（机械制造及其自动化专业论文）基于小波分析的汽车起重机常用钢声发射源特性研究.pdf

0 1 1 l 1 i i i 、t17 812 4 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名j寺够 签字日期：加i 。年f 月心e l 导师签名： 衲古， 签字日期：加加年6 月藤名 j 中图分类号：t h l 6 5 + 3 u d c ：2 9 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 基于小波分析的汽车起重机常用钢声发射源特性研究 r e s e a r c ho nc h a r a c t e r i s t i c so fa c o u s t i ce m i s s i o ns o u r c eo f c o m m o n l y u s e ds t e e l so f a u t o m o b i l ec r a n eb a s e d o nw a v e l e t a n a l y s i s 作者姓名：齐伟 导师姓名：程卫东 学位类别：工学 学号：0 8 1 2 1 7 8 9 职称：副教授 学位级别：硕士 学科专业：机械制造及其自动化研究方向：先进制造系统与过程 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 r 1 j 1 j 致谢 本论文的工作是在我的导师程卫东副教授的悉心指导下完成的，程老师严谨 的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢老师在学 习、科研和生活上对我的关心和指导，因为有了老师的无私奉献，才让我能够圆 满完成学业! 在此向程老师表示深深的谢意! 衷心感谢李建勇老师、鄂明成老师、王恒老师、温伟刚老师两年来在学习上 和生活上给予了我很大的关心和帮助，在此向老师们表示衷心的谢意；感谢中联 恒工、农大王老师、石化学院窦老师在实验过程中对我的指导与帮助。 在实验室工作及撰写论文期间，实验室的同学及师弟师妹们对我的研究工作 给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 感谢家人对我的支持和鼓励，他们的理解和支持，默默无私的付出使我能够 在学校专心完成我的学业。也感谢陪我一路走来的朋友们。 j一， 虫塞摘要 中文摘要 摘要：本文研究内容涉及声发射检测技术在汽车起重机无损检测应用中几个 问题的研究。本论文的研究工作是国家8 6 3 计划重点项目“工程机械远程维护及 监控系统”课题3 ：“汽车起重机安全监控及预警应用系统研制中的关键技术研究” 的一部分，完成的主要工作有：( 1 ) 汽车起重机常用钢材弯曲实验及声发射信号特 性参数研究；( 2 ) 基于小波分析的声发射源信号波形特征提取；( 3 ) 基于小波包一相 关关系的声发射源定位方法研究。 本论文主要得到了以下结论： ( 1 ) 通过对汽车起重机常用钢w 9 6 0 ( w e l d o x 9 6 0 ) 钢和h g 7 0 钢的母材试件塑 性变形声发射特性研究，得到了w 9 6 0 、h g 7 0 钢声发射信号的幅值、能量、振铃计 数、上升时间、持续时间等参数特性； ( 2 ) 通过对汽车起重机常用钢w 9 6 0 、h g 7 0 焊接缺陷( 气孔、夹渣) 试件裂纹断 裂的声发射特性研究，得到了w 9 6 0 、h g 7 0 两种缺陷情况下的裂纹断裂声发射信号 的幅值、能量、振铃计数、上升时间、持续时间等参数特性，并且对这些特性进 行了比较分析； ( 3 ) 利用基于小波包特征能谱系数的声发射源特征提取方法，结合汽车起重机 常用钢试件塑性变形及裂纹断裂的声发射源信号，提取了不同声发射源信号特征； ( 4 ) 研究了基于小波包一相关的波形定位方法来求取两传感器信号时差，并通 过断铅实验数据的小波包一相关计算，得到的时差数据与理论时差吻合的很好。 本文所做的工作有助于提高对汽车起重机声发射源的认识，为汽车起重机声 发射检测及结果分析方法标准的制定提供帮助，对推动声发射技术在起重机行业 的应用具有重要意义。 关键词：汽车起重机；声发射检测；小波分析；特征提取；定位 分类号：t h l 6 5 + 3 l a bs t r a c t a b s t r a c t ：t h i sd i s s e r t a t i o ni n v o l v e st h ea p p l i c a t i o nr e s e a r c ho nt h ea c o u s t i c e m i s s i o n ( a e ) t e s t i n gt e c h n o l o g yf o rn o n - d e s t r u c t i v et e s t i n g ( n d t ) o fa u t o m o b i l e c r a n e t h er e s e a r c hi nt h i sd i s s e r t a t i o ni sap a r to ft h e8 6 3p l a np r o j e c t “t h er e m o t e m a i n t e n a n c ea n dm o n i t o r i n gs y s t e m so nt h ee n g i n e e r i n gp l a n t t o p i ct h r e e ：t h ek e y t e c h n i c a lr e s e a r c ho fa u t o m o b i l ec r a n es a f e t ym o n i t o r i n ga n dw a r n i n gs y s t e m s ”t h e m a i nt a s k sw eh a v ed o n ec o n t a i n ：( 1 ) t h er e s e a r c ho fb e n d i n gt e s t i n go f w 9 6 0 ( w e l d o x 9 6 0 ) a n dh g 7 0s t e e l s w h i c ha r ec o m m o n l yu s e df o rm a t e r i a l so f a u t o m o b i l ec r a n ea n dc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fa es i g n a l ( 2 ) t h ee x t r a c t i n go ft h e a es i g n a lw a v ef e a t u r e sb a s e do nt h ew a v e l e ta n a l y s i s ( 3 ) t h er e s e a r c ho nt h ea e s o u r c el o c a t i o nm e t h o db a s e do nt h ew a v e l e tp a c k e ta n a l y s i sc o m b i n e dw i t ht h e c r o s s c o r r e l a t i o nf u n c t i o n t h e s em a i nc o n c l u s i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) a c q u i r i n gt h ea ep a r a m e t e r c h a r a c t e r i s t i c so fp l a s t i cd e f o r m a t i o ns i g n a l t h r o u g ht h eb e n d i n gt e s t i n go f w 9 6 0a n dh g 7 0s t e e l s ，w h i c ha r ec o m m o n l yu s e ds t e e l s o fa u t o m o b i l ec r a n e t h ea ep a r a m e t e r si n c l u d ea m p l i t u d e ，e n e r g y , c o u n t s ，r i s et i m e a n dd u r a t i o n ( 2 ) a c q u i r i n gt h ea ep a r a m e t e r sc h a r a c t e r i s t i c so fc r a c kp r o p a g a t i o nf r a c t u r eb y s t u d y i n gt h ec r a c ks i g n a lf r o mt h eb e n d i n gt e s t i n go fw 9 6 0a n dh g 7 0s t e e l sw i t h w e l d i n gd e f e c ts u c ha sg a sp o r ea n ds l a gi n c l u s i o n a n dm a k eac o m p a r a t i v ea n a l y s i so n t h ea e p a r a m e t e r sc h a r a c t e r i s t i c s ( 3 ) c o m b i n i n gw i t ht h ea es i g n a l o fa u t o m o b i l ec r a n ec o m m o n l yu s e ds t e e l s p l a s t i cd e f o r m a t i o na n dc r a c kp r o p a g a t i o nf r a c t u r e ，m a k eu s eo ff e a t h e re x t r a c t i o n m e t h o do fa es i g n a lb a s e do nw a v e l e tp a c k e tf e a t u r ee n e r g yf r e q u e n c yc o e f f i c i e n tt o e x t r a c tt h ef e a t u r e so fd i f f e r e n ta es i g n a l ( 4 ) t h ea el o c a t i o nm e t h o db a s e do nt h ew a v e l e tp a c k e ta n a l y s i sc o m b i n e dw i t h t h ec r o s s c o r r e l a t i o nf u n c t i o nf o rt i m ed i f f e r e n c ec a l c u l a t i o nw a sr e s e a r c h e d b ym e a n s o fe x p e r i m e n t ，t h ep r a c t i c a lt i m ed i f f e r e n c ea c q u i r e db yt h i sm e t h o di sa n a s t i g m a t i c w i t ht h et h e o r e t i c a lv a l u e t h er e s e a r c ho ft h i sd i s s e r t a t i o nm a k eac o n t r i b u t i o nt oe n h a n c et h ec o m p r e h e n s i v e u n d e r s t a n d i n go f a es o u r c e so fa u t o m o b i l ec r a n ea n dc o n d u c tt ol a yaf o u n d a t i o nf o r t h em e t h o do fa et e s t i n ga n da n a l y s i so fa u t o m o b i l ec r a n e i ti so fv i t a l l yi m p o r t a n c e v l l 广llr i l ef i e l do fc r a n e w a v e l e t a n a l y s i s ； 目录 中文摘要v a b s t r a c t v i i l 绪论1 1 1课题来源及意义。1 1 2相关领域的发展及研究现状。2 1 2 1 声发射技术的研究及发展2 1 2 2 声发射技术在起重机检测中的应用现状4 1 2 3 小波分析的发展及其在声发射信号处理中的应用5 1 3需要解决的问题5 1 4论文主要研究内容及技术路线6 2汽车起重机常用钢塑性变形声发射特性研究9 2 1引言9 2 2声发射技术概述9 2 2 1 声发射检测原理9 2 2 2 声发射技术特点与应用9 2 2 3 声发射信号处理方法。l o 2 3塑性变形声发射源产生机理1 3 2 4塑性变形声发射检测实验1 6 2 4 1 实验装置及设备16 2 4 2 试件制备及传感器布置1 9 2 4 3 实验步骤一：2 0 2 5实验结果及信号特性参数分析2 1 2 5 1w 9 6 0 试件实验结果及分析2 1 2 5 2h g 7 0 试件实验结果及分析。2 4 2 6本章小结2 7 3汽车起重机常用钢裂纹断裂声发射特性研究2 9 3 1引言2 9 3 2裂纹声发射源产生机理2 9 3 3 裂纹断裂声发射检测实验：3 1 3 4实验结果及信号特性参数分析3 2 3 4 1w 9 6 0 试件实验结果及分析3 2 3 4 2h g 7 0 试件实验结果及分析3 5 3 5实验结果对比分析3 8 3 6本章小结3 9 4 基于小波分析的声发射信号波形特征提取4 1 4 1 引言4 1 4 2声发射信号本质特点4 l 4 3小波分析理论4 3 4 3 1 小波分析基础4 3 4 3 2 小波变换多分辨率分析4 4 4 3 3 小波包变换4 7 4 4 小波分析用于声发射信号处理的相关技术研究4 8 4 4 1 小波基的选取4 8 4 4 2 声发射信号分解尺度。5 l 4 4 3 声发射信号小波去噪5 2 4 5 基于小波包变换的声发射信号特征提取5 4 4 5 1 基于小波包变换的声发射信号特征能谱系数分析法。5 4 4 5 2 基于小波包变换的声发射信号特征提取5 5 4 6本章小结6 0 5 基于小波包相关分析的声发射源定位技术6 3 5 1引言6 3 5 2声发射源时差定位方法6 3 5 3定位误差分析6 4 5 4基于小波包一相关关系的时差确定方法6 5 5 5本章小结k 6 9 6总结与展望7 1 6 1总结7 1 6 2展望7 l 参考文献7 3 附录a 7 7 附录b 81 作者简历8 5 独创性声明8 7 学位论文数据集8 9 + _ 1 绪论 1 1课题来源及意义 本论文的研究工作是国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 重点项目“工程机 械远程维护及监控系统”课题3 ：“汽车起重机安全监控及预警应用系统研制中的 关键技术研究”的一部分。 工程机械已成为国民经济发展的重要产业【l 】。长期以来工程机械安全作业形势 十分严峻，工程机械产品由于其系统组成复杂，工作环境恶劣，通常要求高负荷、 长时间运行，加上维护保养体系的相对落后，因此系统经常会出现各种故障，机毁 人亡的重大事故时有发生，严重影响了建设项目的进度和效益并危害人民财产安 全。工程机械应用较普遍的起重机广泛应用于冶金、电力、物流、机械制造、建 筑业等国民经济各行业中，在役设备数量增长较快。据统计，2 0 0 3 年底在用起重 设备总量为5 5 6 万台，2 0 0 6 年为8 2 3 6 万台，而2 0 0 7 年底增至9 5 7 9 万台i z 洲。目 前，起重机械朝着大型化、高速化方向发展，随着起重机数量的迅速增加，其机 械承载结构的故障检测已经引起了人们普遍重视。随着在役设备总量的迅速增加， 尤其对于走向国际市场的中国汽车起重机企业，如何通过在线监控进行设备实时 状态评估，对于指导维护和降低故障率具有重要意义。 5 0 0 4 0 0 3 0 0 数量 2 0 0 1 0 0 o 2 0 0 l2 0 0 32 0 0 b2 0 0 ，2 0 0 9 年份 四事故起数日死亡人数 图1 1 起重机事故及死亡人数统计 起重机械的安全运行关系到人民生命和财产安全以及社会稳定，是国家公共 安全的重要组成部分。汽车起重机吊臂折断及支架断裂是其常见的恶性事故【4 】，采 用合理有效的检测技术和识别方法，实现裂纹的在线检测是本课题的技术难点之 一。2 0 0 8 年我国共发生特种设备事故3 0 7 起，死亡3 1 7 人，受伤4 6 1 人，直接经 济损失9 7 8 9 4 8 万元，其中起重机械事故就有5 4 起。据美国一家网站公布的数据 显示，近年来美国起重机意外事故及死亡人数总体呈上升趋判5 1 ，如图1 1 所示。 汽车起重机区别于其他类型起重机的最大特点在于它的流动性，作业场所和 环境多变、汽车的行驶功能和起重功能兼备以及复杂的结构，使操作难度增大。 除了一般起重事故，如由吊具损坏、捆绑不当、机构故障、结构件破坏、人为等 原因造成的重物坠落以及一般机械伤害事故外，汽车起重机常见事故主要包括丧 失稳定性导致的倾翻、臂梁缺陷，以及在转移作业场地过程中发生的交通事故等【6 1 。 因此，汽车起重机的状态检测及故障诊断更应受到重视。 在起重机行业丌展无损检测，是保证其安全运行的重要手段。为此，国家高 技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 重点项目“工程机械远程维护及监控系统”课题3 “汽车起重机安全监控及预警应用系统研制”，将“基于声发射检测技术的汽车起 重机关键结构件状态检测”列为主要研究内容之一，本论文的研究内容围绕该课 题展开，是课题3 的重要组成部分。本文的研究成果将有助于提高对起重机的声 发射源特征的认识，有助于实现起重机关键结构件实时在线检测，对推动声发射 技术在起重机行业的应用发展、保障起重机的安全运行具有重要意义和实用价值。 1 2相关领域的发展及研究现状 1 2 1声发射技术的研究及发展 声发射和微振动都是自然界中时时发生的自然现象，尽管无法考证人们何时 首次听到声发射，但诸如树技折断、岩石破碎等断裂过程无疑是人们最早听到的 声发射信号。可以十分肯定地推断“锡鸣”是人们首次观察到的金属中的声发射 现象，因为纯锡在塑性变形期间机械栾晶产生可听到的声发射，而铜和锡的冶炼 可追朔到公元前3 7 0 0 年。 现代声发射技术的开始以k a i s e r 上世纪五十年代初在德国所作的研究工作为 标志1 7 。他观察到铜、锌、铝、铅、锡、黄铜、铸铁和钢等金属和合金在形变过程 中都有声发射现象。其最有意义的发现是材料形变声发射的不可逆效应，即：“材 料被重新加载期间，在应力值达到先前加载最大应力之前不产生声发射信号”。现 在人们称材料的这种不可逆现象为“k a i s e r 效应。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。 五十年代末，美国人s c h o f i d d 和t a t r o 经大量研究发现金属塑性变形的声发射 主要由大量位错运动引起【8 】，而且还得到一个重要结论：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研究工作，首次提出声发 射可以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 有独特的潜在优势 9 1 。 2 六十年代初，g r e e n 等人首先开始了声发射技术在无损检测领域方面的应用， d u n e g a n 首次将声发射技术应用于压力容器方面的研究。在整个六十年代，美国和 日本丌始广泛地进行声发射的研究工作，人们除开展声发射现象的基础研究外， 还将这一技术应用于材料工程和无损检测领域。关国于1 9 6 7 年成立了声发射工作 组，同本于1 9 6 9 年成立了声发射协会。 七十年代初，d u n e g a n 等人开展了现代声发射仪器的研制，他们把实验频率提 高到1 0 0 k h z 1 m h z 的范围内，这是声发射实验技术的重大进展，现代声发射仪器 的研制成功为声发射技术从实验室研究阶段走向在生产现场用于监视大型构件的 结构完整性创造了条件。 随着现代声发射仪器的出现，整个七十年代和八十年代初人们从声发射源机 制、波的传播到声发射信号分析丌展了广泛、系统、深入的研究工作。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【1 0 - 12 1 。 八十年代初，美国p a c 公司将现代微处理计算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 能检测和数据分析软件，通过计算机控制，可以对被检测构件进行实时声发射源 定位检测和数据分析显示。由于第二代声发射仪器体积和重量小易携带，从而推 动了八十年代声发射技术进行现场检测的广泛应用。另一方面，由于采用微处理 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，仪器 的信息存储量巨大，从而提高了声发射检测技术的声发射源定位功能和缺陷检测 准确率。 进入九十年代，美国p a c 公司、美国d w 公司和德国v a l l e ns y s t e m e 公司先 后分别开发生产了计算机化程度更高、体积和重量更小的第三代数字化多通道声 。 发射检测分析系统，这些系统除能进行声发射参数实时检测和声发射源定位外， 还可直接进行声发射波形的观察、显示、记录。 我国于七十年代初首先开展了金属和复合材料的声发射特性研究，八十年代 中期声发射技术在压力容器和金属结构的检测方面得到应用，目前我国已在声发 射仪器制造、信号处理、岩石、压力容器、管道等领域开展了广泛的研究和应用 工作【1 3 , 1 4 】。 为了正确描述声发射源的特征，选用合适的声发射信号处理方法【l5 】是声发射 检测技术发展中的难点和研究热点。目前，声发射信号的处理方法主要有：基于 参数的分析方法和基于波形的分析方法。前者分析方式简单，速度快，实时性好， 且便于检测人员掌握和操作，然而声发射信号特性参数只是对声发射信号波形的 有限特征的描述【l6 1 ，用其表征整个声发射源的特征有一定局限性。后者是通过分 析声发射信号的时域波形和频谱特征来获得信息的一种信号处理方法，主要方法 包括频谱分析法、模态声发射分析、时频分析法、人工神经网络等【1 7 埘】，其中时 频分析中分析瞬念、非平稳、随机信号的有效工具小波分析方法是目前声发射信 号处理方法研究的热点【2 2 - 2 6 1 ，主要应用于声发射信号的特征提取以及声发射源定 位分析。本文将小波分析方法用于声发射信号的分析，提取特征并进行定位方法 研究。 1 2 2 声发射技术在起重机检测中的应用现状 因焊接缺陷或裂纹导致的折臂、断裂等结构件损伤是引发汽车起重机安全事 故的一大主因，如何预防并有效控制汽车起重机折臂断裂事故的发生，对减少人员 和设备财产损失、促进安全生产具有重要意义。我国汽车起重机技术水平高、产 量大的生产厂家主要有徐工、中联等企业，但在结构件变形、断裂等涉及汽车起 重机施工安全的关键技术方面尚未形成成熟的解决方案。 目前，汽车起重机故障诊断中常用的无损检测技术有宏观检查、磁粉、渗透、 超声等。现代科学技术的进步不断推动着无损检测技术的发展，声发射技术弥补 了常规无损检测方法的不足，其应用领域也在不断的拓展( 如石油化工、电力等 领域) ，但在起重机会属结构缺陷检测及结构完整性评价方面的研究还较少，而且 目前尚无起重机声发射检测技术方面的标准【2 7 】。 最早的应用是c a r l y l e ，j m 在5 0 t 港1 2 门座起重机上进行的声发射测试，g o r d o n rd r u m m o n d 等采用了声发射线性定位方法检测了航空母舰上的电动桥式起重机 主梁的载荷实验过程【2 引，其研究指出，与仅进行载荷测试相比，结合定期的载荷 测试和声发射检测可以获取更多的关于起重机主梁完整性的信息；采用声发射技 术不但能定性的分析威胁完整性的裂纹等缺陷，同时也可以进行定量分析。 目前，国内关于声发射技术在起重机金属结构中的无损检测和完整性评价方 面的研究和应用还没有形成成熟的研究和应用方法。骆红云等对某港口的翻车机c 型环和装船机的主梁部件，采用区域、线性、平面等十几个定位阵列，进行了声 发射实时检测，并对声发射源进行了危险等级划分【2 9 】；田建军等进行了q y 8 c 型 汽车起重机臂梁起吊过程的声发射检测【3 0 】，指出在重要受力支撑点和变截面应力 分布不均匀位置，有较多的声发射信号产生。 现有文献主要描述声发射源的参数特征，缺乏对声发射源波形、频谱特征的 详细描述；一些文献也提到了存在摩擦等干扰信号源，但没有对干扰源的本质特 征进行分析，也没有提出如何解决干扰源的识别问题。 在起重机声发射检测方法的标准方面，现有的是美国 a s t m ( a m e r i c a n 4 s o c i e t yf o rt e s t i n ga n dm a t e r i a l s ) 的f 9 1 4 0 3 和f 1 4 3 0 0 3 标准【3 1 3 2 1 ，其主要是针 对绝缘高耸载人设备的声发射检测的标准测试方法，国内尚无起重机声发射检测 相关标准。国外已有一些公司在起重机无损检测中应用声发射技术，但大多局限 于高耸载人设备或起重机玻璃纤维部件。 1 2 3小波分析的发展及其在声发射信号处理中的应用 小波分析( w a v e l e ta n a l y s i s ) f 拘提出最早可以追溯到19 10 年h a r t 提出的h a r r 函数，但直到2 0 世纪8 0 年代中期由法国科学家g r o s s m a n 和m o f l e t 在进行地震信 号分析时提出才发展起来并成为一门数学理论和方法。1 9 8 6 年在著名数学家 y m e y e r 偶然构造出一个真正的小波基函数，并与s m a l l a t 合作建立了构造基本小 波的统一方法及其多尺度分析之后，小波分析开始蓬勃发展。s m a l l a t 基于多分辨 分析思想，提出了对小波应用起重要作用的m a l l a t 算法，该算法在小波分析中的 地位相当于f f t 在经典f o u r i e r 变换中的地位；比利时女数学家i d a u b e c h i e s 撰写 的小波十讲( t e nl e c t u r e so nw a v e l e t s ) 3 3 j 对小波的普及具有重要的作用。 小波分析的出现被认为是傅立叶分析的突破性进展。小波变换的基本思想类 似于f o u r i e r 变换，即用信号在一簇基函数形成空间上的投影表征该信号。经典的 f o u r i e r 变换把信号按三角正、余弦基展开，将任意函数表示为具有不同频率的谐 波函数的线性迭加，能较好地描述信号的频率特性，但它在时域上无任何分辨能 力，不能作局部分析。这在理论和应用上都带来了许多不足。为了克服这一缺陷， 提出了加窗f o u r i e r 变换。通过引入一个时间局部化“窗函数”改进了f o u r i e r 变换 的不足，但其窗口大小和形状都是固定的，并没有从根本上弥补f o u r i e r 变换的缺 陷。而小波变换在时域和频域同时具有良好的局部化性能，有一个灵活可变的时 间频率窗，与f o u r i e r 变换、加窗f o u r i e r 变换相比，它能更有效的从信号中提取 信息，通过伸缩和平移等运算功能对函数或信号进行多尺度细化分析( m u l t i s c a l e a n a l y s i s ) ，解决了f o u r i e r 变换不能解决的许多问题。 。 现在，对于性质稳定不随时间变化的信号，处理的理想工具仍然是傅立叶分 析。但是在实际应用中绝大多数信号是非稳定的，而特别适用于非稳定信号的工 具就是小波分析【3 4 1 。在声发射信号处理方面主要利用小波分析的信噪分离和良好 的时频局部化特性，以提取声发射信号的特征，达到识别声发射源的目的。另外 一个重要的作用是，分离出某些我们感兴趣的频率的信号，并用这些相对稳定的 信号( 无频散，即波速一定) 到达不同传感器的时间，实现声发射源的精确定位。 1 3需要解决的问题 5 j 匕塞变道厶堂亟堂位i 金塞 目前，声发射检测技术在汽车起重机无损检测应用中急需解决的问题有： 1 ) 汽车起重机常用钢弯曲过程的声发射源特性研究。 声发射检测的前提是了解被检测对象的声发射源特性，包括声发射信号的参 数特征和信号波形特征等，但目前在汽车起重机行业其应用研究刚刚起步，对声 发射实验及声发射源的认识均是空白。通过声发射仪器检测起重机常用钢材的弯 曲实验过程，研究小型试件中材料形变、裂纹的声发射特性，获取裂纹扩展的典 型信号的声发射特性，包括声发射参数特征、定位特征和频谱特征。 2 ) 汽车起重机工作过程的声发射源及特性研究。 通过对在役汽车起重机进行声发射检测，系统地获取汽车起重机工作过程中 典型工况下的声发射源及可能遇到的多种干扰源的声发射特性，包括环境噪声、 电器干扰、设备噪声、钢丝绳卷扬噪声、结构摩擦噪声信号等；对起重机主要结 构件支腿及臂梁上的声发射衰减特性、声速测量、定位方法及可行性进行研究， 为声发射现场检测中传感器布置、检测方案和定位方法的制定提供指导。 1 4论文主要研究内容及技术路线 本课题的研究技术路线见图1 2 。从汽车起重机常用钢试件三点弯曲实验过程 的声发射特征入手，通过小型试件的弯曲实验，获取汽车起重机金属构件常见的 典型声发射源特性及规律；通过对在役汽车起重机进行声发射检测及分析，系统 地获取汽车起重机工作过程中典型工况下的声发射源及可能遇到的多种干扰源的 声发射特性。通过基于小波分析的声发射信号特征提取方法研究，达到对汽车起 重机工作过程中典型声发射源的识别，并进行小波包一相关声发射源定位方法研 究。 本论文作为课题研究的一部分，具体研究内容如下： ( 1 ) 汽车起重机常用钢材弯曲实验及声发射信号特性参数分析 通过声发射仪器检测汽车起重机常用钢w 9 6 0 钢和h g 7 0 钢的母材和典型焊接 缺陷试件的三点弯曲实验，获取小型试件中材料塑性变形及裂纹断裂的声发射源 信号，并进行声发射信号特性参数研究。 ( 2 ) 基于小波分析的声发射源信号波形特征提取 研究小波分析用于声发射信号处理，分析小波基的选取方法，分析小波( 包) 分解尺度范围，利用基于小波包特征能谱系数的声发射源特征提取方法，结合实 测数据，实现声发射信号的特征提取。 ( 3 ) 基于小波包一相关关系的声发射源定位方法研究 研究声发射源时差定位技术，分析其定位误差产生原因，利用基于小波包一 6 相关关系的方法求取时差，进行声发射源信号定位方法研究。 图l - 2 技术路线图 7 8 2 汽车起重机常用钢塑性变形声发射特性研究 2 1引言 材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象称为声发射，有时也称 为应力波发射【1 1 , 3 5 】。声发射源，是指声发射事件的物理源点或发生声发射波的机 制源。在工程材料中，有许多损伤与破坏机制可产生声发射源，涉及的范围非常 广泛。在汽车起重机声发射检测应用中，我们重点研究起重机常用钢的两种声发 射源：塑性变形及裂纹断裂。本章主要进行汽车起重机常用材料的塑性变形声发 射源特性研究。 2 2 声发射技术概述 2 2 1 声发射检测原理 材料内部由于塑性变形或出现裂纹将产生声发射现象。声发射检测技术原理 如图2 1 所示，从声发射源发出的弹性波传播到达材料的表面，引起可以用声发射 传感器探测的表面位移，传感器将材料的机械振动转换为电信号，然后再被放大、 处理和记录。 图2 - 1 声发射检测技术原理图 声发射检测的主要目的有：确定声发射源的部位；分析声发射源的性质， 评定声发射源的严重性；确定声发射发生的时间或载荷。一般而言，对检测到 的异常声发射源，有时还要用其它无损检测方法进行局部复检，以精确判定缺陷 的性质与大小。 2 2 2 声发射技术特点与应用 9 声发射技术与其他无损检测方法相比，具有两个基本差别：( 1 ) 检测动态缺 陷，如缺陷扩展，而不是检测静态缺陷；( 2 ) 缺陷本身发出缺陷信息，而不是用 外部输入对缺陷进行扫查。这种差别导致该技术具有以下优点及局限性。 声发射检测技术主要优点： ( 1 )可检测对结构安全更为有害的活动性缺陷。由于提供缺陷在应力作用 下的动态信息，适于评价缺陷对结构的实际有害程度。 ( 2 )对大型构件，可提供整体或大范围快速检测。由于不必进行繁杂的扫 查操作，而只要布置好足够的传感器，经一次加载或实验过程，就可以确定缺陷 的部位，从而易于提高检测效率。 ( 3 ) 可提供缺陷随载荷、时间、温度等外变量而变化的实时或连续信息， 因而适用于工业过程在线监控及早期或邻近破坏预报。 ( 4 ) 由于被检件的接近要求不高，而适于其他方法难于或不能接近环境下 的检测，如高低温、核辐射、易燃、易爆及极毒等环境。 ( 5 ) 由于对构件的几何形状不敏感，而适于检测其他方法受到限制的形状 复杂的构件。 相对的，声发射检测技术的主要局限性有： ( 1 ) 声发射特性对材料甚为敏感，又易受到机电噪声的干扰，因而，对数 据的正确解释非常重要。 ( 2 ) 由于声发射的不可逆性，实验过程的声发射信号不可能通过多次加载 重复获得，因此，每次检查过程获取的信号都非常宝贵。 ( 3 ) 声发射检测目前只能给出声发射源的部位、活性和强度，不能给出声 发射源内缺陷的性质和大小，声发射检测所发现缺陷的定性定量，仍需依赖于其 它无损检测方法进行复验。 由于上述特点，现阶段声发射技术主要用于：1 ) 其他方法难以或不能适用的 对象与环境；2 ) 重要构件的实时检测与综合评价；3 ) 与安全性和经济性关系重 大的对象。所以说，声发射技术不是替代传统方法的，而是一种新的补充手段。 目前人们已将声发射技术广泛应用于许多领域，主要包括石油化工工业：低 温容器的检测和结构完整性评价，常压贮罐的底部泄漏检测，阀门的泄漏检测， 埋地管道的泄漏检测等；民用工程：楼房、桥梁、起重机、隧道、大坝的检测， 水泥结构裂纹开裂和扩展的连续监视等；航天和航空工业：完整结构或航空器的 疲劳实验，发动机叶片和直升机叶片的检测，航空器的在线连续检测，飞机壳体 的断裂探测等；金属加工：刀具磨损和断裂的探测等。 2 2 3 声发射信号处理方法 l o 4 目前声发射信号处理方法【4 1 】可分为两大类： ( 1 ) 以多个简化的信号特性参数来表示声发射信号的特征，然后对这些特性参 数进行分析和处理【3 6 】； ( 2 ) 存储和记录声发射信号的波形，对波形进行分析处理。 2 2 3 1 声发射信号特性参数 简化波形特征参数分析方法是广泛使用的经典的声发射信号分析方法，目前 在声发射检测中几乎所有声发射检测标准对声发射源的判据均采用简化波形特性 参数。图2 2 是声发射信号特性参数定义示意图。 图2 - 2 声发射信号特性参数的定义 l 、声发射事件计数( e v e n tc o u n t s ) 、撞击( h i t ) 和撞击计数 声发射从物理本质上讲是一次材料局部变化活动而释放能量产生瞬态弹性波 的现象。一个声发射事件是指当有一次源活动产生时，声发射信号从第一次越过 门槛值的振铃信号时刻起，在规定的时间内，如果没有新的越过门槛值的振铃信 号产生，那么就说明一次源活动结束，这个过程就称为一个事件。 撞击是指超过门槛并使某一通道获取数据的任何信号，撞击计数则是系统对 撞击的累计计数，可分为总计数和计数率，计数率是单位时间的累计个数。 当一个声发射事件发生时，信号通过介质传播可能被几个传感器接收并形成 几个撞击，所以，一个声发射事件是指一个或几个撞击所鉴别出来的一次材料局 部变化。声发射事件计数即声发射事件的累计，可以分为总计数和计数率两种， 不仅可以反映声发射事件的总量，也可以反映声发射事件的频度，主要用于声发 射源的活动性和定位集中度的评价。同样，撞击计数也可以反映声发射活动的总 量和频度，通常用于声发射活动性评价。 2 、振铃计数( c o u n t s ) 振铃计数是最通用的声发射评估参数。当一个事件撞击传感器时，它使传感 器产生振铃，所形成的超过阈值的电信号的每一次振荡均计为一个振铃计数。振 铃计数即信号越过门槛的振荡次数，可分为总计数和计数率。 振铃计数的引入使信号处理简便化， 类信号，又能粗略反映信号强度和频率， 样的信号在门槛不同时振铃计数会不同， 而且受门槛高低偏差而变化较大。 3 、幅值( a m p l i t u d e ) 适宜于表征突发声发射和连续声发射两 因而广泛用于声发射活动性评价。但同 若将门槛提高，振铃计数会有所减少， 声发射信号波形的最大振幅值，通常以d b 表示，定义传感器输出l , u v 时为 0 d b ，则幅值为圪，的声发射信号的幅值d b 可由下式算出： 据= 2 0 1 9 高v ( 2 1 ) 幅值是声发射信号的重要参数，与事件的大小有直接关系，不受门槛的影响， 直接决定事件的可测性，常用于波源的类型鉴别，强度及衰减的测量。 4 、持续时间( d u r a t i o n ) 事件信号第一次越过门槛至最终降至门槛所经历的时间间隔。它与振铃相关， 近似于振铃计数与传感器每次振荡时间周期的乘积。与振铃计数十分相似，常用 于特殊波源类型和噪声的鉴别。 5 、上升时间( r i s et i m e ) 上升时间是信号第一次越过门槛至最大振幅所经历的时间问隔。表示信号超 过门槛水平到峰值所经过的时间。 6 、能量( e n e r g y ) 能量是事件信号检波包络线下的面积，可分为总计数和计数率。能量计数可 以反映事件的相对能量或强度，对门槛、工作频率和传播特性不甚敏感，可取代 振铃计数，也用于波源的类型鉴别。 7 、有效值电压( r m s ) 有效值电压( r m s ) 是采样时间内信号电平的均方根值，与声发射的大小有关。 不受门槛的影响，尤其适用于连续型信号，主要用于连续型声发射活动性评价。 2 2 3 2 声发射信号特性参数分析方法 1 、声发射信号特性参数的列表显示和分析 列表显示是将每个声发射信号参数进行直接显示，包括信号到达时间，各个 声发射信号参数等。 2 、声发射信号单参数分析方法 早期的声发射仪器只能得到计数、能量或者幅度等很少的参数，因此人们早 期对声发射信号的分析和评价通常采用单参数分析方法，最常用的单参数分析方 法为计数分析法、能量分析法和幅度分析法等。 ( 1 ) 计数分析法：常用的有事件计数率与振铃计数率及它们的总计数法。计 1 2 数法的缺点是易受样品几何形状、传感器的特性及连接方式、门槛电压、放大器 和滤波器工作状况等因素的