聲發(fā)射信號及其處理方法研究

鄭旭

摘 要：隨著我國工業(yè)的信息科技含量越來越高，我國工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備對精度的要求越來越高，許多設(shè)備需要特定的材料用作關(guān)鍵部件，同時許多構(gòu)件長時間超負荷運載造成許多肉眼不可見的損傷。因此，需要一種操作簡便、精度達標的方法對構(gòu)件的性能和損傷進行準確的檢測。本文以聲發(fā)射信號技術(shù)為主題，討論其工作原理與實際處理方法應(yīng)用，簡要分析科研和生產(chǎn)中該方法的實際意義。

關(guān)鍵詞：聲發(fā)射信號；處理；方法研究

一、聲發(fā)射信號

（一）聲發(fā)射信號的定義

聲發(fā)射亦稱應(yīng)力波發(fā)射，是指材料局部在受到應(yīng)力突變時因能量快速釋放而發(fā)生的瞬時彈性波現(xiàn)象，與有限單元分析和光學分析法共同成為彈性力學和損傷力學研究的主要分析方法。其工作原理是借助聲發(fā)射技術(shù)運用聲發(fā)射檢測系統(tǒng)對瞬時彈性應(yīng)變所造成的聲波現(xiàn)象進行數(shù)據(jù)的采集、記錄和分析等工作，并對檢測構(gòu)件經(jīng)聲波攻擊后的強度、位置和發(fā)生條件等性質(zhì)進行綜合評價的技術(shù)。作為一種動態(tài)檢測方法，聲發(fā)射檢測技術(shù)因其精密性和直觀性，已經(jīng)成為了廣泛應(yīng)用的對材料結(jié)構(gòu)性能評價的科學檢測方法，廣泛應(yīng)用于材料的強度測定、損傷評估和壽命測試等領(lǐng)域的研究。

作為聲發(fā)射系統(tǒng)的主要功能，聲發(fā)射信號分析和處理是聲發(fā)射技術(shù)的重要環(huán)節(jié)。如何在聲發(fā)射信號檢測的過程中中排除外部環(huán)境擾動對檢測結(jié)果的干擾是聲發(fā)射信號處理的主要任務(wù)。同時作為一個針對于材料指標測定的實驗過程，其建立聲發(fā)射信號波形與材料失效模式之間的聯(lián)系是聲發(fā)射信號技術(shù)的重要任務(wù)。

（二）聲發(fā)射信號的檢測原理

通過收集材料因彈性應(yīng)變所釋放出的能量數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)化為電子信號即聲發(fā)射信號，通過觀察振動圖，分析材料應(yīng)變所釋放的能量，進而得出材料的各項指標模量。

二、聲發(fā)射信號的處理方法

現(xiàn)有的聲發(fā)射信號處理方法主要有參數(shù)分析法和波形分析法兩種

（一）參數(shù)分析法

作為伴隨聲發(fā)射信號系統(tǒng)誕生的經(jīng)典處理方法，參數(shù)分析法是所有聲發(fā)射信號處理方法中最快、操作最簡便的一個，實用性較強，若無精確度要求，是實際工程中最佳的處理方法。它是根判斷聲發(fā)射源的依據(jù)主要是發(fā)射信號某些特征參數(shù)變化規(guī)律及各參數(shù)間相互關(guān)系，根據(jù)分析結(jié)果的類型，參數(shù)分析法可分為以下幾類：a、以計數(shù)分析、能量分析及幅度分析為代表的單參數(shù)分析方法；b、分布圖分析法；c、經(jīng)歷圖分析法；d、關(guān)聯(lián)圖分析法。

（二）波形分析法

作為比參數(shù)分析法較精確的處理方法，波形分析法更多運用于科研領(lǐng)域，其工作的方式也隨著電子科技產(chǎn)品的更新而不斷改進。進入信息時代以來，波形分析主要以小波分析、模式識別、統(tǒng)計理論等為理論基礎(chǔ)演變出新的波形分析方法。

a、小波分析。小波分析是基于彈性力學有限單元分析理論的分析方式，針對局部材料構(gòu)件的觀察實驗，進行數(shù)據(jù)微元化分析，縮小尺度軸可將有限單元無限微縮化，伸長尺度軸可將微元體進行整合，得出關(guān)聯(lián)性數(shù)據(jù)，最終達到高頻處時間細分，低頻處頻率細分，能自動適應(yīng)時頻信號分析的要求，從而可聚焦到信號的任意細節(jié)。變換的困難問題。目前已廣泛應(yīng)用于聲發(fā)射信號的消噪、特征提取、信號識別與定位中。

b、模式識別與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。模式識別與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)都是通過對人腦的模擬分析，對不同事物的自動識別、認知和區(qū)分的方式。其經(jīng)常利用在聲發(fā)射信號實驗得到的數(shù)據(jù)進行材料的區(qū)分比對、全壽命維護工作。

三、聲發(fā)射信號的處理方法的應(yīng)用

（一）聲發(fā)射信號的處理方法在滾動軸承檢測中應(yīng)用

1）參數(shù)分析方法在滾動軸承檢測中應(yīng)用。參數(shù)分析法檢測經(jīng)歷了漫長的研究過程，最終成為了成熟高效的工程檢測方法，因此在實際生產(chǎn)過程中，軸承的檢測一般都是運用參數(shù)分析法進行快速檢測，目的是確定軸承存在問題的位置和軸承運行正常性的確定。軸承的內(nèi)圈最容易發(fā)生問題，因此需用參數(shù)分析法，對其進行信號的振鈴計數(shù)，得出對周內(nèi)壁的檢測參數(shù)。若存在缺陷較大的參數(shù)值時，本方法的缺點將暴露出來，針對缺陷較大的數(shù)值，本方法受限于精度，無法提供缺陷擴展的有效數(shù)據(jù)。振鈴計數(shù)法和峰值分布法也可只對缺陷的早期現(xiàn)象提供準確的數(shù)據(jù)，而針對更加深處細微的損傷，參數(shù)分析法就應(yīng)借助事件持續(xù)期限與缺陷構(gòu)件量程的關(guān)系，由波形對構(gòu)件的缺陷尺寸進行破壞程度的深層次分析。

2）小波分析在滾動軸承檢測中的應(yīng)用。利用小波分析理論，變換技術(shù)進行滾動軸承故障的早期診斷。其主要檢查對象就是構(gòu)件的撓曲程度，因此需要利用小波分析方法，收集構(gòu)件應(yīng)變所產(chǎn)生的波形，從而繪制出包絡(luò)圖，分析其撓曲程度是否正常，并根據(jù)各小波區(qū)間在時間定義域和頻率定義域中在總能量中所占百分比。

3）模式識別與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在滾動軸承檢測中的應(yīng)用。采集信號的持續(xù)時間、峰值和能量三個變量進行三維聚類分析，訓練其準確率，若達到97%，則有效地實現(xiàn)了軸承的故障模式識別。采用聲發(fā)射技術(shù)可成功監(jiān)測低速旋轉(zhuǎn)滾動軸承，試驗設(shè)備檢測結(jié)果表明由于軸承滑動摩擦而產(chǎn)生聲發(fā)射信號，設(shè)置系數(shù)作為缺陷特征進行分類可用于確定軸承的機械完整性。采用此方法可識別軸承上很小缺陷，確保軸承缺陷監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果的可靠性。

4）混合信號處理技術(shù)在滾動軸承檢測中的應(yīng)用。充分利用不同材料和同種材料不同損害方式聲音不同的特點，對軸承采用能量收集分析，頻譜分析和連續(xù)小波變化分析的組合分析方式，按照全流程對軸承從整體到細部全面進行聲發(fā)射信號分析，并且得到完整的空間數(shù)據(jù)和頻率數(shù)據(jù)。

（二）聲發(fā)射信號的處理方法在材料損傷領(lǐng)域的應(yīng)用

1）特征參數(shù)法。特征參數(shù)法主要包括記數(shù)法和波形特征參數(shù)法。其中記數(shù)法包括聲發(fā)射事件計數(shù)法和振鈴計數(shù)率以及他們的總記數(shù)，還有對振幅加權(quán)的記數(shù)的加權(quán)振鈴法。這兩種方法高效、操作方便，但受構(gòu)件幾何形狀影響較大，不適合做較高精度的聲發(fā)射信號處理實驗。波形特征參數(shù)法是通過統(tǒng)計發(fā)射的波形特征繪制出材料損傷的直方圖和一定時間段內(nèi)的損傷趨勢圖。

2）譜估計法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別法和小波分析法。譜估計法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別法和小波分析法的損傷應(yīng)用與其在軸承檢驗的方法相同。

參考文獻：

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