聲發(fā)射信號處理方法

目前采集和處理聲發(fā)射信號的方法可分為兩大類。一種為以多個簡化的波形特征參數(shù)來表示聲發(fā)射信號的特征，然后對這些波形特征參數(shù)進(jìn)行分析和處理；另一種為存貯和記錄聲發(fā)射信號的波形，對波形進(jìn)行頻譜分析。簡化波形特征參數(shù)分析方法是自二十世紀(jì)五十年代以來廣泛使用的經(jīng)典的聲發(fā)射信號分析方法，目前在聲發(fā)射檢測中仍得到廣泛應(yīng)用，且?guī)缀跛新暟l(fā)射檢測標(biāo)準(zhǔn)對聲發(fā)射源的判據(jù)均采用簡化波形特征參數(shù)。
5.1 經(jīng)典信號處理方法
5.1.1 波形特性參數(shù)
???? 圖5.1為突發(fā)型標(biāo)準(zhǔn)聲發(fā)射信號簡化波形參數(shù)的定義。由這一模型可以得到如下參數(shù)：
??? (1) 波擊（事件）計數(shù)；
??? (2) 振鈴計數(shù)；
??? (3) 能量；
??? (4) 幅度；
??? (5) 持續(xù)時間；
??? (6) 上升時間；
???????????????? 圖5.1 聲發(fā)射信號簡化波形參數(shù)的定義
對于連續(xù)型聲發(fā)射信號，上述模型中只有振鈴計數(shù)和能量參數(shù)可以適用。為了更確切地描述連續(xù)型聲發(fā)射信號的特征，由此又引入了如下兩個參數(shù)：
(7) 平均信號電平；
(8) 有效值電壓。
聲發(fā)射信號的幅度通常以dBae表示，定義傳感器輸出1?V時為0dB，則幅值為Vae的聲發(fā)射信號的dBae幅度可由下式算出：
???? dBae = 20 lg（Vae/1?V）
表5.1列出了常用整數(shù)幅度dBae對應(yīng)的傳感器輸出電壓值。
表5.1常用整數(shù)幅度dBae對應(yīng)的傳感器輸出電壓值
dBae?0?20?40?60?80?100
Vae?1?V?10?V?100?V?1mV?10mV?100mV

??? 對于實際的聲發(fā)射信號，由于試樣或被檢構(gòu)件的幾何效應(yīng)，聲發(fā)射信號波形為如圖5.2所示的一系列波形包絡(luò)信號。因此，對每一個聲發(fā)射通道，通過引入聲發(fā)射信號撞擊定義時間（HDT）來將一連串的波形包絡(luò)畫入一個撞擊或劃分為不同的撞擊信號。對于圖5.2的波形，當(dāng)儀器設(shè)定的HDT大于兩個波包過門檻的時間間隔T時，則這兩個波包被劃歸為一個聲發(fā)射撞擊信號；但如儀器設(shè)定的HDT小于兩個波包過門檻的時間間隔T時，則這兩個波包被劃歸分為兩個聲發(fā)射撞擊信號。
?
圖5.2? 聲發(fā)射撞擊信號的定義
表5.2列出了常用聲發(fā)射信號特性參數(shù)的含義和用途。這些參數(shù)的累加可以被定義為時間或試驗參數(shù)(如壓力、溫度等)的函數(shù),如總事件計數(shù)、總振鈴計數(shù)和總能量計數(shù)等。這些參數(shù)也可以被定義為隨時間或試驗參數(shù)變化的函數(shù)，如聲發(fā)射事件計數(shù)率、聲發(fā)射振鈴計數(shù)率和聲發(fā)射信號能量率等。這些參數(shù)之間也可以任意兩個組合進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，如聲發(fā)射事件-幅度分布、聲發(fā)射事件能量-持續(xù)時間關(guān)聯(lián)圖等。

5.1.2 分析識別技術(shù)
??? (1) 聲發(fā)射信號參數(shù)的列表顯示和分析
列表顯示是將每個聲發(fā)射信號參數(shù)進(jìn)行時序排列和直接顯示，包括信號到達(dá)時間，各個聲發(fā)射信號參數(shù)、外變量、聲發(fā)射源的坐標(biāo)等。表5.3為壓力容器升壓過程中采集到的裂紋擴展聲發(fā)射信號的參數(shù)數(shù)據(jù)列表。在聲發(fā)射檢測前對聲發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行靈敏度測定和模擬源定位精度測試時，直接觀察數(shù)據(jù)列表。對聲發(fā)射源的強度進(jìn)行精確分析時也經(jīng)常采用數(shù)據(jù)列表顯示和分析。

表5.2? 聲發(fā)射信號參數(shù)
參數(shù)?含義?特點與用途
撞擊（Hit）和撞擊計數(shù)?超過門檻并使某一通道獲取數(shù)據(jù)的任何信號稱之為一個撞擊。所測得的撞擊個數(shù)，可分為總計數(shù)、計數(shù)率?反映聲發(fā)射活動的總量和頻度，常用于聲發(fā)射活動性評價
事件計數(shù)?產(chǎn)生聲發(fā)射的一次材料局部變化稱之為一個聲發(fā)射事件。可分為總計數(shù)、計數(shù)率。一陣列中，一個或幾個撞擊對應(yīng)一個事件?反映聲發(fā)射事件的總量和頻度，用于源的活動性和定位集中度評價
計數(shù)?越過門檻信號的振蕩次數(shù)，可分為總計數(shù)和計數(shù)率?信號處理簡便，適于兩類信號，又能粗略反映信號強度和頻度，因而廣泛用于聲發(fā)射活動性評價，但受門檻值大小的影響
幅度?信號波形的最大振幅值，通常用dBae表示（傳感器輸出1?V為0dB）?與事件大小有直接的關(guān)系，不受門檻的影響，直接決定事件的可測性，常用于波源的類型鑒別、強度及衰減的測量
能量計數(shù)（MARSE）?信號檢波包絡(luò)線下的面積，可分為總計數(shù)和計數(shù)率?反映事件的相對能量或強度。對門檻、工作頻率和傳播特性不甚敏感，可取代振鈴計數(shù)，也用于波源的類型鑒別
持續(xù)時間?信號第一次越過門檻至最終降至門檻所經(jīng)歷的時間間隔，以?s表示?與振鈴計數(shù)十分相似，但常用于特殊波源類型和噪聲的鑒別
上升時間?信號第一次越過門檻至最大振幅所經(jīng)歷的時間間隔，以?s表示?因受傳播的影響而其物理意義變得不明確，有時用于機電噪聲鑒別
有效值電壓
（RMS）?采樣時間內(nèi)，信號的均方根值，以V表示?與聲發(fā)射的大小有關(guān)，測量簡便，不受門檻的影響，適用于連續(xù)型信號，主要用于連續(xù)型聲發(fā)射活動性評價
平均信號電平
（ASL）?采樣時間內(nèi)，信號電平的均值，以Db表示?提供的信息和用途與RMS相似，對幅度動態(tài)范圍要求高而時間分辯率要求不高的連續(xù)型信號，尤為有用。也用于背景噪聲水平的測量
到達(dá)時間?一個聲發(fā)射波到達(dá)傳感器的時間，以?s表示?決定了波源的位置、傳感器間距和傳播速度，用于波源的位置計算
外變量?試驗過程外加變量，包括時間、載荷、位移、溫度及疲勞周次等?不屬于信號參數(shù)，但屬于波擊信號參數(shù)的數(shù)據(jù)集，用于聲發(fā)射活動性分析

表5.3 聲發(fā)射信號特征參數(shù)數(shù)據(jù)列表
?? 到達(dá)時間?????? 壓力??? 通道?? 上升時間??? 計數(shù)???? 能量???? 持續(xù)時間??? 幅度
MM:SS.mmmuuun??? PARA1???? CH????? RISE????? COUN???? ENER???? DURATION??? AMP
01:18.9101730??? 36.60????? 3?????? 81??????? 92?????? 57??????? 3222????? 59?
01:18.9103205??? 36.60???? 12????? 133??????? 49?????? 48??????? 6243????? 51?
01:18.9104999??? 36.60????? 4?????? 69??????? 62?????? 86??????? 6899????? 55?
01:18.9112070??? 36.60????? 8?????? 29??????? 27?????? 53??????? 1947????? 51?
??? (2) 聲發(fā)射信號單參數(shù)分析方法
由于早期的聲發(fā)射儀器只能得到計數(shù)、能量或者幅度等很少的參數(shù)，因此人們早期對聲發(fā)射信號的分析和評價通常采用單參數(shù)分析方法，最常用的單參數(shù)分析方法為計數(shù)分析法、能量分析法和幅度分析法。
??? 1) 計數(shù)法: 計數(shù)法是處理聲發(fā)射脈沖信號的一種常用方法。目前應(yīng)用的計數(shù)法有聲發(fā)射事件計數(shù)率與振鈴計數(shù)率及它們的總計數(shù)，另外還有一種對振幅加權(quán)的計數(shù)方式，稱為“加權(quán)振鈴”計數(shù)法。聲發(fā)射事件是由材料內(nèi)局域變化產(chǎn)生的單個突發(fā)型信號，聲發(fā)射計數(shù)(振鈴計數(shù))是聲發(fā)射信號超過某一設(shè)定門檻的次數(shù), 信號單位時間超過門檻的次數(shù)為計數(shù)率, 聲發(fā)射計數(shù)率依賴于傳感器的響應(yīng)頻率、換能器的阻尼特性、結(jié)構(gòu)的阻尼特性和門檻的水平。對于一個聲發(fā)射事件，由換能器探測到的聲發(fā)射計數(shù)為:
????????????????????????????
???????????? N =???? ln???????????????????????????????????????????????????????????????
式中f0 是換能器的響應(yīng)中心頻率, β為波的衰減系數(shù), Vp是峰值電壓, Vt為閾值電壓。計數(shù)法的缺點是易受樣品幾何形狀、傳感器的特性及連接方式、門檻電壓、放大器和濾波器工作狀況等因素的影響。
　　2) 能量分析法: 由于計數(shù)法測量聲發(fā)射信號存在上述缺點，尤其對連續(xù)型聲發(fā)射信號更明顯，因而通常采用測量聲發(fā)射信號的能量來對連續(xù)型聲發(fā)射信號進(jìn)行分析。目前，聲發(fā)射信號的能量測量是定量測量聲發(fā)射信號的主要方法之一。聲發(fā)射信號的能量正比于圖4.1中聲發(fā)射波形的面積，通常用均方根電壓(Vrms)或均方電壓(Vms)來進(jìn)行聲發(fā)射信號的能量測量。但目前聲發(fā)射儀器多用數(shù)字化電路,因而也可直接測量聲發(fā)射信號波形的面積。對于突發(fā)型聲發(fā)射信號可以測量每個事件的能量。
　　一個信號V(t)的均方電壓和均方根電壓定義如下:
???????????????????????? ?T
??????????? Vms =???????? V2(t)dt　????????????????????????
??????????????????????? 0
? 　　　　　Vrms = ? Vms????????????????????????????????????
式中, ?T是平均時間, V(t)是隨時間變化的信號電壓。根據(jù)電子學(xué)中的理論，可以得到Vms隨時間的變化就是聲發(fā)射信號的能量變化率, 聲發(fā)射信號從t1 到t2 時間內(nèi)的總能量E可由下式表示:
???????????????????? t2?????????????? t2
??????????? E ∝?? (Vrms)2 dt =??? Vms dt????????????????????
??????????????????? t1????????????? t1
　　聲發(fā)射信號能量的測量可以直接與材料的重要物理參數(shù)(如發(fā)射事件的機械能、應(yīng)變率或形變機制等)直接聯(lián)系起來，而不需要建立聲發(fā)射信號的模型。能量測量同樣解決了小幅度連續(xù)型聲發(fā)射信號的測量問題。另外，測量信號的均方根電壓或均方電壓也有很多優(yōu)點。首先，Vrms和Vms對電子系統(tǒng)增益和換能器耦合情況的微小變化不太敏感, 且不依賴于任何閾值電壓,不象計數(shù)技術(shù)一樣與閾值的大小有緊密關(guān)系。其次，Vrms和Vms與連續(xù)型聲發(fā)射信號的能量有直接關(guān)系，但對計數(shù)技術(shù)來說，根本不存在這樣的簡單關(guān)系。第三，Vrms與Vms很容易對不同應(yīng)變率或不同樣品體積進(jìn)行修正。
??? 3) 幅度分析法: 信號峰值幅度和幅度分布是一種可以更多地反映聲發(fā)射源信息的處理方法，信號幅度與材料中產(chǎn)生聲發(fā)射源的強度有直接關(guān)系，幅度分布與材料的形變機制有關(guān)。聲發(fā)射信號幅度的測量同樣受換能器的響應(yīng)頻率、換能器的阻尼特性、結(jié)構(gòu)的阻尼特性和門檻電壓水平等因素的影響。通過應(yīng)用對數(shù)放大器，既可對聲發(fā)射大信號也可對聲發(fā)射小信號進(jìn)行精確的峰值幅度測量。