（固体力学专业论文）结构材料中声发射传播特性的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 针对传统声发射源定位精度易受传感器通道门槛设置值、传感 器灵敏度差异、静态缺陷等因素影响的问题，通过研究声发射的传 播特性提出了新的定位方法来解决这类问题。 通过简化弹性波在一维结构材料中的传播模式，建立了一维结 构材料中声发射信号的传播模型，研究了声发射信号在一维结构材 料中的传播特性，并讨论了静态缺陷对声发射信号传播的影响。针 对同时存在静态、动态缺陷的一维结构材料，提出了一种新的声发 射源一维定位方法即透射波法，并利用全波形声发射技术和g a b o r 小波时频分析进行了一维结构材料损伤定位研究，验证了所建模型 的正确性。透射波法定位方法与传统的声发射源一维定位方法相比 较，仅使用了一个传感器，避免了不同传感器灵敏度差异对声发射 源时差定位的影响，对均质弹性杆中存在变截面的情况能进行定性 分析。 通过推导建立r a y l e i g h - l a m b 波动方程和讨论l a m b 波在薄板 中传播的频散特性，计算得到了l a m b 波动方程的数值解，验证了 低频时薄板中仅存在基本对称模态和基本反对称模态的波。利用 g a b o r 小波时频分析得到单个传感器信号的不同模态峰值到达时 间，并引入速度因子，讨论了两种声发射源平面定位新方法，即同 一频率不同模态定位方法和同一模态不同频率定位方法，实验证明 这两种方法都能实现声发射源的正确定位。这两种方法的优点为： 可从根本上避免传感器间灵敏度差异对时差定位精度的影响；可以 扩大监测范围、减少平面定位中传感器的数量；避免了三角形定位 中伪定位的出现，适用于传统的声发射源平面定位中不易布置传感 器阵列的结构健康无损监测。另外针对在役结构材料中同时存在静 态和动态缺陷时难于进行缺陷平面定位的问题，利用全波形声发射 江苏大学硕士学位论文 技术实时记录声发射波形时域信号的特点，结合薄板中l a m b 波的 频散特性和g a b o r 小波时频分析方法，研究并提出了一种新的实用 定位方法。该方法先采用三角形平面定位方法反演动态缺陷，再用 椭圆平面定位方法反演静态缺陷的位置，其优点为：利用低频时频 散不明显的对称模态波速和同一时域信号的相对时差来避免波速 变化与各传感器问灵敏度差异对椭圆定位精度的影响，g a b o r 小波 时频分析可提高传统三角形平面定位方法的定位精度；可根据同一 频率不同模态的定位方法来定性判断接收到的声发射信号中是否 存在静态缺陷的影响；经过实验研究证明，应用这种方法反演得到 的缺陷位置和实际缺陷位置较一致。 本文定位方法的研究都是在实验室环境下进行的，这些方法要 应用到工程实践中尚需进一步改进，并结合其它先进的数据处理手 段或理论，可以进一步提高其定位精度。 关键词：声发射，传播特性，源定位，透射波法，l a m b 波， g a b o r 小波 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nl o c a t i n gs o u r c 七n s m gt r a d i t i o n a la c o u s t i ce m i s s i o n ，i t sa c c u r a c yd e p e n d so n t h ef o l l o w i n gf a c t o r s ：t h r e s h o l ds e t u po f s e n s o rp a s s a g e s ，d i f f e r e n ts e n s i t i v i t i e sa m o n g v a r i o u ss e i l q o r sa n ds t a t i cd e f e c t sc t c i no r d e rt or e s o l v et h i sp r o b l e m ，n e wl o c a t i o n a p p r o a c h e sw e l - 它p r e s e n t e db a s e do nt h er e s e a r c ho fp r o p a g a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so f a c o u s t i ce m i s s i o n a p r o p a g a t i n gm o d e lo fa c o u s t i ce m i s s i o nw a se s t a b l i s h e di no n e - d i m e n s i o n s t r u c t u r em a t e r i a lb ys i m p l i f i n gt h ep r o p a g a t i n gm o d eo fe l a s t i cw a v e p r o p a g a d n g c h a r a c t e r i s t i c so fo n e - d i m e n s i o nw a v ea n dt h ei n f l u e n c eo na c o u s t i ce m i s s i o nb y s t a t i cd e f e c t sw e r eb o t hd i s c u s s e d an e ws o u z c cl o c a t i o nm e t h o do rt r a n s m i s s i o n 朋蹭m e t h o dw a sp r e s e n t e dt or e s o l v et h ed a m a g e - l o c a t i o np r o b l e mo fs t r u c t u r e m a t e r i a lw h i c hh a dd y m m i c 如m a g ea n ds t a t i cd e f e c t ss i m u l t a n e o u s l y i t sa v a i l a b i l i t y w a sd e m o n s t r a t e db ye x p e r i m e n t sb a s e do nt h er e s e a r c ho fd a m a g el o c a t i o nw i t ht h e w a v e f o r ma c o n s t i ce m i s s i o nt e c h n i q u ea n dg a b o rw a v e l e tt i m e - f r e q u e n c ya n a l y s i s c o m p a r e dw i t hl o c a t i n gs o t l l p 。eu s i n go n e - d i m e n s i o nl o c a t i o nm e t h o do ft r a d i t i o n a l a c o u s t i ce m i s s i o n , i to n l yu s e do n es e n s o ra n dc a ra v o i dt h ei n f l u e n c eo ft h r e s h o l d s e t u pa n dd i f f e r e n ts e n s i t i v i t i e so f n s o r so l ld a m a g el o c a t i o n f t t r t h e r m o r e , i tc a b g i v eq u a l i t a t i v ea n a l y s i sf o rt h ei s o t r o p i ce l a s t i cr o dw i t hc h a n g es e c t i o n w i t hr a y l e i g h - l a m bw a v ef u n c t i o nd e d u c e da n dd i s p e r s i v ec h a r a c t e r i s t i c so f l a m bw a v ep r o p a g a t i n gi nt h i np l a t e sd i s c u s s e d , t h ef u n c t i o n sn u m e r i c a lv a l u e 卸耻；、掰w a sw o r k e do u ta n dc o m m o n l yt h e r eo n l ye x i s tb a s i cs y m m e t r i c a lm o d ea n d b a s i ca n t i s y m m e l r i c a lm o d eo v e rt h ef i e q u e n c yr a n g e0 - 0 4 m h zi nat h i np l a t e i n o r d e rt os o l v et h ep r o b l e mt h a td i f f e r e n ts e n s i t i v i t i e sa m o n gan u m b e ro f s e n s o r sh a da g r e a ti n f l u e n c eo nt h ea c c u r a c yo f a r r i v a lt i m e - d i f f e r e n c el o c a t i o ni nt r a d i t i o n a ls o u r c e l o c a t i o no fa c o u s t i ce m i s s i o n , t w on e wa p p r o a c h e so fp l a n a rl o c a t i o nw e r ep u t f o r w o r db a s e do nt h er e s e a r c ho f d i s p e r s i v ec h a r a c t e r i s t i c so f l m n bw a v e , a r r i v a lt i m e o fd i f f e r e n tm o d e sd e t e r m i n e db yu s i n gt h ep e a ko ft h em a g n i t u d eo fg a b o rw a v e l e t t i m e - f r e q u e n c ya n a l y s i so nt h ev i e wo fm o d a la c o u s t i ce m i s s i o na n di n t r o d u c e d v e l o c i t yf a c t o r o n em e t h o do fl o c a t i o nw a sb a s e do nt h es a m ef i e q u e n c ya n d d i f f e r e n tm o d e sa n dt h eo t h e rw a sb a s e do nt h es a l n em o d ea n dd i f f e r e n tf r e q u e n c y t h e s et w om e t h o d sw h o s ea c c u r a c yw 镪d e m o n s t r a t e db ye x p e r i m e n t sc a ns o l v et h e p r o p o s e dp r o b l e mc o m p l e t e l y , e n l a r g et h em o n i t o r i n ga r e a , r e d u c et h en u m b e ro f s e l l c j o r si np l a n a rl o c a t i o n , a v o i df a l s el o c a t i o ni nt r a d i t i o n a lt r i a n g u l a rl o c a t i o na n db e m 江苏大学硕士学位论文 u s e dt om o n i t o rs t r u c t u r e sw h i e hw e r t on o tf e a s i b l ef o rt h et r a d i t i o n a lm e t h o do f s o u r c e l o c a t i o n i na d d i 矗o r lf o rt h ep u r p o s eo fs o l v i n gt h ep r o b l e mt h a ti tw a sd i f f i c u l tt o l o c a t ed e f e c t si n $ 1 1 t l c t u r a lm a t e r i a l si ns e i c ea st h es t a t i cd e f e c ta n dt h ec l y n a m i e d a m a g ee x i s t e di nt h es a m es t r u c t u r e ，an e wa n da p p l i c a b l ea p p r o a c ho fp l a n a r l o c a t i o nw a sb r o u g h tf o r w a r db a s e do i lu s i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so f w a v e f o r ma e o u s l j c e m i s s i o nt e c h n i q u er e e o r a i n gr e a l - l i m ew a y e f o r m so fs i g n a l si nt i m ed o m a i n , t h e r e s e a r c ho ft h ed i s p e r s i v ec h a r a c t e r i s t i c so fl a m bw a v ea n da r r i v a lt i m eo fd i f f e r e n t m o d e sd e t e r m i n e db yu s i n gt h ele a ko ft h em a g n i t u d eo fg a b o rw a v e l e t t i m e - f r e q u e n c ya n a l y s i s t 陆sa p p r o a c h 啪l o c a t et h es t a t i c ：d e f e c ta n d t h ed 脚m i e d a m a g ei ns e q u e n c eb yu s i n gt r i a n g u l a rl o c a t i o na n de n i p t i c a ll o c a t i o n f u r t h e r m o r e ， u 6 l i z i n gt h ew a v es p e e dw i t h o u td i s p e r s i v ec h a r a c t e r i s t i c sa tc e r t a i nf r e q u 髓e yo f b a s i cs y m m e t r i e a lm o d ea n dr e l a t i v et i m ed i 伍2 姗c eo ft h es a m es i g n a la ts o m e f r e q u e n c yi nt i m ed o m a i n nr e d u c et h ei i t o i o fe l l i p t i c a ll o c a l i o nw l l i e l a 硼e a s i l y a f f e c t e db yw a v cs p e e dc h a n g ea n ds e m i t i v i t yd i f f e r e n c e sb e t w e e ns e ：1 3 s o l s a c c o r d i n g t 0t h en e wl o c a t i o nm e t h o db a s e d0 1 1t h e s a l 3 f l t ef r e q u e n c ya n dd i f f e r e n t 皿o d e s ，w ec 纽 e s t i m a t ew h e t h e rt h es i g n a lr e c e i v e db yt h es e l l s o rh a dt h ei n f o r m a t i o na b o u ts t a t i c d e f e c t sg a b o rw a v e l e tt i m e - f r e q u e n c ya n a l y s i s 啪i m p r o v et h ep l a n n a rl o c a t i o n a c c u r a c yo fm 缸t i t i o n a lt r i a n g u l a rl o c a t i o n 1 1 聆l o c a t i n gr e s u l to fd e f e c tp o s i t i o nb y a b o v em e t h o di sc l o s et ot h ep o s i t i o no f r e a ld e f e c td e m o n s t r a t e db ye x p e r i m e n t s n 嵋r e s e a r c ho fi d e a t i o nm e t h o d si n t h i sp a p e rw a sa l lc a r r i e do u ti nl a b c o n d i t i o n n l e s cm e t h o d ss t i l ln e e dm a k ei m p r o v e m e n tf o re n g i n i n gp r a c t i c e c o m b i n e dw i t ho t h e rs o p h i s t i c a t e ds i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o do rt h e o r y , l o c a t i o n a c c u r a c y c a nb ee n l l a n c e df u r t b e r k e yw o r d s ：a c o u s t i ce m i s s i o n , p r o p a g a t i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，s o u i l o c a t i o n t r a s s m i s s i o nw a v em e t h o d , l a m bw a v l ：，g a b o rw a v e l e t i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学位保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文 的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密回。 学位论文作者签名：走后最指导教师签名：劢辫 舭年6 月7 日炒j 年争月7 日 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：度灰氨 日期：纫蝎年石月7 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题背景、理论依据及其意义 随着国民经济的快速发展和人民生活水平的迅速提高，我国基础设施建设飞 速增加，大型现代化仪器设备大规模使用，还有大批使用期限将至的建筑物和设 备，由于施工工程中的不确当旎工或使用环境的恶劣性( 如承受载荷的复杂性 等) ，使这些结构材料都或多或少的存在内部结构损伤问题。要对这些结构材料 做出正确的评估、做好安全预警和结构加固等工作以防止重大突发灾难性事故的 发生和确保人民生命财产的安全，就急需一种可靠的无损检测技术来诊断或实时 监测这些结构材料的损伤程度。而声发射技术就是能够满足这种实时动态检测功 能的新型无损检测诊断技术，利用该技术可对大多数结构材料损伤程度及其损伤 发展趋势做出正确判断和预测，进行安全评估t l - 3 。 结构材料一般是指具有机械力学性能的一类材料，如钢材等金属材料：声发 射( a c o u s t i c e m i s s i o n ，简称a e ) 也称为应力波发射，是指材料或结构在外界条 件( 应力、湿度、磁场等) 的作用下，其缺陷或物体异常部位因应力集中而产生变 形或断裂，并伴随能量快速释放而产生的瞬态弹性波现象，而用专门的声发射 系统来采集应力波。并对采集到的信号进行处理和分析以评价缺陷的发生、发 展规律和寻找缺陷位置的技术就称为声发射技术t 4 1 ( a c o u s t i ce m i s s i o n t e c h n i q u e ，简称a e t ) ；弹性波的传播特性主要是指不考虑外力与波的相互关 系，而只考虑介质特性对波特性影响的弹性波传播问题。传播问题一般可分为两 类：1 ) 均匀无限弹性体的波动特性：主要是研究波速与介质特性的关系，波的 偏振状态及波的能量传播；2 ) 有界弹性体内波动特性：主要是研究波在界面上 的反、折射特性，亟波及各种散射问题同。 绝大多数结构材料的损伤过程都是不可逆的能量损耗过程，并伴随有以弹性 波形式释放部分能量的过程，即产生声发射现象。不同声发射源机制产生的声波 性质不尽相同嗍，如固体内部裂纹的形成和扩展、晶格位错、塑性变形、复合材 料的纤维断裂等都会产生不同特性的声发射；材料损伤的不同阶段所产生的声发 射特性也不尽相同嘲。这些就是声发射技术判断缺陷性质和损伤程度的依据，另 结合声波传播规律就可对声发射源进行定位。有资料表明p 一，声发射信号较易 于同噪声相区别，这就使声发射技术在结构材料损伤及完整性监测方面成为一种 江苏大学硕士学位论文 很有前途的无损检测技术。声发射技术的生命力就在于它广泛的应用前景：由于 a e 技术具有动态无损检测、几乎不受材料的限制、检测灵敏度高、可以实现在 线检测等优点，故该技术已从最初压力容器、金属疲劳和断裂力学的应用发展到 目前的工业制造过程检测和控制、各种材料性能研究、航空航天、铁路运输、建 筑和化工等几乎所有的工业领域。尤其是近年来随着计算机技术的发展，声发射 技术日臻完善，展现了其在结构材料检测领域良好的应用前景! 对结构材料声发射机理的研究虽然是人们关注的焦点，前人也做了大量的实 验研究表明一般材料受载后声发射的产生与晶体位错运动、晶体间相对滑移、弹 塑性变形、裂纹产生和扩展以及摩擦作用等有关，但这种解释仅仅是对结构材料 中可能成为声发射源的几种因素的一般描述，而没有涉及到声发射信号( 声发射 参数) 同材料的特性及力学过程间的关系，尤其是定量关系。另外，结构材料检 测与评估是一个非常复杂的长期研究课题，而且由于研究问题的复杂性和模糊 性，许多问题不能精确表达，因此很难对该问题给出精确解答。国内利用声发射 技术研究结构材料性质的还不多，一般仅局限于少数高校和研究单位，大多数研 究还处于起步阶段，尚停留在把研究结构材料损伤过程中产生声发射信号的基本 特征作为研究结构材料损伤本构方程等的实验方法上，所以对结构材料中声发射 产生和传播的机理研究很少，大家一般熟悉的普遍声发射源模型也只有变刚度弹 簧质量块声发射模型【4 】，而且该模型应用到结构材料中还有待进一步改进和完 善。由此可见声发射技术在工程实际应用中缺少理论依据，使其成为理论落后于 工程应用的少数学科之一。 针对声发射技术的三个关键问题，即：构件何时出现损伤、损伤的程度和 损伤的位置1 9 】，本课题对声发射传播特性的研究主要立足于解决损伤定位的问 题，而何时出现损伤、损伤的程度这两个问题隶属于声发射源问题研究的范畴。 目前国内外声发射源源定位主要采用时差定位，即通过对各个声发射通道信号 到达时差、波速和探头间距等参数的测量及一定的算法运算，来确定声源的坐 标或位置【1 0 l 。1 9 9 8 年，s a c h s e w 等人为了解决暂态弹性波在介质中传播时易 产生频散影响波达时间的测量，提出采用较小的定位阵列来避免这一问题【”】， 但定位的传感器将增加。2 0 0 2 年，沈功田等在综述声发射源定位技术中指出 时差定位是一种精确而又复杂的定位方式，广泛用于试样和构件的检测，但它 易丢失大量的低幅信号，且任意三角形定位易产生伪定位，故在实际应用中受 到种种限制【1 0 1 。2 0 0 4 年，yd i n g 等人指出时差定位精度受传感器灵敏度、波 2 江苏大学硕士学位论文 传播路径、波速、衰减快慢、波形和构件形状等许多易变量的影响【1 2 1 。针对 以上情况，当前大多数的研究主要集中于通过研究声发射信号处理技术来改进 时差定位的精度【1 2 _ 1 9 1 ，而对声发射传播特性的研究报告较为少见，当前的热 门话题主要是9 0 年代初刚兴起的模态声发射研究 2 2 3 1 。2 0 0 3 年沈功田等人 在庆祝无损检测学会成立2 5 周年的会议中特意指出我国声发射技术目前急需 解决的问题之一就是要在声发射传播等基础理论领域展开研究，为声发射技术 在工程应用中提供理论依据【2 4 1 。 综上可知，声发射技术一方面由于独具实时、动态、可测、方便等特点， 具有实际工程意义和良好的经济效益，应用越来越广泛；另一方面则由于基础 理论研究滞后，使其在结构材料检测领域的应用和发展受到严重束缚。因此当 前迫切需要寻求新的理论依据、探求新的研究方法来支撑声发射技术在结构材 料无损检测领域的进一步发展! 故本文重点是在前人研究的基础上，借助相近 学科的理论知识研究结构材料中声发射信号传播特性，建立结构材料中波的传 播模型，并提出新的定位方法以提高声发射时差定位的精度，从而为声发射技 术在工程应用中提供一定的理论依据，进一步拓宽其应用范围。 1 2 声发射技术发展概况及应用 声发射技术是无损检测( n d t ) 技术中的一支新秀，作为一种研究结构材 料性质的辅助手段己具有悠久的历史。 最早在工程材料方面对声发射进行研究的当属1 9 4 1 年的o b e r t 和1 9 4 2 年的 h o d s o n ，他们提出了声发射检测思想。而声发射技术作为一门新型技术和科学研 究工作，则是德国科学家凯瑟( k a i s e r ) 从1 9 5 0 年开始进行的，并由他发现了声 发射现象的不可逆效应，即凯瑟效应( k a i s e re f f e c t ) ：“材料被重新加载期间， 在应力值达到上次加载最大应力之前不产生声发射信号”f 4 】。k a i s e r 同时提出 了连续型和突发型声发射信号的概念。 2 0 世纪5 0 年代末到6 0 年代间，美国和日本许多学者在实验室中做了大 量工作，研究了各种材料声发射源物理机制，并初步应用于工程材料无损检测 领域。美国人s c h o f i e l d 和t a t r o 经大量研究发现金属塑性形变的声发射主要由 大量位错的运动所引起瞄】，并指出声发射主要是体积效应而不是表面效应。 t a t r o 进行了导致声发射现象的物理机制方面的研究工作，首次提出声发射可 作为研究工程材料行为疑难问题的工具，并预言声发射在无损检测方面具有独 江苏大学硕士学位论文 特的潜在优势。g r e e n 等人在上世纪六十年代初首先开始了声发射技术在无损 检测领域方面的应用【2 6 1 ，d u n e g a n 首次将声发射技术应用于压力容器检测，美 国于1 9 6 7 年成立了声发射工作组，日本于1 9 6 9 年成立了声发射协会。 2 0 世纪7 0 年代初，d u n e g 锄瑶n 等人开展了现代声发射仪器的研制，他们 把试验频率提高到超声频段( 1 0 0 k h z 1 m h z ) ，大大地减少了背景噪声，这是 声发射实验技术的重大进展，为声发射技术从实验室的材料研究阶段走向现场 实时监视大型构件的结构完整性创造了条件，如1 9 7 0 年g r e e n 发表了他对不 同骨料的混凝土研究成果【z 5 j ，文章最后指出声发射技术可对混凝土破坏的全 过程进行监测，来自于混凝土内部的声发射信号是混凝土结构破坏的前奏。 2 0 世纪7 0 年代和8 0 年代初，随着现代声发射仪器的出现，人们从声发 射源机制、波的传播和声发射信号分析方面开展了较为广泛和深入的系统研 究。在生产现场也得到了广泛的应用，尤其在化工容器、核容器和焊接过程的 控制方面取得了成功。2 0 世纪8 0 年代初，美国p a c 公司将现代微处理机技术 引入声发射检测系统，设计出了体积和重量较小的第二代源定位声发射检测仪 器，并开发了一系列多功能高级检测和数据分析软件，通过微处理机控制，可以 对被检测构件进行实时声发射源定位监测和数据分析。由于第二代声发射仪器体 积小、重量轻且易于携带，大大推动了声发射技术在现场检测的广泛应用；另一 方面，由于采用2 8 6 及更高级的微处理机和多功能检测分析软件，仪器采集和处 理声发射信号的速度大幅度提高，信息存储量增加，提高了声发射源的定位功能 和缺陷检出准确率。随着计算机技术及相关电子技术的高速发展，声发射技术 在越来越多的行业中得以成熟运用，具有实时、连续、整体地监视损伤的起始 和扩展等传统检测方法所不及的优点，开始成为压力容器、机械制造过程监控、 油田应力测量、复合材料检测和结构完整性评价和破坏预报的新手段瞄5 】。 2 0 世纪8 0 年代末和9 0 年代初，美国p a c 公司、d w 公司、德国v a i l e l l s y s t e m e 公司和中国广州声华公司先后开发了计算机化程度更高、体积和重量更小的第三 代数字多通道声发射检测分析系统，除能进行声发射参数实时测量和声发射源定 位外，还可直接进行声发射波形的观察、显示、记录和频谱分析。由于计算机技 术和信号处理技术的迅速发展，带动了声发射技术的快速发展，声发射技术日趋 成熟，应用的深度和广度都有了较大的发展，尤其是现代信号技术对声发射的发 展起到了极大的推动作用。 2 0 世纪9 0 年代至今，计算机技术和数据采集技术快速更新换代，进一步提 4 江苏大学硕士学位论文 高和完善了声发射仪器的功能和可靠性，出现了准实时多通道全波形声发射仪 器。在声发射信号的处理和分析方面，提出了模态声发射的概念 2 0 2 1 1 ，并开发 出了适用于锅炉等工程检测声发射信号数据分析与处理软件包，进一步促进了声 发射技术的发展和应用领域的拓展。 声发射技术在1 9 7 3 年引入我国 3 0 i ，正值我国断裂力学发展的高峰，人们希 望利用声发射进行预报和测量裂纹的开裂点。首先是中科院沈阳金属研究所等一 些科研院所和大学开展了金属和复合材料方面的声发射特性研究。 2 0 世纪8 0 年代初国内开始尝试将声发射技术用于压力容器检验等工程，鉴 于当时声发射仪器的性能和信号处理方面的限制，以及人们对声发射源性质和声 发射波产生后到达传感器过程中的传播特性等认识的欠缺，在试验结果的重复性 和可靠性方面存在很多闯题，因此声发射技术曾陷入低谷。总的来说大部分研 究工作着重从微观机理就材料微观结构对声发射行为的影响进行定性分析，就 材料的声发射行为与损伤的关系及把声发射技术作为材料损伤检测参量进行 的研究却很少3 0 i 。 从2 0 世纪9 0 年代至今，声发射技术在我国的研究和应用呈快速发展的趋 势斟2 明。在声发射信号处理和分析方面，除普遍采用的经典声发射信号参数和 定位分析外，我国目前还开展了处于世界前沿的基于波形分析基础之上的模态分 析、经典谱分析、现代谱分析、小波分析和人工神经网络模式识别，另外也对声 发射信号参数采用了模式识别、灰色关联分析和模糊分析等先进技术，我国还自 主开发了进行各种信号分析和模式识别的软件包。通过采用这些信号处理与分析 技术，可以在不对声发射源部位进行常规无损检测复验的情况下，直接给出声发 射源的性质及危险程度【1 4 1 5 , 1 6 1 8 2 5 1 。但姚力等人通过研究传统声发射源定位的 不确定性问题后指出a e 源定位位置的不确定度至少约达到4 9 0 9 6 9 5 8 r a m a 1 1 ， 故目前声发射源定位误差仍较大。 由上述声发射技术的发展历程可知声发射检测的目的是发现声发射源的位 置和得到有关声发射源尽可能多的信息，通过对探测到的声发射信号进行处理和 分析得到被探测材料和结构内部声发射源的大量信息。目前的研究主要集中在声 发射仪器的开发和信号处理方法的研究，对声发射信号传播特性的研究较少，且 如何选用合适的信号处理方法来分析声发射信号，既能正确地对声发射信号进行 描述，又能从大量噪声中提取出真实的声发射信号，这是进行正确声发射源识别 和定位的前提，这一技术至今也没得到很好的解决。 江苏大学硕士学位论文 1 3 本文研究的主要内容 在工程结构中实际检测到的声发射信号是经过多次反射或波型变换的复杂 波，在这些信号中试样或构件的固有频率部分得到了加强，并出现频散、信号波 形畸变、单峰波离散为多峰波、前沿钝化等，而且传感器和电子线路等对声发射 信号都有影响，若考虑背景噪声和其它辅助信息则声发射检测原理如图1 1 所示。 声发射 = 爿材料中传播i = = f l 换能器耦合 d 换能器b d 背景噪声 = = 雄断声发射源状态或严重度 磊、彘 蕊习可丽赢 声发射仪 ( 接收信号) 其它辅助 信息 图1 1 声发射检测原理框图 f i 9 1 1 t h ef l o wc h a n to f a c o u s t i ce m i s s i o nt e s t i n gp r i n c i p l e 针对前面论述的声发射技术发展中涉及到的问题，本文研究的主要内容是 研究声发射信号在一维、二维结构材料中的传播特性，同时结合先进的信号处 理方法，提出新的定位方法，从而改进声发射源时差定位的定位精度。以下是 本论文结构安捧： ( 1 ) 首先介绍本文的选题背景、理论依据、现实意义及声发射技术的发展 概况及其现状，阐述本课题研究的目的与意义。 ( 2 ) 在前人研究的基础上从理论上阐述声发射产生的原理，总结影响声发 射产生和传播的主要因素。 ( 3 ) 介绍声发射信号的表征参数及s w a e s 全波形声发射检测仪的功能、 软硬件的配置情况，讨论可能产生的噪声及其排除方法。 ( 4 ) 介绍小波变换的概念及其基本应用理论，特别从理论和数值仿真方面 详细论证g a b o r 小波时频分析的优点。 ( 5 ) 建立一维结构材料中声发射信号的传播模型，研究声发射信号在一维 结构材料中的传播特性，讨论静态缺陷对声发射信号的影响，提出一种新的声发 射源一维定位方法，并通过对实验得到的声发射时域信号进行g - a b o r 小波时频分 析，验证所建模型的正确性。 ( 6 ) 研究声发射信号在二维结构材料中的传播特性，建立薄板中声发射信 号的传播模型，提出两种新的声发射源平面定位方法，结合现有的定位技术讨论 静态缺陷对声发射信号的影响，提出对声发射源和静态缺陷同时进行定位的方 法，利用o a b o r 小波时频分析对实验得到的时域信号进行g a b o r 小波时频分析， 6 江苏大学硕士学位论文 验证这些方法的可行性。 ( 7 ) 论文总体工作的总结与回顾。 1 4 本文主要工作 1 理论论证g a b o r 小波时频分析的特性，用数值仿真举例说明g a b o r 小波 时频分析能够同时在时域和频域上表征声发射信号的分布、分离出不同频率的 波。 2 建立声发射信号在具有静态缺陷的一维结构材料中传播的模型，用数值 仿真方法验证模型的可行性；提出一种新的声发射源一维定位方法，将g a b o r 小波时频分析方法运用到声发射信号处理中，成功提取出钢棒中不同波群声发射 信号峰值的到达时间，提高时差定位精度。 3 建立声发射信号在二维薄板结构材料中传播的模型，讨论l a m b 波波动 方程的性质，计算得到声发射信号传播的对称和反对称基本模态；基于l a m b 波 频散特性和g - a b o r 小波时频分析方法，提出两种新的声发射源平面定位方法；基 于三角形定位、椭圆定位方法、l a m b 波频散特性和g a b o r 小波时频分析方法， 讨论静态缺陷对声发射信号的影响，初步探索动态缺陷、静态缺陷同时存在时的 缺陷定位问题。 附；本论文研究课题在国家自然科学基金“用于a e 检测的连续分布式o p c m 传巷机 理的研究( 5 0 3 7 5 0 6 9 ) ”项目资助下完成。 1 5 本文主要创新点 1 针对一维结构材料断裂产生的声发射信号传播特性，在研究全波形声发 射技术和g a b o r 小波时频分析等基础上，提出了引入透射波法进行声发射源定位 的新方法，这种方法只需一个传感器就可确定声发射源位置，比传统的用两个传 感器进行一维声发射源定位的方法少了一个传感器，并避免了不同传感器灵敏度 差异和门槛值设置不同对时差定位精度的影响。 2 针对同时存在静态、动态缺陷的一维结构材料，建立了具有静态缺陷的 一维结构材料中声发射信号传播的简化模型，并利用全波形声发射技术和g a b o r 小波时频分析进行了一维结构材料损伤定位研究。 3 针对传统的声发射源平面定位中各传感器灵敏度差异和门槛值设置不同 对时差定位精度影响较大的问题，通过研究弹性波在薄板中传播的特性即l a m b 7 江苏大学项士学位论文 验证这些方法的可行性。 ( 7 ) 论文总体工作的总结与回顾。 1 4 本文主要工作 1 理论论证c i a b o r 小波时频分析的特性，用数值仿真举例说明g a b o r 小波 时频分析能够寓时在时域和频域上表征声发射信号的分布、分离出不同频率的 波。 2 建立声发射信号在具有静态缺陷的一维结构材料中传播的模型，用数值 仿真方法验证模型的可行性；提出一种新的声发射源一维定位方法，将g a b o r 小波时频分析方法运用到声发射信号处理中，成功提取出钢棒中不同波群声发射 信号峰值的到达时间，提高时差定位精度。 3 建立声发射信号在二维薄板结构材料中传播的模型，讨论l a m b 波波动 方程的性质，计算得到声发射信号传播的对称和反对称基本模态：基于l a m b 波 频散特性和g a b o r 小波时频分析方法，提出两种新的声发射源平面定位方法；基 于三角形定位、椭圆定位方法、l a m b 波频散特性和g a b o r 小波时频分析方法， 讨论静态缺陷对声发射信号的影响，初步探索动态缺陷、静态缺陷同时存在时的 缺陷定位问题； 附；本论文研究课题在国家自然科学基金。用于a e 检测的连续分布式o p c m 传摩机 理的研究a 略7 5 帖9 ) ”项目资助下完成。 1 5 本文主要创新点 1 针对一维结构材料断裂产生的声发射信号传播特性，在研究全波形声发 射技术和c r a h o r 小波对频分析等基础上，提出了引入透射波法进行声发射源定位 的新方法，这种方法只需一个传感器就可确定声发射源位置，比传统的用两个传 感器进行一维声发射源定位的方法少了一个传感器，并避免了不回传感器灵敏度 差异和门槛值设置不同对时差定位精度的影响。 2 针对同时存在静态、动态缺陷的一维结构材料，建立了具有静态缺陷的 一维结构材料中声发射信号传播的简化模型，并利用全波形声发射技术和g a b o r 小波时额分析进行了一维结构材料损伤定位研究。 3 针对传统的声发射源平面定位中各传感器灵敏度差异和门槛值设置不同 对时差定位精度影响较大的问题，通过研究弹性披在薄板中传播的特性即l a m b 对时差定位精度影响较大的问题，通过研究弹性披在薄板中传播的特性即l a m b 江苏大学硕士学位论文 板波频散特性、借用模态声发射的概念将单个传感器接收到的信号利用c r a b o r 小波时频分析得到不同模态的峰值到达时间、并在引入速度因子概念的基础上， 讨论了两种不同的声发射源平面定位方法：同一频率不同模态的定位方法和同一 模态不同频率的定位方法，实验证明这两种方法都能得到模拟源的正确定位。这 两种方法不仅从根本上避免了上述问题，而且还可以减少平面定位中传感器的数 量，避免传统三角形定位中出现的伪定位，并适用于传统的声发射源平面定位中 不易布置传感器阵列的结构健康无损监测。 4 针对同时存在静态、动态缺陷的薄板结构材料，利用全波形声发射技术 实时记录声发射波形时域信号的特点，结合薄板中l a m b 波的频散特性和g a b o r 小波时频分析方法，研究并提出了一种新的实用定位方法，即采用三角形平面定 位方法反演动态缺陷位置、椭圆平面定位方法反演静态缺陷位置的方法：利用低 频时频散不明显的对称模态波速和同一时域信号经过g a b o r 时频分析得到的同 一频率不同波峰的相对时差来反演静态缺陷位置可避免波速变化和各传感器间 灵敏度差异对椭圆定位精度的影响；可定性分析静态缺陷的影响。 8 江苏大学硕士学位论文 第二章声发射理论和检测仪器 声发射检测过程可归纳为：在外界条件作用下结构材料缺陷或异常部位因应 力集中而形成声发射源，从声发射源发出