高达时域上不可分离的程度时，就以连续型信号显示出来，如塑性变形声发射过程前期的信号、泄漏信号、燃烧信号等。在实际检测中，也会出现其混合型。对不同的信号类型，要采用不同的信号处理方法。近年来的通用系统，可同时采集两类信号。图2-5 声发射信号类型a)突发型 b)连续型(1) 信号特性参数。超过门槛的声发射信号由特征提取电路变换为几个信号特性参数。连续信号参数包括：振铃计数、平均信号电平和有效值电压，而突发信号参数包括：撞击（事件）计数、振铃计数、幅度、能量计数、上升时间、持续时间和时差。常用突发信号特性参数示意见图2-6所示。图2-6 突发信号特性参数常用信号特性参数的含义和用途如下表2-1所示：表2-1 常用信号特性参数的含义和用途（2）信号波形特征波形是声发射传感器输出电压随时间变化的曲线，它可以用示波器从前置放大器或主放大器的输出观察到，也可以从瞬态记录仪或波形记录装置上记录下来。典型的突发信号的波形，它的上升段比较迅速，而下降段时呈现指数衰减振荡的现象，按其包络线的形态则呈现一个三角形。声发射源的一次突发发射实际上是一个突发脉冲，而传感器输出的信号呈现复杂的波形，则是信号在介质中传播过程的反射、折射、波形变换、传感器的谐振等多种因素合成的结果。突发型声发射的频谱如图2-7所示，频谱分布曲线集中，质心比较明显，表明信号包含的频率比较单纯。图2-7 突发型声发射波形和频谱曲线连续型声发射的频谱如图2-8所示，频谱分布曲线平坦，质心相对不明显。频谱平坦表明信号所包含的频率成分比较丰富，分布比较宽。图2-8 连续型声发射波形和频谱曲线通过分析声发射信号的频域分布特性，了解信号的频率成分，可以确定信号特征，更有效地进行检测分析，作到有针对性的检测处理。第3章 声发射信号的高级处理技术3.1 概述现在，信号处理已经成为当代科学技术发展的重要组成部分，广泛应用于通信如电话、电视、数据传输，卫星图像的发送与分析，扫描成像如超声扫描、CT、核磁共振等。为了对给定信号进行最合适的研究分析，通常把信号分为稳定信号和非稳定信号两类。 如果一个信号的性质随时间是稳定不变的，则称该信号是稳定的。研究稳定信号的理想工具是Fourier变换。非稳定信号的研究由于瞬态事件不能事先知道发生，需要不同于Fourier分析的技术，特别适用于非稳定信号的技术是小波分析。许多声发射信号的高级处理或识别技术都以波形分析为基础。波形分析是对所记录的信号时域波形进行分析，以获取声发射信号的更多信息，揭示声发射波形的物理本质，研究声发射波形与声发射源机制的关系。基于波形的信号处理方法可分为时域分析和频域分析。时域分析是描述声发射信号在时间域的完全信息。频谱分析是建立在傅里叶变换基础上，通过数学变换来描述声发射信号的频域特征。近20年来发展起来的声发射信号小波变换处理方法可同时在时域和频域表征信号的局部特征，既能表达某一时间段信号的频谱信息，又能描述某一频谱信息对应的时域信息。声发射信号的高级处理或识别技术主要有模态声发射、频谱分析、小波分析、模式识别，其中人工神经网络方法是声发射信号的一种常见模式识别方法。3.2 模态声发射模态声发射( MAE)是利用兰姆波理论研究板中声发射波的特点，从而将声发射波形与特定的物理过程相联系。MAE理论的基本点为：对于工程上大量使用的板状结构，由于板厚远小于声波波长，声发射源在板中主要激励起扩展波(E)、弯曲波(F)和水平切变波(SH)三种模式的声波。板平面内声源主要产生扩展波，而平面外声源主要产生弯曲波。两种声源都有可能产生水平切变波。大量的非声发射源或噪声没有这种特征。如图3-1所示为在钢板上铅芯折断所产生的扩展波和弯曲波。这种基于声发射源物理机制的分析方法有利于区分声发射信号和噪声信号，因而在很多工程应用问题中就成为一种十分有效的声发射信号处理方法。图3-1 模态声发射中的E波和F波 声源定位在声发射检测中具有很重要的作用，而时差定位是最常用的声发射源定位方法。时差定位法需要预知材料中的声传播速度，或者检测前测定波速。波速的准确性直接关系到声源定位的准确度。由于到达声发射传感器的声波可以是纵波、横波、表面波、扩展波和弯曲波等不同形式的声波，每种波形的波速不同，但前4种波的传播速度基本是恒定的，而弯曲波的速度与频率有关。此外，声波在介质中传播时还存在衰减现象。当某一阵列中的传感器所触发（幅度达到门槛值）的声波为不同波形时，声源的定位必然会产生较大的误差。因此，模态声发射的一个最基本应用就是根据同一模态的声发射波来进行定位，这样可大大减小定位误差。由于扩展波和弯曲波的频率成分不同，在工程上可以选取不同的频带进行检测，以减小定位的误差。目前，模态声发射已经成功应用于复合材料损伤、疲劳裂纹萌生与扩展、航空材料日历损伤（腐蚀）的声发射监测和评估等方面。3.3 频谱分析方法 频谱分析方法分为经典频谱分析方法和现代频谱分析方法。 经典频谱分析方法是比较成熟的分析方法，可以通过对信号波形进行Fourier变换得到频域特性，可以得到信号的频谱特性，以便具体分析特征信号的分类处理，分析不同损伤的频谱特征。 现代频谱分析方法以非Fourier分析为基础，有参数模型法和非参数模型法两大类。参数模型法包括有理参数模型法和特殊参数模型法。有理参数模型法可以用有理系统函数表示，它包括自回归模型、滑动平均模型和自回归滑动平均模型。特殊参数模型法即指数模型，定义为一些指数信号的线形组合。通过频谱分析方法利用将波形比较相近的信号通过分析频谱特性而区分开来。使用频谱分析方法可以对检测方法起到正确指导作用，适宜于进行材料研究、结构设计验证等过程中。通过设置合理的检测参数如定时参数、频带范围、增益大小、滤波参数，可以更有效地检测有效信号。频谱分析方法可以获得信号的谱特征。谱分析可分为两大类，即经典谱分析和现代谱分析。经典谱分析以傅里叶变换为基础，又称为线性谱分析方法。经典谱分析主要包括相关图法和周期图法以及它们的改进方法，其中最基本和最重要的方法就是快速傅里叶变换( FFT)。 FFT算法将时域的数字信号迅速地变换为其所对应的谱，从谱中便可以得到信号的各种特征。现代谱分析方法以非傅里叶分析为基础，大致可分为参数模型法和非参数模型法两大类。两种谱分析法都是将声发射信号从时域转换到频域，在频域中研究声发射信号的各种特征，达到识别声发射源本征信息的目的。不同的声源所发出的信号都含有反映其本质特征的信息，所以，谱分析的作用就是在频域中找到在时域中不能体现的信号特征信息。谱分析能够揭示声发射源信号的特征及其动态特性。 经典谱分析法估计速度快，应用简单方便，但分辨率不高，且谱估计误差较大。现代谱分析方法由于采用了合适的参数模型来拟合信号或用数学上的正交处理方法分离信号，所以提高了谱的分辨率和谱估计的统计稳定性。频域的谱分析技术以其相对简单及实用性被广泛应用于声发射信号的研究，并作为重要的辅助分析手段。例如，小波分析之前，可以应用谱分析的方法作为预处理手段，人工神经网络法也如此。现代的声发射系统基本都是全波形数字式，其软件中都有谱分析功能，通过谱分析可以得到更多的声发射信号特征信息。3.4 神经网络分析方法 神经网络分析方法是近几年随着计算机技术的发展而发展起来的一门新兴技术方法，它对一些同时出现的大量信号和大量参数的复杂问题提供了不同于传统手段的方法。由于人工神经网络具有自组织、自适应、自学习功能，因此可以很好地解决声发射信号检测中存在的噪声干扰问题，可以较准确地判断声发射源的活动情况。 人工神经网络是由大量神经元广泛互连组成的网络。各个神经元之间的连接并不是一个单纯的传输信号的通道，而是在每对神经元之间的连接上有一个加权系数，它可以加强或减弱上一个神经元的输出对一个神经元的刺激。人工神经网络结构分为两类基本形式，一类是BP（Back-Propagation，误差反传）网结构，另二类是神经元之间Hamming网结构。 标准的BP网由三个神经元层次组成，如图3-2，其中最下层称为输入层，中间层为隐层，最上层为输出层。各层次的神经元之间形成全互连接，各层次内的神经元之间没有连接。BP网的特点：BP算法很有效，它引入了隐层，大大提高了网络的分类能力。但BP网有局限性，即网络的收敛速度比较慢，容易陷入局部极小值。为了提高网络的收敛速度，可以减少网络规模，调整网络参数等。 图3-2 BP网结构原理图Hamming网是一种广泛应用于模式识别的人工神经同络，见图3-3所示。其主要原理就是先求出标准模式与输入样本之间的Hamming距离（Hamming Distance），然后通过有拟制源连接完成的竞争学习，确定输入样本的类别。 Hamming网的特点是网络的收敛速度比较快，需要的互连数比较少。缺点是编码比较困难。图3-3 Hamming网结构原理图人工神经网络模式识别方法可以判断一些声发射源的性质。神经网络模型中使用最广泛的是BP模型（误差后向传播）。如图3-4所示给出了一个含11个输入模式、3个输出模式、输入层和隐层均为5个神经元以及输出层为3个神经元的三层BP网络结构。对于每一个声发射撞击信号，一般可优选作为神经网络输入的特征量有11个：上升时间；计数；能量；持续时间；幅度；到峰计数；上升时间/持续时间；计数持续时间；能量持续时间；到峰计数计数等；幅度上升时间。其中，前6个为原始波形特征参数，后5个为它们组合派生的特征参数。图3-4 一个三层BP网结构的示意图对于现场压力容器的声发射检测来说，通常以焊接表面裂纹、焊接深埋裂纹、夹渣与未焊透、焊缝残余应力释放和机械碰撞摩擦5种声发射源作为最终识别分类模式。对每个典型声发射源一般需要各抽取数百个声发射信号对网络进行训练。在训练完成，并达到预计的识别正确率后，可作为辅助手段用于其他类似结构声发射检测中的信号识别。3.5 小波分析方法 信噪分离与提取弱信号是小波应用于信号分析的重要方面。由于小波与小波包分解可以把一个信号分解为不同频段的信号，所以就可以进行信噪分离。噪声分白噪声和瞬态噪声等，对于白噪声，由于是稳定信号，可以使用FFT分析定位以便在合适的频段进行提取。图3-5是对有一个脉冲干扰的信号进行分解的事例，一般来说，脉冲信号虽然时间短，但由于脉冲信号的频带比较宽，往往需要经过几次提取，才能完成信号与噪声的成功分离。图3-5 瞬态脉冲与信号的分离过程许多情况下的信号分析都需要提取弱信号，这用Fourier分析是根本无法办到的。例掘机器故障监测诊断中，当机器发生故障时因不同零件结构差异，致使震动信号包含不飘零件的故障频率分布的不同频段。如有一零件有早期微弱缺陷时，其微弱的信号会被运行震动信号和随机噪声淹没。为了有效提取微弱信号，可以采用小波分析理论，对信号进行小波与小波包分解，将信号分解为各个频段的信号，最终查找机器的故障源。小波变换可在时域和频域同时提供声发射信号的局部特征信息，既能表达某一时间段信号的频谱信息，又能描述某一频谱信息对应的时域信息。因为小波函数具有可变的时窗和频窗，使得小波变换在时域和频域同时具有良好的局部化特性，所以，小波分析技术很适合于分析含有瞬态变化的声发射信号。第4章 模拟储罐罐底泄漏的试验研究4.1试验方法制作一个不同孔径不同位置的立式储罐，通过声发射检测技术对不同泄漏状况下的立式储罐进行模拟检测。在不同液位条件下的泄漏处进行检测，采集罐底泄漏处声发射信号，分析和处理信号，推断出各个声发射特征参数之间的关系。即求证泄漏孔径大小与声发射事件数的关系，泄漏点覆盖层声发射特性会发生怎样的变化等。4.2制作立式储罐模型绝大多数情况下，罐底腐蚀是立式储罐最常见的损坏形式。所以，在制作试验立式储罐主体时，预先在罐底制作泄露孔。通过声发射检测技术对其立式储罐进行模拟试验检测，通过对储罐介质液位不同条件下即在液位恒定和液位变化下研究立式储罐罐底的声发射特性。1.试验立式储罐制作模拟立式储罐结构图如图4-1图 4-1 模拟试验立式储罐装置结构示意图对模拟储罐材质和特性简单说明如下： 储罐主要采用有机玻璃制作而成，罐壁是有机玻璃储罐筒体，厚度为8mm，罐底厚度为6mm； 罐底上钻有40mm 的两个孔，一个在底板中心，一个孔偏离中心60mm。两个孔均是接出接管，接管上装有阀门； 制作好储罐后，储罐必须密闭性好，无泄漏； 在罐底板垫上加强板目的是保证罐底，在罐体底部法兰与底板间加两层橡胶层密封圈； 配备合理的阀门和水管； 为了不必要的麻烦，在做试验时，试验装置应放于靠近水源和排水方便的地方。2.制作泄漏孔为了得到不同泄漏孔径下的声发射信号特性，所以我们用一块铁片制作出了不同孔径的泄漏孔。具体步骤：用一块铁皮，剪下25mm 的小片 10 小铁片，然后在铁皮上钻孔，每个小铁皮中心钻一个孔。孔径和小铁皮数如表 4-1。表 4-1 不同孔径下的小铁皮数 铁皮制作完成后，用胶将14mm 孔的模拟泄漏孔粘到试验储罐罐底板开孔的位置，并保证粘连处不泄漏。4.3试验设备试验设备如图 4-2 所示。主要设备是模拟试验的立式储罐和声发射检测设备图 4-2 试验