声发射信号处理方法

目前采集和处理声发射信号的方法可分为两大类。一种为以多个简化的波形特征参数来表示声发射信号的特征，然后对这些波形特征参数进行分析和处理；另一种为存贮和记录声发射信号的波形，对波形进行频谱分析。简化波形特征参数分析方法是自二十世纪五十年代以来广泛使用的经典的声发射信号分析方法，目前在声发射检测中仍得到广泛应用，且几乎所有声发射检测标准对声发射源的判据均采用简化波形特征参数。
5.1 经典信号处理方法
5.1.1 波形特性参数
     图5.1为突发型标准声发射信号简化波形参数的定义。由这一模型可以得到如下参数：
    (1) 波击（事件）计数；
    (2) 振铃计数；
    (3) 能量；
    (4) 幅度；
    (5) 持续时间；
    (6) 上升时间；
                 图5.1 声发射信号简化波形参数的定义
对于连续型声发射信号，上述模型中只有振铃计数和能量参数可以适用。为了更确切地描述连续型声发射信号的特征，由此又引入了如下两个参数：
(7) 平均信号电平；
(8) 有效值电压。
声发射信号的幅度通常以dBae表示，定义传感器输出1V时为0dB，则幅值为Vae的声发射信号的dBae幅度可由下式算出：
     dBae = 20 lg（Vae/1V）
表5.1列出了常用整数幅度dBae对应的传感器输出电压值。
表5.1常用整数幅度dBae对应的传感器输出电压值
dBae 0 20 40 60 80 100
Vae 1V 10V 100V 1mV 10mV 100mV

    对于实际的声发射信号，由于试样或被检构件的几何效应，声发射信号波形为如图5.2所示的一系列波形包络信号。因此，对每一个声发射通道，通过引入声发射信号撞击定义时间（HDT）来将一连串的波形包络画入一个撞击或划分为不同的撞击信号。对于图5.2的波形，当仪器设定的HDT大于两个波包过门槛的时间间隔T时，则这两个波包被划归为一个声发射撞击信号；但如仪器设定的HDT小于两个波包过门槛的时间间隔T时，则这两个波包被划归分为两个声发射撞击信号。
 
图5.2  声发射撞击信号的定义
表5.2列出了常用声发射信号特性参数的含义和用途。这些参数的累加可以被定义为时间或试验参数(如压力、温度等)的函数,如总事件计数、总振铃计数和总能量计数等。这些参数也可以被定义为随时间或试验参数变化的函数，如声发射事件计数率、声发射振铃计数率和声发射信号能量率等。这些参数之间也可以任意两个组合进行关联分析，如声发射事件-幅度分布、声发射事件能量-持续时间关联图等。

5.1.2 分析识别技术
    (1) 声发射信号参数的列表显示和分析
列表显示是将每个声发射信号参数进行时序排列和直接显示，包括信号到达时间，各个声发射信号参数、外变量、声发射源的坐标等。表5.3为压力容器升压过程中采集到的裂纹扩展声发射信号的参数数据列表。在声发射检测前对声发射系统进行灵敏度测定和模拟源定位精度测试时，直接观察数据列表。对声发射源的强度进行精确分析时也经常采用数据列表显示和分析。

表5.2  声发射信号参数
参数 含义 特点与用途
撞击（Hit）和撞击计数 超过门槛并使某一通道获取数据的任何信号称之为一个撞击。所测得的撞击个数，可分为总计数、计数率 反映声发射活动的总量和频度，常用于声发射活动性评价
事件计数 产生声发射的一次材料局部变化称之为一个声发射事件。可分为总计数、计数率。一阵列中，一个或几个撞击对应一个事件 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价
计数 越过门槛信号的振荡次数，可分为总计数和计数率 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，因而广泛用于声发射活动性评价，但受门槛值大小的影响
幅度 信号波形的最大振幅值，通常用dBae表示（传感器输出1V为0dB） 与事件大小有直接的关系，不受门槛的影响，直接决定事件的可测性，常用于波源的类型鉴别、强度及衰减的测量
能量计数（MARSE） 信号检波包络线下的面积，可分为总计数和计数率 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，可取代振铃计数，也用于波源的类型鉴别
持续时间 信号第一次越过门槛至最终降至门槛所经历的时间间隔，以s表示 与振铃计数十分相似，但常用于特殊波源类型和噪声的鉴别
上升时间 信号第一次越过门槛至最大振幅所经历的时间间隔，以s表示 因受传播的影响而其物理意义变得不明确，有时用于机电噪声鉴别
有效值电压
（RMS） 采样时间内，信号的均方根值，以V表示 与声发射的大小有关，测量简便，不受门槛的影响，适用于连续型信号，主要用于连续型声发射活动性评价
平均信号电平
（ASL） 采样时间内，信号电平的均值，以Db表示 提供的信息和用途与RMS相似，对幅度动态范围要求高而时间分辩率要求不高的连续型信号，尤为有用。也用于背景噪声水平的测量
到达时间 一个声发射波到达传感器的时间，以s表示 决定了波源的位置、传感器间距和传播速度，用于波源的位置计算
外变量 试验过程外加变量，包括时间、载荷、位移、温度及疲劳周次等 不属于信号参数，但属于波击信号参数的数据集，用于声发射活动性分析

表5.3 声发射信号特征参数数据列表
   到达时间       压力    通道   上升时间    计数     能量     持续时间    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) 声发射信号单参数分析方法
由于早期的声发射仪器只能得到计数、能量或者幅度等很少的参数，因此人们早期对声发射信号的分析和评价通常采用单参数分析方法，最常用的单参数分析方法为计数分析法、能量分析法和幅度分析法。
    1) 计数法: 计数法是处理声发射脉冲信号的一种常用方法。目前应用的计数法有声发射事件计数率与振铃计数率及它们的总计数，另外还有一种对振幅加权的计数方式，称为“加权振铃”计数法。声发射事件是由材料内局域变化产生的单个突发型信号，声发射计数(振铃计数)是声发射信号超过某一设定门槛的次数, 信号单位时间超过门槛的次数为计数率, 声发射计数率依赖于传感器的响应频率、换能器的阻尼特性、结构的阻尼特性和门槛的水平。对于一个声发射事件，由换能器探测到的声发射计数为:
                            
             N =     ln                                                               
式中f0 是换能器的响应中心频率, β为波的衰减系数, Vp是峰值电压, Vt为阈值电压。计数法的缺点是易受样品几何形状、传感器的特性及连接方式、门槛电压、放大器和滤波器工作状况等因素的影响。
　　2) 能量分析法: 由于计数法测量声发射信号存在上述缺点，尤其对连续型声发射信号更明显，因而通常采用测量声发射信号的能量来对连续型声发射信号进行分析。目前，声发射信号的能量测量是定量测量声发射信号的主要方法之一。声发射信号的能量正比于图4.1中声发射波形的面积，通常用均方根电压(Vrms)或均方电压(Vms)来进行声发射信号的能量测量。但目前声发射仪器多用数字化电路,因而也可直接测量声发射信号波形的面积。对于突发型声发射信号可以测量每个事件的能量。
　　一个信号V(t)的均方电压和均方根电压定义如下:
                         T
            Vms =         V2(t)dt　                        
                        0
  　　　　　Vrms =  Vms                                    
式中, T是平均时间, V(t)是随时间变化的信号电压。根据电子学中的理论，可以得到Vms随时间的变化就是声发射信号的能量变化率, 声发射信号从t1 到t2 时间内的总能量E可由下式表示:
                     t2               t2
            E ∝   (Vrms)2 dt =    Vms dt                    
                    t1              t1
　　声发射信号能量的测量可以直接与材料的重要物理参数(如发射事件的机械能、应变率或形变机制等)直接联系起来，而不需要建立声发射信号的模型。能量测量同样解决了小幅度连续型声发射信号的测量问题。另外，测量信号的均方根电压或均方电压也有很多优点。首先，Vrms和Vms对电子系统增益和换能器耦合情况的微小变化不太敏感, 且不依赖于任何阈值电压,不象计数技术一样与阈值的大小有紧密关系。其次，Vrms和Vms与连续型声发射信号的能量有直接关系，但对计数技术来说，根本不存在这样的简单关系。第三，Vrms与Vms很容易对不同应变率或不同样品体积进行修正。
    3) 幅度分析法: 信号峰值幅度和幅度分布是一种可以更多地反映声发射源信息的处理方法，信号幅度与材料中产生声发射源的强度有直接关系，幅度分布与材料的形变机制有关。声发射信号幅度的测量同样受换能器的响应频率、换能器的阻尼特性、结构的阻尼特性和门槛电压水平等因素的影响。通过应用对数放大器，既可对声发射大信号也可对声发射小信号进行精确的峰值幅度测量。