声发射信号处理

1、声发射声发射（acoustic emission，简称，简称AE）是指材料或结）是指材料或结 构受外力或内力作用产生变形或断裂，以应力波形式释构受外力或内力作用产生变形或断裂，以应力波形式释 放出应变能的现象。放出应变能的现象。 应变能足够强，则人耳可以听到。应变能足够强，则人耳可以听到。 许多金属材料的声及射信号强度很弱，人耳不能直许多金属材料的声及射信号强度很弱，人耳不能直 接听见，需要藉助灵敏的电子仪器才能检测出来。接听见，需要藉助灵敏的电子仪器才能检测出来。 AE System 应力波应力波 什么是声发射？什么是声发射？ 结构材料源结构材料源 塑性变形塑性变形 相变相变 亚临界裂纹扩展

2、亚临界裂纹扩展 其他源其他源 压力泄漏压力泄漏 摩擦及磨损摩擦及磨损 裂纹面闭合与摩擦裂纹面闭合与摩擦 撞击撞击 磁畴壁运动磁畴壁运动 燃烧燃烧 沸腾沸腾 凝固与熔化凝固与熔化 氧化膜、锈皮和熔渣开裂氧化膜、锈皮和熔渣开裂 声声 发发 射射 源源 如何产生声发射？如何产生声发射？ 起重机主梁裂纹检测起重机主梁裂纹检测管道裂纹检测管道裂纹检测 声发射源的典型例子声发射源的典型例子 储储 油油 罐罐 油面油面 传传 感感 器器 腐蚀点腐蚀点 传感器传感器 传传 感感 器器 储油罐漏油检测储油罐漏油检测变压器局部放电检测变压器局部放电检测 声发射源的典型例子声发射源的典型例子 声发射信号类型声发射信

3、号类型 目前人为的将声发射信号分为目前人为的将声发射信号分为突发型突发型和和连续型连续型。 如果大量的声发射事件如果大量的声发射事件同时发生同时发生，且在，且在时间上不可分辨时间上不可分辨， 这些信号就叫做连续型声发射信号。一般流体泄露，金属塑这些信号就叫做连续型声发射信号。一般流体泄露，金属塑 性变形等都是连续型信号。性变形等都是连续型信号。 声发射信号分析声发射信号分析 撞击计数撞击计数 振铃计数振铃计数 幅度幅度 能量计数能量计数 上升时间上升时间 持续时间持续时间 有效值电平有效值电平 平均信号电平平均信号电平 声发射信号分析声发射信号分析 撞击：撞击：超过门槛并使某一个通超过门槛并使

4、某一个通 道获取数据的任何信号称之为道获取数据的任何信号称之为 一个撞击。它反映了声发射活一个撞击。它反映了声发射活 动的总量和频度，常用于声发动的总量和频度，常用于声发 射活动性评价。射活动性评价。 事件：事件：同一个撞击被多个通道同一个撞击被多个通道 同时检测到并能进行定位同时检测到并能进行定位. . 计数：计数：超过门槛信号的振荡次超过门槛信号的振荡次 数，用于声发射活动性评价。数，用于声发射活动性评价。 0200400600800100012001400160018002000 0 50 100 150 200 250 300 as-recieved TBCs AE event cou

5、t/N Loading time/s 事件计数的大小反映了事件计数的大小反映了 与材料与材料内部损伤、断裂内部损伤、断裂 源的多少源的多少有关。有关。 事件计数率事件计数率 （单位时间事件单位时间事件计数）计数） 声发射信号分析声发射信号分析 参数参数含义含义特点和用途特点和用途 撞击和撞击撞击和撞击 计数计数 超过阈值并超过阈值并使某一通道获取数使某一通道获取数 据的任何信号称之为一个撞击。据的任何信号称之为一个撞击。 所测得的撞击个数，可分为总所测得的撞击个数，可分为总 计数、计数率计数、计数率 反映声发射活动的总量和频度，反映声发射活动的总量和频度， 常用于声发射活动性评价常用于声发射活

6、动性评价 事件计数事件计数 产生声发射的一次材料局部变产生声发射的一次材料局部变 化称之为一个声发射事件。可化称之为一个声发射事件。可 分为总计数、计数率。分为总计数、计数率。 反映声发射事件的总量和频度，反映声发射事件的总量和频度， 用于源的活动性和定位集中度评用于源的活动性和定位集中度评 价，价，与材料内部损伤、断裂源的与材料内部损伤、断裂源的 多少有关多少有关 幅度幅度 信号波形的最大振幅值，通常信号波形的最大振幅值，通常 用用dBaedBae表示（传感器输出表示（传感器输出1 1V V 为为0dB0dB） 与事件大小有直接的关系，直接与事件大小有直接的关系，直接 决定事件的可测性，常用

7、于波源决定事件的可测性，常用于波源 的的类型鉴别、强度及衰减的测量类型鉴别、强度及衰减的测量 声发射信号分析声发射信号分析 参数参数含义含义特点和用途特点和用途 能量计数能量计数 信号检波包络线下的面积，信号检波包络线下的面积， 可分为总计数和计数率可分为总计数和计数率 反映事件的相对能量或强度。对门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，槛、工作频率和传播特性不甚敏感， 可取代振铃计数，也用于可取代振铃计数，也用于波源的类波源的类 型鉴别型鉴别 振铃计数振铃计数 当一个事件撞击传感器时，当一个事件撞击传感器时， 使传感器产生振铃。越过门使传感器产生振铃。越过门 槛信号

8、的振荡次数，可分为槛信号的振荡次数，可分为 总计数和计数率总计数和计数率 信号处理简便，适于两类信号，又信号处理简便，适于两类信号，又 能粗略反映信号强度和频度，因而能粗略反映信号强度和频度，因而 广泛广泛用于声发射活动性评价用于声发射活动性评价，但受，但受 门槛值大小的影响门槛值大小的影响 持续时间持续时间 信号第一次越过门槛至最终信号第一次越过门槛至最终 降至门槛所经历的时间间隔，降至门槛所经历的时间间隔， 以以s s表示表示 与振铃计数十分相似，但常用于与振铃计数十分相似，但常用于特特 殊波源类型和噪声的鉴别殊波源类型和噪声的鉴别 声发射信号分析声发射信号分析 参数参数含义含义特点和用途

9、特点和用途 上升时间上升时间 信号第一次越过门槛至最信号第一次越过门槛至最 大振幅所经历的时间间隔，大振幅所经历的时间间隔， 以以s s表示表示 因受传播的影响而其物理意义变得因受传播的影响而其物理意义变得 不明确，有时用于不明确，有时用于机电噪声鉴别机电噪声鉴别 有效值电压有效值电压采样时间内，信号的均方采样时间内，信号的均方 根值，以根值，以V V表示表示 与声发射的大小有关，测量简便，与声发射的大小有关，测量简便， 不受门槛的影响，适用于连续型信不受门槛的影响，适用于连续型信 号，主要用于号，主要用于连续型声发射活动性连续型声发射活动性 评价评价 平均信号电平平均信号电平采样时间内，信号

10、电平的采样时间内，信号电平的 均值，以均值，以DbDb表示表示 提供的信息和用途与提供的信息和用途与RMSRMS相似，对幅相似，对幅 度动态范围要求高而时间分辩率要度动态范围要求高而时间分辩率要 求不高的求不高的连续型信号连续型信号，尤为有用。，尤为有用。 也用于也用于背景噪声水平的测量背景噪声水平的测量 声发射信号分析声发射信号分析 声发射源定位声发射源定位 为了在固体材料表面某一范围测量出缺陷的位置，可为了在固体材料表面某一范围测量出缺陷的位置，可 以将以将几个压电传感器几个压电传感器按一定的几何关系放置在固定点上，按一定的几何关系放置在固定点上， 组成传感器阵组成传感器阵 在检测过程中可

11、以根据各个声发射传感器检测到的声在检测过程中可以根据各个声发射传感器检测到的声 发射信号的发射信号的特征参数特征参数来确定或计算来确定或计算声发射源的位置声发射源的位置。 声发射源的定位，需由声发射源的定位，需由多通道声发射仪器多通道声发射仪器来实现，也来实现，也 是多通道声发射仪最重要的功能之一。是多通道声发射仪最重要的功能之一。 声发射信号分析声发射信号分析 连续信号源定位，主要用于压力泄露源的定位，连续信号源定位，主要用于压力泄露源的定位， 这里我们着重讨论突发信号定位。这里我们着重讨论突发信号定位。 声发射信号分析声发射信号分析 声发射源定位声发射源定位 区域定位：区域定位：是一种处理

12、速度快、是一种处理速度快、简便而又粗略简便而又粗略的定的定 位方式，主要用于复合材料等由于声发射频度过高或位方式，主要用于复合材料等由于声发射频度过高或 传播衰减过大或检测通道数有限而难以采用时差定位传播衰减过大或检测通道数有限而难以采用时差定位 的场合。的场合。 区域定位主要包含两种方式：区域定位主要包含两种方式： 1.1.独立通道定位方式独立通道定位方式 2.2.按信号到达顺序定位按信号到达顺序定位 声发射信号分析声发射信号分析 声发射源定位声发射源定位 时差定位时差定位 当用两个或多个传感器进行声发射检测时当用两个或多个传感器进行声发射检测时, ,各传感器接各传感器接 收到来自声发射源的

13、时间是不一样的，所以可以通过收到来自声发射源的时间是不一样的，所以可以通过 时差时差 确定出声发射源的位置。确定出声发射源的位置。 常用时差定位方法：常用时差定位方法： 1. 1. 线定位线定位 2. 2. 平面定位平面定位 3. 3. 三维立体定位三维立体定位 声发射信号分析声发射信号分析 声发射源定位声发射源定位 1.1. 线定位线定位 t1t2 当被检测物体的长度与半径之比非常大时，易采用线定当被检测物体的长度与半径之比非常大时，易采用线定 位进行声发射检测，如位进行声发射检测，如管道、棒材、钢梁管道、棒材、钢梁等。等。 时差线定位至少需要时差线定位至少需要两个声发射探头，两个声发射探头

14、，到达到达 1 1号探头的号探头的 时间为时间为t1t1，到达，到达2 2号探头的时间为号探头的时间为t2t2，因此，该信号到达两，因此，该信号到达两 个探头之间的时差为：个探头之间的时差为： t = t2t = t2t1t1，如以，如以D D表示两个探表示两个探 头之间的距离，以头之间的距离，以V V表示声波在试样中的传播速度，则声发表示声波在试样中的传播速度，则声发 射源距射源距1 1号探头的距离号探头的距离d d可由下式得出：可由下式得出： 12 声发射信号分析声发射信号分析-时差定位时差定位 D d 二维定位至少需要二维定位至少需要三个传感器和两组时差三个传感器和两组时差，但为得到单，

15、但为得到单 一解一般需要四个传感器三组时差。一解一般需要四个传感器三组时差。 传感器阵列可以任意选择，但为运算简便，常采用简单传感器阵列可以任意选择，但为运算简便，常采用简单 阵列形式，如阵列形式，如方形、菱形方形、菱形等。就原理而言，等。就原理而言，波源的位置均波源的位置均 为两组或三组双曲线的交点确定为两组或三组双曲线的交点确定。 2. 2. 平面定位平面定位 32 1 声发射信号分析声发射信号分析-时差定位时差定位 3. 3. 三维立体定位三维立体定位 三维立体定三维立体定至少需要至少需要4 4个传感器个传感器。 建立一个三维的坐标系，以四只传感器中建立一个三维的坐标系，以四只传感器中T2T2为基准，测为基准，测 量其它三只传感器量其它三只传感器与基准信号的时间差与基准信号的时间差。 假设声发射信号在该三维空间的传播速度已知为恒定值。假设声发射信号在该三维空间的传播速度已知为恒定值。 根据空间的几何关系列方程得出声源到各个传感器的距离根据空间的几何关系列方程得出声源到各个传感器的距离 差，进而计算出声源的相对空间坐标。差，进而计算出声源的相对空间坐标。 三维定位用于混凝土结构、岩石大三维定位用于混凝土