聲發(fā)射技術(shù)及其在檢測中的應(yīng)用

摘要：介紹了聲發(fā)射檢測技術(shù)原理及其發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，綜述聲發(fā)射信號處理的困難、降噪方法、信號分析方法、源定位和在檢測中的應(yīng)用。 

關(guān)鍵詞：聲發(fā)射技術(shù)；信號處理；源定位；安全評定 1聲發(fā)射技術(shù)發(fā)展 

現(xiàn)代聲發(fā)射技術(shù)的開始上世紀(jì)50年代初Kaiser在德國所作的研究工作為標(biāo)志。聲發(fā)射技術(shù)在20世紀(jì)70年代初引入我國，希望利用聲發(fā)射進(jìn)行斷裂力學(xué)難點(diǎn)裂紋的開裂點(diǎn)預(yù)報(bào)和測量研究。20世紀(jì)80年代初，國內(nèi)開始嘗試將聲發(fā)射技術(shù)用于壓力容器檢驗(yàn)等工程，但是由于當(dāng)時(shí)聲發(fā)射儀器性能和信號處理方面的限制，以及缺乏對聲發(fā)射源性質(zhì)和聲發(fā)射信號傳輸特性等理論知識，聲發(fā)射技術(shù)陷入低谷。20世紀(jì)80年代中期，從美國PAC公司引進(jìn)聲發(fā)射儀器，使我國聲發(fā)射技術(shù)的研究、應(yīng)用和儀器技術(shù)水平不斷提高。20世紀(jì)90年代至今，隨著聲發(fā)射儀研制國產(chǎn)化程度不斷提高，聲發(fā)射技術(shù)在我國的研究和應(yīng)用呈快速發(fā)展的趨勢。 2聲發(fā)射信號處理分析技術(shù) 

2．1聲發(fā)射信號及信號處理的困難：從時(shí)域形態(tài)上，一般將聲發(fā)射信號分為兩種基本類型：突發(fā)型和連續(xù)型。突發(fā)型信號，指在時(shí)域上可分離的波形。如斷續(xù)的裂紋擴(kuò)展。當(dāng)聲發(fā)射頻度高達(dá)時(shí)域上不可分離的程度時(shí)，就以連續(xù)型信號顯示出來，如流體泄漏信號。突發(fā)信號參數(shù)包括：波擊計(jì)數(shù)、振鈴計(jì)數(shù)、幅度、能量計(jì)數(shù)、上升時(shí)間、持續(xù)時(shí)間和時(shí)差等；連續(xù)信號參數(shù)包括：振鍘寸數(shù)、平均信號電平和有效值電壓。圖2常用信號特征參數(shù)的定義： 

聲發(fā)射信號處理分析是實(shí)現(xiàn)聲發(fā)射源定性識別、定位判斷和定量評價(jià)。AE信號處理面臨的zui大難題，首先是AE源的多樣性、信號本身的突發(fā)性和不確定性。不同的AE源機(jī)制，可以產(chǎn)生*不同的AE信號。其次，AE信號傳輸途徑的影響。AE傳感器所獲得的信號至少是聲源、傳輸介質(zhì)、耦合介質(zhì)和換能器響應(yīng)等因素的綜合結(jié)果。聲發(fā)射信號在材料或結(jié)構(gòu)中經(jīng)多次反射、衰減以及波形轉(zhuǎn)換后，其波形將發(fā)生很大畸變。聲源發(fā)出的聲波可以經(jīng)多種路徑到達(dá)傳感器，因此，所探測到的聲信號波形是不同路徑到達(dá)傳感器聲波的疊加，使信號趨于復(fù)雜。此外，由于傳感器本身的“振鈴”效應(yīng)，從而導(dǎo)致輸出信號更加復(fù)雜。AE信號處理技術(shù)面臨的另外兩大困難是AE信號的微弱性和干擾噪聲的多樣性。聲發(fā)射是以被動檢測的方式用于動態(tài)監(jiān)測，噪聲干擾十分嚴(yán)重，外部干擾噪聲可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于AE信號。AE檢測干擾噪聲主要有：環(huán)境噪聲、機(jī)械噪聲和電子儀器干擾噪聲等。這些噪聲的主要時(shí)域特征是隨機(jī)地分布在整個采樣時(shí)間范圍內(nèi)，不僅影響信號采集速率，而且造成采集的數(shù)據(jù)非常龐大難以有效處理，很難保證AE監(jiān)測的實(shí)時(shí)性。 

2．2克服干擾噪聲的常用方法： 

在AE檢測中，克服干擾噪聲十分重要，也是AE信號的處理方法。常用的降噪的方法如下： 

(1)選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ黝l率。 (2)利用差動傳感器。 

(3)設(shè)置閾值或降低測試靈敏度。同時(shí)去除低于閾值的AE信號和噪聲信號。 (4)在聲源處阻止噪聲發(fā)生。設(shè)備適當(dāng)接地或屏蔽，噪聲源和傳感器問引入屏蔽或衰減介質(zhì)。 

(5)時(shí)間閘門。為抑制來自電源開關(guān)的噪聲，測試電路僅在產(chǎn)生有用AE信號時(shí)才工作。 

(6)負(fù)載控制閘門。采用電子閘門電路，僅在負(fù)荷接近zui大值時(shí)才記錄AE數(shù)據(jù)，排除其他期間噪聲干擾。 2．3 AE信號處理技術(shù) 

2．3．1 AE信號參數(shù)分析：早期的聲發(fā)射儀不具備對信號進(jìn)行瞬態(tài)波形捕捉和實(shí)時(shí)處理的能力，因此信號分析中用得較多的是參數(shù)分析方法。盡管每個聲發(fā)射參數(shù)都能提供與聲發(fā)射源特征的相關(guān)信息，但聲發(fā)射參數(shù)只是對聲發(fā)射信號波形某個特征的描述，用其表征整個聲發(fā)射源的特征具有局限性。參數(shù)分析方法的zui大缺點(diǎn)是有關(guān)AE源本質(zhì)的信息往往被諧振式傳感器自身的特點(diǎn)所掩蓋或模糊掉，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性很差。此外，傳統(tǒng)參數(shù)分析方法認(rèn)為AE信號是以某一固定速度傳播的假設(shè)，在具有較強(qiáng)聲各向異性的復(fù)合材料檢測中受到了嚴(yán)重挑戰(zhàn)。 

2．3．2聲發(fā)射信號波形分析：波形分析是指通過分析聲發(fā)射信號的時(shí)域波形或頻譜特征來獲取信息的一種信號處理方法。從理論上講，波形分析應(yīng)當(dāng)能給出任何所需的信息，因而波形是表達(dá)AE源特征的zui的方法，并可獲得信號的定量信息。美國Gorman等人在復(fù)合材料板的聲發(fā)射波形特征方面提出了“模態(tài)聲發(fā)射”的概念，區(qū)分參數(shù)分析方法。模態(tài)聲發(fā)射技術(shù)基于導(dǎo)波理論，吸收了超聲波傳播中易解釋和接受的物理模型方面的優(yōu)點(diǎn)。被測材料結(jié)構(gòu)中的源或聲發(fā)射事件在負(fù)載作用下產(chǎn)生的是頻率和模態(tài)豐富的導(dǎo)波信號，利用導(dǎo)波理論和牛頓力學(xué)定律將聲發(fā)射應(yīng)用中源定位不準(zhǔn)確、信號解釋困難和噪聲問題等從理論上得到了較好的解釋和表達(dá)，并通過建立簡單明確的物理數(shù)學(xué)模型表征問題。 

2．3．3頻譜分析：頻譜分析方法可以分為經(jīng)典譜分析和現(xiàn)代譜分析，是聲發(fā)射信號處理中zui常用的分析方法。兩種譜分析方法都是通過把聲發(fā)射信號從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域，在頻域中研究聲發(fā)射信號的各種特征，找到識別聲發(fā)射源本征信息。但信號的頻譜分析要求被分析的信號是周期性的平穩(wěn)信號，并且譜分析是一種忽略局部信息變化的全局分析方法。 3聲發(fā)射源的定位技術(shù) 

聲發(fā)射源定位是進(jìn)行聲發(fā)射檢測的一項(xiàng)重要工作，是聲發(fā)射檢測與評定的一項(xiàng)重要指標(biāo)，其準(zhǔn)確程度反映了聲源檢測位置與實(shí)際出現(xiàn)的活動缺陷位置的吻合程度。目前，定位方法主要可以分為時(shí)差定位法、區(qū)域定位法和智能定位法。時(shí)差定位法是根據(jù)同一聲發(fā)射源所發(fā)出的聲發(fā)射信號到達(dá)不同傳感器的時(shí)間差，經(jīng)波速、傳感器間距等參數(shù)的測量和算法運(yùn)算，確定聲源的位置，是一種而復(fù)雜的定位方法。區(qū)域定位是根據(jù)聲發(fā)射信號的傳感器個數(shù)和相對時(shí)差時(shí)序來判定聲發(fā)射源所處的區(qū)域，是一種快速、簡便而粗略的定位方法。 4聲發(fā)射技術(shù)在工程中的應(yīng)用 

聲發(fā)射技術(shù)作為一種新興的動態(tài)無損檢測方法已被廣泛地應(yīng)用在材料試驗(yàn)、航天和航空、金屬加工、等領(lǐng)域。在材料試驗(yàn)中，由于聲發(fā)射對缺陷起始和擴(kuò)展*的敏感性，及其所具有的動態(tài)檢測強(qiáng)度秘評估使用壽命的*功能，聲發(fā)射技術(shù)用在材料的性能測試、斷裂試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)、腐蝕監(jiān)測和摩擦測試，鐵磁性材料的磁聲發(fā)射測試等方面。采用聲發(fā)射技術(shù)已能檢測每根碳纖維或玻璃纖維絲束的斷裂及絲柬斷裂載荷的分布，從而評價(jià)碳纖維或玻璃纖維絲束的質(zhì)量。 

在航天和航空工業(yè)上，利用聲發(fā)射技術(shù)對航空器殼體和主要構(gòu)件的檢測和結(jié)構(gòu)完整性評價(jià)，航空器的時(shí)效試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)撿測運(yùn)行過程中的在線連續(xù)監(jiān)測等。首先研究裂紋擴(kuò)展與聲發(fā)射信號包絡(luò)參數(shù)之間的關(guān)系，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)處理，建立聲發(fā)射數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)與裂紋擴(kuò)展之聞的關(guān)系，利用了波形分析技術(shù)進(jìn)行信號識別和分析，從而獲得與損傷有關(guān)的聲源(裂紋擴(kuò)展)信息，識別聲發(fā)射信號與噪聲，完成了對飛機(jī)、航天器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的聲發(fā)射疲勞監(jiān)測。 

在金屬加工中，工具磨損和斷裂的探測，打磨輪或整形裝置與工件接觸的探測，修理整形的驗(yàn)證，金屬加工過程的質(zhì)量控制，焊接過程監(jiān)測，振動探測，鍛壓測試，加工過程的碰撞探測和預(yù)防。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)AE總計(jì)數(shù)與刀具后刀面的磨損存在著非常密切的相關(guān)性，刀具破損時(shí)AE信號比正常切削時(shí)大得多，并且大都有前兆信號。因此，可以利用AE監(jiān)測刀具破損。 5結(jié)束語 

目前，雖然我國的聲發(fā)射技術(shù)取得了很大進(jìn)展，但與歐美等王照發(fā)達(dá)國家相比，在很多方面還有差距，在缺陷檢測和監(jiān)測和結(jié)構(gòu)評價(jià)等方面需要研究的工作： 

(1)聲發(fā)射波傳播和波形轉(zhuǎn)換方蘧的理論研究，為聲發(fā)射技術(shù)在工程應(yīng)用提供理論依據(jù)； 

(2)開發(fā)適用于各種工程檢測聲發(fā)射信號數(shù)據(jù)分析與處理軟件和儀器；(3)研制適用不同環(huán)境、不同結(jié)構(gòu)和性能的聲發(fā)射傳感器，促進(jìn)聲發(fā)射技術(shù)的應(yīng)用。 

(4)同模式識別和預(yù)測技術(shù)相結(jié)合，充分利用聲發(fā)射信號包含的聲發(fā)射源信息，實(shí)現(xiàn)聲發(fā)射源模式識別、結(jié)構(gòu)失效預(yù)測和自動報(bào)警。 

(5)加強(qiáng)聲發(fā)射儀的開發(fā)和研制，尤其全數(shù)字式聲發(fā)射儀的開發(fā)和生產(chǎn)，國內(nèi)在這方面尤為落后。 

(6)制定聲發(fā)射檢測／監(jiān)測、評價(jià)的新方法及標(biāo)準(zhǔn)。