張志強(qiáng)，張國(guó)勝，劉艷芳，王軍威，高素梅

（1.天津工程機(jī)械研究院再制造與工藝材料研究所，天津300409；2.天津職業(yè)大學(xué)，天津300410）

斷鉛試驗(yàn)聲發(fā)射信號(hào)處理與損傷源定位研究

張志強(qiáng)1，張國(guó)勝1，劉艷芳1，王軍威1，高素梅2

（1.天津工程機(jī)械研究院再制造與工藝材料研究所，天津300409；2.天津職業(yè)大學(xué)，天津300410）

以斷鉛試驗(yàn)為例模擬材料的斷裂損傷事件，進(jìn)行聲發(fā)射特征參數(shù)和損傷源定位的試驗(yàn)研究，采用小波變換對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分解和重構(gòu)。結(jié)果表明：聲發(fā)射計(jì)數(shù)、能量和有效值對(duì)斷鉛具有較高的檢測(cè)靈敏度；僅依據(jù)聲發(fā)射幅值并不能判斷鉛芯斷裂釋放的聲發(fā)射信號(hào)能量的高低。采用4層小波變換將斷鉛聲發(fā)射信號(hào)分解到不同的頻率段并進(jìn)行重構(gòu)，將高頻接觸摩擦信號(hào)和低頻噪音信號(hào)濾除，能準(zhǔn)確提取鉛芯斷裂特征信息。通過(guò)布置多個(gè)傳感器對(duì)斷鉛位置進(jìn)行定位的方法完全可行，時(shí)差線定位偏差不超過(guò)10mm。

聲發(fā)射信號(hào)；特征參數(shù)；損傷源定位；小波變換

成建國(guó)等[3]通過(guò)設(shè)計(jì)特征提取器來(lái)提取金屬疲勞聲發(fā)射特征信號(hào)，認(rèn)為質(zhì)心頻率、計(jì)數(shù)、持續(xù)時(shí)間、上升時(shí)間、平均信號(hào)電平5個(gè)參數(shù)的特征最為顯著，可用于識(shí)別現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下的聲發(fā)射信號(hào)。馬佳良等[4]通過(guò)建立四分類模型對(duì)罐底腐蝕聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，將聲發(fā)射特征參數(shù)和頻域參數(shù)作為模型的輸入?yún)?shù)，獲得了較好的識(shí)別結(jié)果。李東生等[5]采用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測(cè)斜拉索疲勞損傷演化過(guò)程，獲得了整個(gè)損傷過(guò)程的聲發(fā)射特征參數(shù)，基于聲發(fā)射累積能量得出了多齡期斜拉索疲勞損傷演化規(guī)律。李國(guó)祿等[6]首次對(duì)等離子噴涂層接觸疲勞損傷過(guò)程中的聲發(fā)射特征參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，結(jié)果表明聲發(fā)射幅值、有效值、能量、計(jì)數(shù)和平均頻率等對(duì)疲勞損傷過(guò)程具有實(shí)時(shí)性反饋的特點(diǎn)。Aljets D等[7]以大型平板狀結(jié)構(gòu)為對(duì)象研究了3個(gè)傳感器呈三角布置的聲發(fā)射源定位的新方法，結(jié)合信號(hào)傳播速度和模態(tài)源定位算法進(jìn)行了損傷源的準(zhǔn)確定位。Li Q Y等[8]以斷鉛模擬巖石中的聲發(fā)射源，定量研究了線定位和平面定位下聲速對(duì)于定位誤差的影響，結(jié)果表明聲速嚴(yán)重影響平面定位精度，而且平面定位較線定位誤差更大。Niri E D等[9]采用微型脈沖錘模擬聲發(fā)射源，將非線性卡爾曼濾波算法用于評(píng)估聲發(fā)射源的定位精度，結(jié)果表明定位精度較高。本文以斷鉛試驗(yàn)為例模擬材料的斷裂損傷事件，進(jìn)行了聲發(fā)射特征參數(shù)和損傷源定位的試驗(yàn)研究，采用小波變換對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分解和重構(gòu)，提取包含斷鉛的特征波形和頻率。

1 聲發(fā)射信號(hào)的采集

采用美國(guó)物理聲學(xué)公司（PAC）生產(chǎn)的四通道聲發(fā)射系統(tǒng)采集斷鉛聲發(fā)射信號(hào)，該系統(tǒng)主要由Nano-30型壓電傳感器、前置放大器、PCI-2數(shù)據(jù)采集卡以及AEWin聲發(fā)射信號(hào)記錄和分析軟件組成。Nano30型傳感器靠壓電效應(yīng)，將材料局部損傷以能量形式釋放的彈性波傳化為電信號(hào)。設(shè)定前置放大器放大額度為40 dB。門檻值設(shè)定為45 dB，帶通濾波區(qū)間設(shè)定為1 kHz～1MHz，信號(hào)采樣頻率設(shè)為1Mb/s。采用直徑為0.5mm的HB鉛芯在32mm×140mm的矩形試件表面進(jìn)行斷鉛試驗(yàn)，鉛芯伸長(zhǎng)量為2.5mm，每次斷鉛時(shí)保證鉛芯與試件表面夾角為30°。傳感器1和傳感器2分別置于距離試件端面20mm處，并采用磁性?shī)A具固定。傳感器和試件之間涂有真空脂，目的是減少聲發(fā)射信號(hào)在傳感器和試件界面處過(guò)度散射和衰減。斷鉛位置選為試件中心，連續(xù)進(jìn)行14次斷鉛試驗(yàn)來(lái)模擬14次加載過(guò)程，時(shí)間間隔為4s，傳感器布置方式和斷鉛位置如圖1所示。傳感器1采集的14次斷鉛聲發(fā)射信號(hào)幅值分布圖如圖2所示，可以看出聲發(fā)射信號(hào)幅值均達(dá)90dB，14次斷鉛聲發(fā)射信號(hào)幅值平均值為98 dB。傳感器2采集的14次斷鉛聲發(fā)射信號(hào)幅值分布與傳感器1極為相近，幅值平均值為98.8 dB。兩個(gè)傳感器采集的每次斷鉛聲發(fā)射波形也極為類似，為典型的高衰減突發(fā)性聲發(fā)射信號(hào)。圖3為傳感器1采集的第6次斷鉛聲發(fā)射波形圖，可以看出，開(kāi)始采集到的幅值為3mV左右的信號(hào)，為鉛芯和試件表面接觸時(shí)由于微摩擦產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)，最先產(chǎn)生的幅值為9mV以上的信號(hào)才是鉛芯斷裂激發(fā)的聲發(fā)射信號(hào)；之后信號(hào)逐漸衰減，衰減趨勢(shì)如圖中灰色線所示，開(kāi)始時(shí)信號(hào)衰減速度較慢，然后快速衰減至4mV以下，直至被環(huán)境噪音信號(hào)掩埋。

圖1 斷鉛試驗(yàn)示意圖（單位：mm）

圖2 14次斷鉛聲發(fā)射幅值

圖3 斷鉛聲發(fā)射信號(hào)波形

圖4 14次斷鉛聲發(fā)射計(jì)數(shù)

2 聲發(fā)射信號(hào)處理與分析

2.1 聲發(fā)射特征參數(shù)

聲發(fā)射計(jì)數(shù)、能量和有效值是分析材料損傷程度的重要特征參數(shù)。幅值是指一次撞擊中聲發(fā)射振幅的最大值，其與損傷程度有直接關(guān)系。振鈴計(jì)數(shù)是指一次撞擊中信號(hào)越過(guò)門檻值的個(gè)數(shù)，反應(yīng)信號(hào)的強(qiáng)度和頻度，對(duì)裂紋的擴(kuò)展比較敏感，可用于波源類型鑒別。能量是指一次撞擊中聲發(fā)射幅值對(duì)持續(xù)時(shí)間的積分值，反映事件的相對(duì)能量或強(qiáng)度，可以有效地分析復(fù)雜背景噪聲下的聲發(fā)射信號(hào)，較好地去除白噪聲干擾，也可用于復(fù)雜聲發(fā)射信號(hào)活動(dòng)性評(píng)價(jià)。均方根值（RMS）是一次撞擊中聲發(fā)射振幅平方的平均值的平方根，其對(duì)門檻值、工作頻率和傳播特性不甚敏感，可以很好地反映材料的損傷程度。由于傳感器1和傳感器2采集到的14次斷鉛聲發(fā)射特征參數(shù)值和分布基本相同，所以僅以傳感器1采集到的斷鉛聲發(fā)射信號(hào)為例進(jìn)行說(shuō)明。圖4和圖5分別為14次斷鉛聲發(fā)射計(jì)數(shù)柱狀分布圖和累計(jì)計(jì)數(shù)梯形分布圖，可以看出斷鉛聲發(fā)射計(jì)數(shù)主要分布在627～1955范圍之內(nèi)，計(jì)數(shù)的高低反應(yīng)了斷鉛釋放能量的高低，也側(cè)面反應(yīng)了鉛芯質(zhì)量的好壞和同一根鉛芯不同位置的均勻化程度，通過(guò)累積計(jì)數(shù)分布圖可以更加直觀地看出前后兩次斷鉛事件計(jì)數(shù)的梯度值，累計(jì)分析在材料連續(xù)累積損傷程度分析應(yīng)用中尤為重要。圖6和圖7分別為14次斷鉛聲發(fā)射能量和有效值柱狀分布圖，可以看出斷鉛聲發(fā)射能量主要分布在6 412～39 054范圍內(nèi)，有效值主要分布在0.0462～0.5132范圍內(nèi)；14次斷鉛聲發(fā)射能量和有效值與計(jì)數(shù)的分布趨勢(shì)和相對(duì)變化梯度基本一致，第10次斷鉛聲發(fā)射計(jì)數(shù)、能量和有效值額度最小，鉛芯脆斷釋放的能量最低，第5次斷鉛聲發(fā)射計(jì)數(shù)、能量和有效值額度最大，鉛芯脆斷釋放的能量最高。而通過(guò)圖2可以看出，每次斷鉛聲發(fā)射幅值變化很小，有10次斷鉛聲發(fā)射幅值同為99dB；因此，依據(jù)每次斷鉛釋放的聲發(fā)射信號(hào)幅值并不能較好的判定斷鉛事件能量的高低。

2.2 聲發(fā)射波形分析

聲發(fā)射信號(hào)本身屬于典型的非平穩(wěn)信號(hào)，包含故障信息的特征信號(hào)往往被噪聲所干擾。小波變換具有良好的時(shí)頻局部特性，是信號(hào)奇異性檢測(cè)的有力工具[10-11]。通過(guò)小波變換對(duì)斷鉛產(chǎn)生的非平穩(wěn)突發(fā)聲發(fā)射信號(hào)在不同尺度上進(jìn)行分解和重構(gòu)，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)其全頻帶上多個(gè)層次的劃分，由粗及細(xì)地對(duì)信號(hào)進(jìn)行逐步觀察和分析，提取包含斷鉛特征的波形和頻率。

小波函數(shù)的確切定義為：設(shè)φ（t）∈L2（R）為平方可積函數(shù)，若其傅里葉變換（ω）滿足條件：

則稱φ（t）為一個(gè)基本小波。式（1）為小波函數(shù)的可容許條件。將母函數(shù)φ（t）經(jīng)伸縮和平移后得：

式中：a——尺度因子；

b——平移因子，稱為φa，b（t）依賴與參數(shù)a，b的小波基函數(shù)。

由于a和b是連續(xù)變化的參數(shù)，因此稱φa，b（t）為連續(xù)小波基。將任意L2（R）空間中的函數(shù)f（t）在小波基下展開(kāi)，稱其為函數(shù)f（t）的連續(xù)小波變換，其表達(dá)式為

其重構(gòu)公式（逆變換）為

圖5 14次斷鉛聲發(fā)射累積計(jì)數(shù)

圖6 14次斷鉛聲發(fā)射能量

圖7 14次斷鉛聲發(fā)射能量有效值柱狀分布

函數(shù)f（t）離散小波變換表達(dá)式為

離散小波變換的重構(gòu)公式（逆變換）為

采用dB10基本小波對(duì)斷鉛聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行4層小波分解和重構(gòu)。s為原始信號(hào)，d代表高頻信息，a代表低頻信息。d1，d2，d3，d4和a4分別表示第1，2，3，4層細(xì)節(jié)信號(hào)，d1層重構(gòu)信號(hào)的頻率范圍為250～500 kHz，d2層重構(gòu)信號(hào)的頻率范圍為125～250 kHz，d3層重構(gòu)信號(hào)的頻率范圍為62.5～125 kHz，d4層重構(gòu)信號(hào)的頻率范圍為31.25～62.5 kHz，a4層重構(gòu)信號(hào)的頻率范圍為0～31.25 kHz。對(duì)傳感器1采集的第6次斷鉛聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行4層小波分解和重構(gòu)，各層波形和頻率分別如圖8和9所示。從圖9中s層頻率譜中可以看出原始信號(hào)的頻率主要分布在120～200kHz范圍之內(nèi)，其中存在130，150，195kHz 3個(gè)比較集中的頻率段，該原始斷鉛信號(hào)的全局功率譜包含斷鉛聲發(fā)射信號(hào)、接觸摩擦信號(hào)以及噪音等頻率成分，并不能獲得較為單一的斷鉛聲發(fā)射信號(hào)頻率特征分布。圖8中d1層信號(hào)波形幅值不足4mV，頻率主要分布在225～450kHz范圍之內(nèi)，很有能是鉛芯斷裂前與試件接觸摩擦產(chǎn)生的高頻聲發(fā)射信號(hào)。圖8中d2層信號(hào)波形幅值高達(dá)10mV，該層主要是鉛芯斷裂的聲發(fā)射信號(hào)，頻率主要分布在125～200kHz范圍之內(nèi)，其中存在125，130，150，195 kHz 4個(gè)比較集中的頻率段。圖8中d3層信號(hào)波形幅值高達(dá)8mV，該層信號(hào)仍然以鉛芯斷裂的聲發(fā)射信號(hào)為主，頻率主要分布在100～130kHz范圍之內(nèi)，其中存在127，130kHz兩個(gè)比較集中的頻率段。圖8中d4和a4層信號(hào)波形幅值都不足2mV，頻率主要分布在20～65 kHz范圍之內(nèi)，主要是低頻噪音干擾信號(hào)。綜上所述，采集到的斷鉛聲發(fā)射原始信號(hào)是由斷鉛信號(hào)、接觸摩擦信號(hào)和噪音等信號(hào)疊加的綜合結(jié)果，屬于能量較弱的非平穩(wěn)信號(hào)。采用小波變換將原始的聲發(fā)射信號(hào)分解到不同的頻率段并進(jìn)行重構(gòu)，在不同的頻率段將時(shí)域波形和頻率分布對(duì)應(yīng)分析，這種時(shí)頻分析的方法可以將高頻和低頻干擾信號(hào)剔除，準(zhǔn)確提取斷鉛特征信息。

圖8 小波變換聲發(fā)射波形

圖9 小波變換聲發(fā)射頻率譜

2.3 聲發(fā)射源定位

圖10 時(shí)差線定位原理圖

由式（8）可知，當(dāng)Δt=0時(shí)，聲發(fā)射源位于兩傳感器中間；當(dāng)Δt=D/V時(shí)，聲發(fā)射源位于傳感器1處；當(dāng)Δt=-D/V時(shí)，聲發(fā)射源位于傳感器2處。斷鉛激發(fā)聲發(fā)射信號(hào)的位置選為試件中心，聲波在試樣中的傳播速度設(shè)定為5500m/s。定位結(jié)果如圖11所示，可以看出定位數(shù)據(jù)點(diǎn)基本落在試件中心位置附近，偏差不超過(guò)10mm。

圖11 斷鉛定位圖

3 結(jié)束語(yǔ)

1）聲發(fā)射計(jì)數(shù)、能量和有效值對(duì)于材料損傷程度具有較高的靈敏度，僅依據(jù)聲發(fā)射幅值的高低并不能判斷鉛芯斷裂釋放的聲發(fā)射信號(hào)能量的高低。

2）原始聲發(fā)射信號(hào)是斷鉛信號(hào)、接觸摩擦信號(hào)和噪音等信號(hào)疊加的綜合結(jié)果。采用小波變換將原始聲發(fā)射信號(hào)分解到不同的頻率段并進(jìn)行重構(gòu)，將時(shí)域波形和頻率分布對(duì)應(yīng)分析，實(shí)現(xiàn)了將高頻接觸摩擦信號(hào)和低頻噪音信號(hào)剔除并準(zhǔn)確提取斷鉛特征信息的目的。

3）采用多通道聲發(fā)射系統(tǒng)對(duì)斷鉛位置進(jìn)行定位是完全可行的，時(shí)差線定位偏差不超過(guò)10mm。

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Research of acoustic em ission signal processing and damage source location based on breaking lead test

ZHANG Zhiqiang1，ZHANG Guosheng1，LIU Yanfang1，WANG Junwei1，GAO Sumei2
（1.Institute of Remanufacture and Processing Material，Tianjin Research Institute of Construction Machinery，Tianjin 300409，China；2.Tianjin Vocational Institute，Tianjin 300410，China）

Material fracture damage event was simulated based on breaking lead test.Acoustic emission（AE）characteristic parameters and damage source location were experimentally investigated，respectively.AE signals were decomposed and reconstructed using wavelet transform method.The results show that AE characteristic parameters，such as counts，energy and effective value（root mean square，RMS）were highly sensitive for breaking lead event.However，energy level of AE signals can not be judged by AE amplitude.AE signals generated by breaking lead were decomposed and reconstructed in different frequency bands by four-layer wavelet transform. It is achieved that high-frequency contact friction signals and low-frequency noise signals were filtered.Characteristic information due to lead fracture was accurately extracted.It was feasible that position of breaking lead was located by layout more sensors.Deviation of time lag dimensional location was less than 10 mm.

acoustic emission signals；characteristic parameters；damage source location；wavelet transform

A文章編號(hào)：1674-5124（2015）08-0017-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.08.004

0 引言

聲發(fā)射是指材料因局部損傷導(dǎo)致能量的快速釋放而產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波現(xiàn)象[1-2]。經(jīng)過(guò)60多年的研究，聲發(fā)射檢測(cè)基礎(chǔ)理論已經(jīng)比較成熟，目前制約其廣泛應(yīng)用的主要障礙是聲發(fā)射信號(hào)易被頻率分布廣泛的噪聲掩埋，聲發(fā)射信號(hào)特征提取是故障診斷的主要內(nèi)容。在聲發(fā)射檢測(cè)前，為保證聲發(fā)射傳感器與被測(cè)試件的良好耦合，斷鉛試驗(yàn)是一種穩(wěn)定、可靠、重復(fù)性高的驗(yàn)證方法，常用于模擬損傷源。參數(shù)分析法和波形分析法是聲發(fā)射信號(hào)處理最常用的方法，主要用于描述聲發(fā)射源特性以及評(píng)估材料損傷程度。聲發(fā)射源定位也是聲發(fā)射檢測(cè)的重要內(nèi)容。

2014-09-21；

2014-10-28

天津市科技計(jì)劃項(xiàng)目（14TXSYJC00461）

張志強(qiáng)（1985-），男，天津市人，碩士，主要從事表面工程、裝備再制造壽命評(píng)估等研究。