（机械设计及理论专业论文）基于labview的裂纹扩展声发射信号分析.pdf

“，：ii ad i 。ijir、 引 1 j 本人声明，所呈 的研究成果除加以标 的研究成果，也不包 作的同志对本研究所 意。 学 本学位论文作者 文的规定：即学校有 磁盘，允许论文被查 或部分内容编入有关 ( 如作者和导师不同 学位论文作者签名： 签字日期： f 0 k b 东北大学硕士学位论文 摘要 基于l a b v i e w 的裂纹扩展声发射信号分析 摘要 随着声发射设备的不断更新换代，声发射技术已经在压力容器、管道、大型构件完 整性评估、设备状态监测等领域得到了广泛应用，但对裂纹扩展全过程的声发射信号分 析较少。 此外，受a e 丽n 配套软件权限的制约，声发射信号的处理需要有一个更为灵活、 可在任意一台电脑上运行的软件平台。本文即是在这样的研究需求背景下，采用l a b e w 软件开发了可对单h i t 进行波形、频谱分析，对h i t 特征参数进行统计学分析的实用软 件平台。并利用该软件成功的处理、分析了2 a 1 2 铝合金母材及其摩擦焊接试样在静拉 伸实验和疲劳实验中的声发射数据。 本文绘制了2 a 1 2 铝合金母材及其摩擦焊接试样( 9 5 0 3 0 0 ，7 5 0 1 5 0 ) 拉伸过程的应 力应变曲线、a e 特征参数统计图、累积图，并分析了试样拉伸各应力阶段的a e 信号 特征。通过对四种摩擦焊接试样的拉伸强度极限、o 6 5 m 阮和6 5 1 3 0 脱p 口下的振铃 累积计数和能量累积计数进行对比分析，发现摩擦焊接试样( 9 5 0 3 0 0 ) 的拉伸综合性能 最好；并且发现，a e 特征参数累积计数对搅拌头转速很敏感：转速越高，两板材的“混 融 程度越高，缺陷越少、越小，a e 信号也越少、强度越小；转速越低，两板材的“混 融 程度越低，缺陷越多、越大，a e 信号也越多、强度越大。 本文对2 a 1 2 铝合金母材低周疲劳试验试样做了断口分析，绘制了疲劳试验a e 特 征参数统计图、累积图和振铃h i t 比值图，划分出了a e 信号对应疲劳断裂的各阶段； 并且发现两次主裂纹合并对应着三个高强度脉冲信号。 本文还对试样疲劳断裂各阶段的共8 个h i t 进行a e 波形分析和频谱对比分析，得 出2 a 1 2 铝合金裂纹扩展二通道的a e 信号特征频率为2 2 5 k h z 2 5 0 姐z 和3 5 0 m z 5 0 0 k h z 的结论。 关键词：a e ；声发射；l a b e w ；裂纹；信号分析； i i ? 声、 粤 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t a n a l y s i so f a c o u s t i ce m i s s i o ns i g n a lo f c r a c kg r o w t hb a s e do nl a b e w a bs t r a c t w i t l lt h cd e v e l o p m e mo fa c o u s t i ce m i s s i o ne q u i p m e m ，t l l ea c o u s t i ce r n i s s i o nh a sb e e n 印p l i e di i lt h e a s s e s s m e n t 砒l dm o n i t o r i n go fp r e s s u r ev e s s e l ，p i p e l i n e ，a i l dl a r g e s a l e s t m c t u r e se t c h o w e v i t s 印p l i c a t i o ni nm es i 印a la i l a j y s i so fc r a l ：k sd e v e l o p m e n ti sv e r ) ， f e w ： i i la d d i t i o i l ，r e 嘶c t e d b y 血er i 出o fa e w i l ls o 胁a r ec o m p l e m e n t e d ，此p r o c e s so f a c o u s t i ce n l i s s i o ns i 印a ld e m a i l d sas o r 眦ep l a t f o 珊谢t l lm o r ea g i l i 劬w k c hc a i lb er u ni i l 锄yc o m p m e r u n d e rm i sb a c k 伊o u n d ，w ed e v e l o p ap r a c t i c a ls o 胁a r ep l a t f o mw i t l l l a ：b e ws o f t w a r ef 0 ra n a l y z i n g 也ew a v e f o r ma n ds p e c t m mo fs 证出eh i t 姐dc h 王i r 2 l c t e r i s t i c p 猢e t e r so fh i t a tt l l es 锄e 佃n e ，、eu s et h i ss o 行w a r et 0p r o c e s s 龇l d 锄m y z et l l ed a t ao f a c o u s t i ce m i s s i o n 矗r o ms t a t i ct e n s i l et e s ta j l df a t i g u et e s to f2 a 12a l u i n i n 啪锄di t s 衔c t i o n s t i r 、耽l d i n gs p e c i m e n ss u c c e s s m l l y i nt h i sp a p e r ，t h et e n s i l es 仃e s s s t 妇c u i v e ，s t a t i s t i c a lc h 矾so fa ec h a r a c t 耐s t i c p a r a m e t e r 锄dt l l ea c c u m u l a t i o nf i g u 鹏、v a sd r a w nf o r 衔c t i o ns t i rw e l d i i 培( 9 5 0 3 0 0 ，7 5 0 15 0 ) s p e c i m e n so f2 a l2m u m i n u ma n da l 啪i n 啪a 1 1 0 y a es i g n a lc h 2 l r a c t e r i s t i cf o rm et e s t i n g 嘲g e so fm es p e c i m e nw a sa n g l i c i z e d ，n l e 锄a l y s e sf o rm eu l t i m a t es t r e n g t ho f 恤f o u r 衔c t i o ns 血、e l d i n gs p e c i i n e i l s ，a c c 啪u l a t i o nc o u n tu 1 1 d e r0 6 5 m p a 趾d6 5 13 0 m p aa n d e n e r g ya c c u m u l a t i v ec o u n t ，s h o w sm a t t h e 伍c t i o ns 血、e l d i n gs p e c i i i l e n ( 9 5 0 3 0 0 ) h a sb e t t e r i m e g r a t e dp e r f o 姗锄c e a es t a t i s t i c a lp a r a m e t e ri sm g h l ys e n s i t i v et ot l l er o t a t i o ns p e e do fm e w e l d i n gt 0 0 1 w i t l lm e1 1 i g h e r 廿1 er o t a t i o ns p e e d ，t l l em a t e r i a lo fm ew e l d i n gl i n ei sm i x e d b e t t e r 诵mf e w e ra n ds m a l l e rd e f e c t s ，a n d 缸1 ea es i 趴a l 锄di t s 概埘i s1 e s s ( ) nt h e c o n t r a 巧f o rt ：h el o w e rt l l er o t a t i o ns p e e d ，t 1 1 em a t e r i a lo f t l l ew e l d i n gl i n ei sm i x e dw o r s ew i m m o r ea i l db i g g e rd e f e c t s ，a l l dt 1 1 ea es i 朗a la i l d “si n t e l l s i 够i s 铲e a t e r w em a k et l l e 铂触l r ea i l a l y s i so fs p e c 沛e n so f2 a 1 2a h l i i l i n l l i nu 1 1 d e rl o wc y c l ef a t i g u e ， p l o tt l l es t a t i s t i c 2 l lc h 缸o fa ec 慨r i s t i cp a r 锄e t e ri nf a t i g u et e s t ，c u m l a t i v ec h a i ta n d e x p o 似i o nh i tr a t ec h a r t ，a 1 1 dm a r ko f ft l l es t a g e so fa es i g l l a lc o l l r e s p o n d i n gt 0f a t i g u e 丘a c t u r e i tf o u n d e dt 1 1 a tt 、啊c em a i nc r a c km e 玛ec o r r e s p o n d st 0t l l r e ek g h - i m e n s i t ) ri m p u l s e s i g n a l s i n n l i sp a p e r w ea l s oa i l a l y z et h ea ew a v e f o mo f t o t a le i 出h i tf o ra l ls t a g e so f t h e - i i i _ 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t f a t i g u e 触c t u r es p e c i m e i l s ，a n ds p e c m l i l lc o m p a r i s o n i ti s c o n c l u d e dt 1 1 a ta es i 印a l c h a r 2 u c t e r i s t i c 丘e q u e n c yo fc m c kd e v e l o p m e mo f 2 a122 l l u m i n u ma l l o yi ns e c o n dc h 籼e la r e 2 2 5l 【h z 2 5 0k h z 锄d3 5 0k h z 5 0 0k h z k e yw o r d s ：a e ；a c o u s t i ce i i l i s s i o n ；l a b e w ；c r a c k ；s i 盟a la n a l y s i s 粤 卜 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t iii 1 第1 章绪论1 1 1 声发射技术概念及原理1 1 2 声发射技术的特点与应用2 1 2 1 声发射技术的优点2 1 2 2 声发射技术的局限性2 1 2 3 声发射技术的应用2 1 3 声发射技术发展史和研究现状3 1 3 1 声发射技术发展史3 1 3 2 国外研究现状3 1 3 3 国内研究现状4 1 4la b v i e w 介绍4 1 5 本文研究的主要内容、特色及创新之处6 1 5 1 本文研究的主要内容6 1 5 2 特色及创新之处6 第2 章声发射信号的产生机理8 2 1 塑性变形过程中的声发射8 2 2 裂纹形成和扩展过程中的声发射9 一第、3 章声发射信号分析理论1 0 3 1 凯塞j 1 5 1 ， ；1 2 ：，j 蜞i 簖j 1 0 3 2 声发射信号处理方法。1 0 3 2 1 特征参数法1 1 3 2 2 频谱分析法12 3 3 试验数据的格式转换1 3 3 4 缺陷有害岗坪价及分类方法1 4 v 东北大学硕士学位论文目录 3 4 1 按升压过程声发射频度分类1 4 3 4 2 按声发射源活动性和强度分类1 4 3 4 3 按保压期间的声发射特性分类1 5 3 4 4 缺陷有害度综合评定法1 6 3 5 本章小结1 9 第4 章l a b e w 下编程处理a e 信号2 0 4 1 单h 瞳t 分析程序设计2 0 4 1 1 程序流程设计2 0 4 1 2 分析界面设计2 1 4 1 3g 语言程序2l 4 2h j t 批处理分析程序设计2 4 4 2 1 批处理程序流程设计2 4 4 2 2 分析界面设计。2 4 4 2 3g 语言程序2 5 4 3 分析结果输出程序设计2 7 4 3 1 分析界面设计2 7 4 3 2g 语言程序2 7 4 4 本章小结2 8 第5 章2 a 1 2 铝合金拉伸实验与分析2 9 5 12 a 1 2 铝合金拉伸实验设计2 9 5 1 1 实验目的2 9 5 1 2 实验加载设备3 0 5 1 3 声发射仪参数设置3 1 5 2 拉伸结果分析 5 2 1 母材应力应变与声发射分析3 1 5 2 2 摩擦焊( 9 5 0 3 0 0 ) 应力应变与声发射分析3 5 5 2 3 摩擦焊( 7 5 0 1 5 0 ) 应力应变与声发射分析3 8 5 3 材料性能与声发射特征参数对比分析4 l 5 3 1 材料性能对比4 1 5 3 2 声发射特征参数对比。4 l 5 4 本章小结。4 3 v i 矗 产 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 声发射技术概念及原理 声发射是指材料局部因能量的快速释放而发出瞬态弹性波的现象。 其形成机理是材料在动态( 受力) 过程中所产生的一种应力波，当材料或零部件受 外部力的作用时，由于材料或零件内部局部区域有缺陷存在或微观结构的不均匀性，使 该区域所承担的应力高度集中，继而导致了该区域应变能量的高度集中。由于任何材料 总是力图趋于能量最低状态，即由不稳定的高能状态必然过渡到稳定的低能状态。当外 部条件作用增大到一定程度时，局部能量的高度集中使材料缺陷部位产生微观屈服或变 形，并通过滑移、位错、开裂、晶界突然改变取向等方式将集中的多余能量释放出来， 在这应变能量释放过程中，其中一部分是以应力波形式快速释放的弹性能，应力波向外 传播就形成声发射信号，称为应力波发射( s t r e s s 眦l v ee i l l i s s i o n ，s w e ) ，通常称声发射 ( a c o 似i ce l i l i s s i o n ，简称a e ) 。【1 1 声发射波的频率范围很宽，从次声频、声频直到超声频，可包括数h z 到m h z ；其 幅度从微观的位错运动到大规模宏观断裂，在很大的范围内变化，按传感器的输出可包 括数y 到数百聊y ，不过，多数为只能用高灵敏传感器才能探测到的微弱振动。用最 灵敏的传感器，可探测到约为1 0 1 1 l 衄表面振动。 声发射技术的基本原理是由外部条件( 如力、热、电、磁等) 的作用使物体发声， 将高灵敏度的压电传感器安装于受力构件表面，形成一定数目的传感器阵列，实时接受 和采集来自材料缺陷的声发射信号，通过对这些声发射信号的识别、判断和分析等对材 料损伤缺陷进行检测和对构件强度、损伤、寿命等进行分析和研究。形象地讲，这是一 种“听声技术，即像医生用听诊器对人体听声来诊病一样，通过“听材料内部故障 声音( 声发射) 来对构件进行诊断【2 】。由于发声是在内部结构变化过程中产生的，因此， 声发射检测是一种动态无损检测方法，即在构件或构件内部结构、缺陷或潜在缺陷处于 运动变化的过程中进行无损检测。其基本原理如图1 1 所示。【3 】 图1 1 声发射技术基本原理 f i g 1 1b a s i ct 1 1 e 0 d r0 f a e 第1 章绪论 查。 信息，适于评价缺陷对结构的实际有害程度。 ( 2 ) 对大型构件，可提供整体或范围加速检测。由于不必进行繁杂地扫查操作，而 只要布置好足够数量的传感器，经一次加载或试验过程，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地实时或连续信息，因而使用 于工业过程在线监控及早期或临近破坏预报。 ( 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、易爆及有毒等环境。 ( 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。 1 2 2 声发射技术的局限性 ( 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 解释要有更为丰富的数据库和现场检测经验。 ( 2 ) 声发射检测，一般需要适当的加载程序。多数情况下，可利用现成的加载条件， 但有时还需要特殊设备。 ( 3 ) 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，每次检测过程的信号获取是非常宝贵的，不可因人为疏忽而造成宝贵数据的丢失。 ( 4 ) 声发射检测所发现缺陷的定性定量，仍需依赖于其他无损检测方法。 1 2 3 声发射技术的应用 由于上述特点，现阶段声发射技术的应用领域，主要包括： ( 1 ) 石油化工工业：各种压力容器、压力管道和海洋石油平台的结构完整性评价。 ( 2 ) 电力工业：高压蒸汽气包、管道和阀门的泄漏监测，汽轮机叶片的检测等。 ( 3 ) 材料试验：材料的性能测试、断裂试验、疲劳试验、腐蚀监测和摩擦测试等。 ( 4 ) 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 _ 2 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 展的连续监视等。 ( 5 ) 航天和航空工业：航空器壳体和主要构件的检测和结构完整性评价等 ( 6 ) 金属加工：工具磨损和断裂的探测，金属加工过程的质量控制，锻压测试等。 ( 7 ) 交通运输业：火车车轮和轴承的断裂探测，铁路材料和结构的裂纹探测等。 1 3 声发射技术发展史和研究现状 1 3 1 声发射技术发展史 现代声发射技术起源于凯塞( k a i s e r ) 2 0 世纪5 0 年代初在德国所做的研究工作。 他观察到铜、锌、铝、铅、锡、黄铜、铸铁和钢等金属和合金在变形过程中都有声发射 现象。他最有意义的发现是材料形变的声发射具有不可逆效应，即“凯塞效应”。1 4 】 2 0 世纪5 0 年代末和6 0 年代，美国d u n e g 觚等人把声发射仪器测试频率提高到 1 0 0 k h z 1 m k ，这是声发射实验技术的重大进展，这种进展为声发射技术走向生产现场 创造了条件。1 9 6 4 年，美国通用动力公司把声发射技术用于北极星导弹壳体的水压试验， 这是声发射技术用于评价大型构件的结构完整性的第一个例子，它标志着声发射技术开 始进入生产现场应用的新阶段。 2 0 世纪8 0 年代至9 0 年代末，美国p a c 公司、d w 公司、德国v ，a l l e ns y s t e m e 公司 将现代微处理计算机技术引入声发射检测系统，设计开发出了计算机化程度高、体积和 重量小的多通道声发射检测分析系统，这些系统除了能进行声发射参数实时测量和源定 位以外，还可以直接进行声发射波形的观察、显示、记录和频谱分析。 声发射技术于2 0 世纪7 0 年代初引入我国，当时正是我国断裂力学发展的高峰，人 们希望利用声发射预报和测量裂纹的开裂点。沈阳金属研究所、航空部6 2 1 所、上海交 大等许多研究所和大学先后从国外引进设备，开展了压力容器、飞机、金属材料和岩石 的声发射检测与应用。 如今，国内的沈阳电子所、科海恒生公司、声华公司已经设计、生产了多通道声发 射仪器和具有单一功能的专用检测仪器。 1 3 2 国外研究现状 国外的学者大多是将声发射技术作为一种辅助监测、分析手段，为其理论、试验研 究提供辅助性证据。 j c m c c l u r e 分析了裂纹增长过程中的巴克豪森效应与声发射的相关性【5 】；k y 0 n e d a 应用声发射技术证实d y l 2 3 超导材料在添加银元素的条件下裂纹扩展明显慢于不添加 银元素的情况，并做了扩展形式、速度的分析【6 1 ；c e 皿a c e u r 等人应用声发射技术监视 焊接管道的裂纹萌生、扩展，并提取声发射参数区分母材、热影响区和焊接区的裂纹扩 展特征i 7 | 。 - 3 - 第l 章绪论 态声发射理论分 析板材结构，如飞机壁板、复合材料叠层结构中裂纹的增长【1 2 】；朱波等人分析了材料断 裂韧性与声发射特性间的关系f 1 3 】；吴克勤等人采用声发射技术监测飞机起落架收放过程 中的疲劳损伤。【1 4 1 取得成果最多的是将声发射技术、小波变换理论和神经网络相结合，进行降噪、滤 波、参数提取，分析刀具磨损、轴承故障、压力容器和管道泄漏。【1 5 1 9 】 在声发射检测标准方面，我国也有了较大进展： g b t1 2 6 0 4 4 1 9 9 0 “无损检测术语声发射检测 ； g m 2 0 4 4 1 9 9 4 “钛合金压力容器声发射检测方法 ； j b t 7 6 6 7 1 9 9 5 “在役压力容器声发射检测评定方法”； q j 2 9 1 4 1 9 9 7 “复合材料结构声发射检测方法 ； g b t 1 8 1 8 2 2 0 0 0 “金属压力容器声发射检测及结果评定方法”。 1 4l a b v i e w 介绍 美国n i 公司开发的l a b e w 从用户角度出发，内含各种仪器驱动程序，而且提供 大量实现数据处理的函数集和用户界面编程工具集。作为专用的虚拟仪器( 触l i l l s t n l m e m s ，简称v i ) 软件开发工具，它隐含了对设计v i 时所面临多种困难的考虑， 鲜明地体现了简化设计过程，节省人力、物力，提高工作效率的特点。 有关l a b e w 的特点可参见相关文献，本文不再赘述，下面简要介绍l a b v i e w 的 程序i ) 结构。 使用l a b e w 开发的v i 包括三个部分：程序前面板、框图程序和图标连接器。如 图1 2 所示，程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实仪表的前面板。 在程序前面板上，输入量被称为控制( c o n 打o l s ) ，输出量被称为显示( i n d i c a c o r s ) 。控制 和显示是以各种图标形式出现在前面板上，如旋钮、开关、按钮、图表、图形等，这使 得前面板直观易懂。 每一个程序前面板都对应着一段框图程序，如图1 3 所示。框图程序用l a b e w 图 - 4 - 八 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 形编程语言( g 语言) 编写，可以把它理解成传统程序的源代码。框图程序由端口、节 点、图框和连线构成。其中端口被用来同程序前面板的c o n 仃o l s 和i i l d i c a t o r s 传递数据， 节点被用来实现函数和功能调用，图框被用来实现结构化程序控制命令，而连线则代表 了程序执行过程中的数据流，定义了框图内的数据流动方向。 图1 2 虚拟仪器l a b e w 的前面板 f i g 1 2f r o r l tp a n e lo fl d b v i e w 图标连接器是子程序被其它v i 调用的接口。图标是子程序在其他程序框图中被调 用的节点表现形式；而连接器则表示节点数据的输入输出口，就象函数的参数。用户 必须指定连接器端口与前面板的c o 曲的l s 和i n d i c a t o r s 一一对应。连接器一般情况下隐 含不显示，除非用户选择打开观察它。 一 隔蛉 l 萨pi 图1 3l a b v i e w 的框图程序 f i g 1 3b l o c kd i a 锄eo fl a b e w l a b e w 的强大功能归因于它的层次化结构，用户可以把创建的v i 程序当作子程 序调用，以创建更复杂的程序，而这种调用的层次是没有限制的。 - 5 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 5 本文研究的主要内容、特色及创新之处 1 5 1 本文研究的主要内容 本课题来源东北大学机械设计研究所与西北工业大学国防研究院的合作项目 “无人机测量系统研发”下的子项目。采用p c i 2 型全数字声发射仪采集试样在疲劳断 裂过程中的a e 信号；并对信号进行处理、分析，寻找裂纹萌生阶段、扩展阶段、断裂 阶段与a e 信号之间的对应关系。 本文结构分为以下几个部分： 第一章绪论部分，介绍了声发射技术的原理、特点、应用、国内外研究现状。 第二章介绍了金属材料塑性变形、裂纹形成和扩展过程中声发射信号的产生机理。 第三章阐述了常用的声发射信号处理方法特征参数法和频谱分析法；试验数据 的格式转换；以及目前对构件、材料内部缺陷或裂纹的有害度评价及分类方法。 第四章采用l a b e w 编程实现特征参数分析法和频谱分析法，为后续的试验结果分 析构建数据处理平台。程序包括三部分：单h i t 分析、h i t 批处理分析和分析结果输出。 第五章采集了2 a 1 2 铝合金母材及其四种摩擦焊接试样在静拉伸试验中的a e 信号， 并对a e 信号进行了特征参数分析，绘制了统计分析图与累积分析图；在此基础上，对 比了五种试样的材料性能与a e 信号参数特征。 第六章采集了2 a 1 2 铝合金母材缺口试样在低周疲劳试验中的a e 信号，并对试样 进行了断口分析，对a e 信号进行了特征参数分析，以及断裂各阶段典型信号的频谱对 比分析，绘制了a e 信号统计分析图与累积分析图，实现a e 信号处理结果与断口分析 结果的对应关系。 第七章对本文的研究方法及成果作了总结，并指出未来可行的研究方向。 1 5 2 特色及创新之处 近年来，随着声发射设备技术水平的不断更新换代，声发射无损检测技术依据其独 具特色的优点，在压力容器、管道、航空航天结构件完整性评估等领域取得了很大进展， 但对声发射信号的分析处理总受制于p a c 公司提供的a e 研n 软件；由于裂纹萌生阶段、 扩展第一阶段和扩展第二阶段a e 强度很小，为了将此阶段的信号认识清晰，需要采用 小时间尺度统计分析和跨时间尺度对比分析：为了满足以上的要求，本文采用l a b e w 编程，对2 a 1 2 铝合金试样的静拉伸试验、低周疲劳试验的a e 信号进行分析、处理， 具有一定的实际意义。 本课题在如下方面具有自己的特色： ( 1 ) 采用l a b e w 编译的声发射信号处理可执行程序，可脱离a e 、池软件和l a b e w 编译环境独立运行。 6 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 2 ) 对2 a 1 2 铝合金母材及其四种摩擦焊接试样，在静拉伸试验过程中的a e 特征参 数进行了对比分析，对比了材料性能与a e 信号。 ( 3 ) 对2 a 1 2 铝合金母材缺口试样在低周疲劳试验中的a e 信号、以及断裂各阶段典 型信号的频谱进行了对比分析，实现a e 信号处理结果与断口分析结果的对应关系。 7 _ 东北大学硕士学位论文第2 章声发射信号的产生机理 第2 章声发射信号的产生机理 2 1 塑性变形过程中的声发射 根据现代塑性力学的理论，在塑性变形过程中位错的滑移起着决定性作用。在理想 情况下，金属中的原子以一定的次序有规则地排列，但实际金属中都存在着各种各样的 缺陷，其中位错就是由于原子排错了位置而形成的一种缺陷。【2 0 。2 1 l d u n e g a n 等人以7 0 7 5 t 6 铝进行拉伸试验，得出声发射计数率、应力、应变三者之 间的关系，如图2 1 所示。 一 山 蓦 长 域 应变( ) 图2 17 0 7 5 一t 6 铝合金拉伸试样的声发射与理论计算结果的比较 f 嘻2 1c o m p a r ea e w 暑l v ep 觚i i i l e t e r so f7 0 7 5 - t 6a l l o y t e i l s i l es 吮n g t ht e s t w i ma c a d e m i cr e s u l to fp l a s t i cd e f 0 m a t i o n 在外部应力作用下，位错在滑移面上运动使金属塑性变形。一个位错从低能的点阵 位置运动到另一个位置，在新的点阵位置振动。计算表明，高速运动的位错发射高频率 低幅度的声发射信号，而慢运动的位错则发射低频率高幅度的信号。个位错发出的信 号能量太小，以至不能为高灵敏度的声发射仪检测到。因此，设想许多位错同时运动， 据估计大约1 0 0 1 0 0 0 个位错同时运动时声发射仪可收到连续型信号，几百到几千个位 错同时运动，声发射仪可收到突发型信号。 位错运动产生声发射的另一种情况是位错的淹没和塞积位错的解脱。 一个位错移至金属表面，产生一个原子间距的滑移台阶，位错消失；在同一个滑移 面上正位错和负位错相遇而抵消，这两个过程均称为位错的淹没，位错淹没产生声发射。 8 - 东北大学硕士学位论文 第2 章声发射信号的产生机理 在同一个滑移面上，许多位错移至金属表面形成滑移带，可产生突发型声发射信号。在 滑移面上运动的位错碰到障碍物，如硬的第二相质点和晶粒边界等，位错可能被塞积。 几个位错塞积在一起又可能冲破障碍而继续向前运动，这个过程产生突发型声发射。 一个位错获得能量后又可能产生新的位错，这种位错增殖过程也会出现声发射。孪 生变形是金属变形的一种特殊方式，它以滑移面为镜面，以原子排列成镜面对称的方式 变形。这种变形速度极高，成为强烈的声发射源。 2 2 裂纹形成和扩展过程中的声发射 在塑性变形过程中形成的微裂纹( m i c r oc r a c k ) 虽不致显著影响构件的完整性 ( i n t e 鲥锣) ，但是在外力作用下有可能发展成为宏观裂纹( m a c r 0c m c k ) 。各种形式的裂 纹的萌生和扩展是结构件破坏的基本原因。裂纹产生声发射的过程主要有裂纹的形成、 裂纹尖端的塑性变形和裂纹扩展三个阶段。这三个阶段往往互相联系交替进行。 塑性材料受到应力作用时，由于材料中第二相硬质点与基体材料变形的不匹配，往 往在第二相硬质点与基体的界面上形成微孔，当外加应力增大时，微孔长大，相邻微孔 连接在一起形成裂纹和裂纹扩展。 脆性材料则是以位错塞积的方式形成微裂纹，一旦微裂纹形成，裂纹尖端的塑性变 形较小，裂纹扩展较快，裂纹每向前扩展一步，便有突发型信号出现。 塑性材料和脆性材料裂纹扩展时的声发射信号是不同的。塑性材料发射的次数多， 每次发射的强度小；脆性材料发射的频率低，每次发射的强度大。随着应力增大，塑性 材料的声发射以小台阶缓慢上升，脆性材料则以大台阶迅速上升，如图2 2 和图2 3 所 示。与塑性变形不同，裂纹的萌生和不连续扩展产生的是突发型声波，而塑性变形产生 的是连续型声波。 藤 硼嚣 咖 i 幢 韫 时间 图2 2 脆性材料的声发射特点 f i g 2 2a e c h 赳a c t e r i s t i c o fb r i t t l e n e s sm a t e r i a i 娶 雠 n p 嘲i 帆 9 时间 图2 3 塑性材料的声发射特点 f i g 2 3a e c h a r 乏屺t e r i s t i c o fp l a s t i c 时m a t e r i a l 东北大学硕士学位论文第3 章声发射信号分析理论 第3 章声发射信号分析理论 3 1 凯塞效应及其应用 塑性变形和裂纹扩展是不可逆的，所以声发射信号也具有不可逆的特点，也就是声 发射具有不可重复性，亦称凯塞效应：同一试件在同一条件下产生的声发射只有一次。 凯塞效应描述的规律如图3 1 所示，如果在第一次加载过程中产生了声发射信号， 则在第二次加载过程中，只有当超过第一次加载的最大载荷值的情况下才有明显的声发 射信号出现，在未超过第一次加载的最大载荷值的过程中只能观察到很微弱的声发射信 号。构件内部产生裂纹后，裂纹的进一步萌生和扩展导致构件的有效承载面积不断减少， 相当于载荷不断加大，因此这个过程是不断有声发射信号出现的。 挺 赫 时间 图3 1 凯塞效应 f i g 3 1k a i s e re 仃e c t 凯塞效应在声发射技术中有着十分重要的用途，包括： ( 1 ) 在役构件的新生裂纹的定期过载声发射检测； ( 2 ) 岩体等原先所受最大应力的推定； ( 3 ) 疲劳裂纹起始与扩展声发射检测； ( 4 ) 通过预载措施消除夹具的噪声干扰； ( 5 ) 加载过程中常见的可逆性摩擦噪声的鉴别。 3 2 声发射信号处理方法 在声发射检测中，传感器检测到的信号通常有两种类型： ( 1 ) 连续型：幅度低而发射次数很多的连续波形，如塑性变形和泄露信号； ( 2 ) 突发型：信号的幅度一般比连续型发射高，发生的部位限制在某个区域，脉冲 的形状也不相同。本文中的信号处理主要是针对该种信号，见图3 2 。 - 1 0 东北大学硕士学位论文第3 章声发射信号分析理论 图3 2 突发型信号特征参数 f i g 3 2w a v ep 掘皿e t e r so f a es i 印a l 3 2 1 特征参数法 特征参数法是通过统计声发射波形特征参数，画出直方图、趋势图、关联图等来评 估材料或结构的稳定性，常用的特征参数法有计数法、能量分析法、幅度分析法等。参 数分析相对比较简单，对仪器硬件的要求较低，易于实现实时监测，时至今日，特征参 数法依然是声发射无损检测中的首选方法。 本文中所用到的声发射信号表征参数及其用途如下：田】 ( 1 ) 撞击( h i t ) 和撞击计数( h “s ) 撞击是指通过门槛值并导致一个系统通道累计数据的任一声发射信号；对撞击个数 进行计数，称为撞击计数，又可分为总计数和计数率。总计数是从开始实验起到某一特 定时间结束时的总的撞击数，它反映了声发射信号的总量；计数率为单位时间内的撞击 计数，它则反映了声源的频度。 ( 2 ) 振铃计数( c o u n t s ) 振铃计数是指振铃脉冲越过门槛值的次数，某一特定时间内总的振铃计数称为振铃 总计数，单位时间内的振铃计数叫做振铃计数率。振铃计数法简单，因此在声发射监测 中被普遍采用，但受阈值的影响较大。 ( 3 ) 幅度( 加n p l i t u d e ) 幅度是指声发射信号波形的最大振幅值，通常用扭表示( 传感器输出1 为0 如) ， 可表示为： 幅度( 扔) = 2 0 l o g ( 1 v ) 一前置放大器增益( 纺) ( 3 1 ) 例如，前置增益放大器为4 0 拈，测得的最大电压为l 伏，则幅度值为8 0 招。常用于波 1 1 东北大学硕士学位论文第3 章声发射信号分析理论 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 ) 在一个声发射撞击中，声发射信号从第一次越过阈值到最后一次越过阈值所经历的 时间称为持续时间，大概反映信号的强度和频度。常用于特殊波源类型和噪声的鉴别。 ( 5 ) 上升时间( 鼬s et i m e ) 声发射信号从第一次越过阈值到最大振幅所用时间，有时用于机电系统噪声的鉴 别。 ( 6 ) 能量计数( e n e r g y ) 声发射实验中，较多地是使用振铃计数方法。但这种方法存在着某种缺陷，例如振 铃计数随信号频率、阈值而变；只是间接地考虑了信号的幅度；计数与重要的物理量之 间无直接关系等。而能量测量方法，同时以信号的幅度和时间长度作为量度标尺，反映 了声发射源以弹性波形式释放的能量。声发射信号的幅度平方后进行包络检波，用包络 线所包围的面积就可以度量信号所包含能量的相对值，可分为总能量和能量率。能量的 计算可表示为： 能量= 罗 ( 超过门槛值的点的幅值增益) 2 一阈值2 ( 3 2 ) 3 2 2 频谱分析法 由于声发射源的信号频率结构不同，为了了解信号、观测缺陷的动态行为，往往需 将时域信号变换至频域加以分析，这种方法称为频谱分析。频谱分析的目的是把复杂的 时间历程波形，经过傅立叶变换分解为若干单一的谐波分量来研究，以获得信号的频率 结构、各谐波幅值和相位信息。瞄】 声发射信号采集过程中，根据采集卡和软件设定，每个h i t 是长度为l k ( 1 0 2 4 点) 、 2 k ( 2 0 4 8 点) 、5 k ( 5 1 2 0 点) 或1 0 k ( 1 0 2 4 0 点) 的时域信号。对这种有限长度的离散 信号进行频域变化，所使用的方法是离散傅立叶变换( d f t ) 与快速傅立叶变换( f f t ) 。 ( 1 ) 信号截断与加窗 傅立叶变换在数学表达式来看，其积分是从到佃的，而在处理实际工程问题是 不可能的，积分往往是在一个很有限的区间进行。因此必须对信号作有限化处理，也即 信号在某一时刻被“截断 ，相当于原信号函数与某截断函数相乘，该截断函数就是所 谓的“窗函数 。每个h i t 信号就相当于一个连续声发射信号与矩形窗相乘得到的。 ( 2 ) 离散傅立叶变换( d f t ) 设信号x ( f ) 被离散采样为x ( 聆) ，采样频率为厶，采样点数为，则其离散傅立叶 变换为： 一l 石( 尼) = x ( 枷嗲，( 七= o ，1 ，2 ，一1 ) ( 3 3 ) 月= o 其逆变换为： 1 2 - 东北大学硕士学位论文第3 章声发射信号分析理论 x ( 刀) = 寺x ( j j ) 陈础，= o ，1 ，2 ，一1 ) ，其中叽= 9 1 万 ( 3 4 ) n = o 对于离散傅立叶变换，求出n 点x ( k ) 需要2 次复数乘法，( 一1 ) 次复数加法。 每次复数乘法需要做四次实数乘法，两次实数加法。因此计算n 点x ( k ) 总共需要做4 2 次实数乘法和4 ( 一o 5 ) 次实数加法。例如，当n = 1 0 2 4 时，需