張希強(qiáng)

(上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，上海 201306)

聲發(fā)射信號的參數(shù)分析法雖然存在很多缺陷，但是迄今為止它仍然是聲發(fā)射信號分析中比較有效的方法之一。它通過幾個聲發(fā)射的特征參數(shù)來表示其信號特征，并以此達(dá)到對信號進(jìn)行分析和識別的目的。

1 聲發(fā)射參數(shù)及定義

圖1 是常用聲發(fā)射參數(shù)的定義示意圖［1］，常見聲發(fā)射信號的特征參數(shù)如下［2］:

(1)振鈴計(jì)數(shù):在聲發(fā)射信號采集過程中，當(dāng)信號幅值超過事先設(shè)定的閥值電壓時將出現(xiàn)一個脈沖，該脈沖就是振鈴計(jì)數(shù)的觸發(fā)信號。超過閥值電壓的每個震蕩波就是一個振鈴計(jì)數(shù)。

(2)事件計(jì)數(shù):在聲發(fā)射源有活動時，聲發(fā)射信號首次越過門檻電壓起，在一定時段無新的振鈴信號產(chǎn)生，這個過程就是一個事件。事件計(jì)數(shù)常用于聲發(fā)射信號活躍性及定位集中度的評價(jià)。

(3)幅度:在聲發(fā)射信號所有時間歷程中的最大振幅值稱為幅度，單位為dB，反應(yīng)了信號強(qiáng)度的大小及衰減快慢程度，其大小決定信號的可檢測性。

圖1 常用聲發(fā)射參數(shù)的定義示意圖Figure 1 Schematic sketch of familiar acoustic emission parameters definition

(4)能量:能量是指檢測信號包絡(luò)線所包圍的面積，分為計(jì)數(shù)率及總計(jì)數(shù)，它表征聲發(fā)射事件的相對強(qiáng)度及能量。

(5)上升時間:聲發(fā)射信號從首次大于閥值電壓到最大振幅時所經(jīng)歷的時間長度稱為上升時間?？梢岳寐暟l(fā)射信號上升時間來鑒別及濾除機(jī)械或電子干擾噪聲。

(6)脈沖持續(xù)時間:聲發(fā)射信號從首次大于閥值電壓到首次小于閥值電壓所經(jīng)歷的時間長度稱為持續(xù)時間。其大小與閥值電壓有關(guān)，可以用于噪聲鑒別。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

實(shí)驗(yàn)中信號分析設(shè)備為美國物理聲學(xué)公司(PAC)的數(shù)字聲發(fā)射儀器(采用MICRO SAMOSAC 系統(tǒng)主機(jī)，搭配PCI-2 工業(yè)型采集卡)、實(shí)驗(yàn)試件為箱型梁模型、信號采集設(shè)備為聲發(fā)射傳感器(型號:DP151)，其他附件包括千斤頂及相關(guān)信號傳輸線等。箱型梁加載實(shí)驗(yàn)示意圖見圖2 所示。

試驗(yàn)中箱型梁模型所用鋼材為Q235 鋼，為了在試驗(yàn)臺上加載方便，模型尺寸根據(jù)起重機(jī)箱型梁比例加工成400 mm×133 mm×170 mm 大小，材料厚度為4 mm。實(shí)物圖如圖3 所示。牌號Q235 碳素結(jié)構(gòu)鋼的元素成分及其力學(xué)性能見表1。

圖2 箱型梁加載實(shí)驗(yàn)示意圖Figure 2 Schematic sketch of box girder load test

圖3 箱型梁加載前后的情況Figure 3 Various situation of box girder before and after load

2.2 箱型梁實(shí)驗(yàn)結(jié)果及參數(shù)分析

(1)聲發(fā)射信號振鈴計(jì)數(shù)特性

由圖4a 振鈴計(jì)數(shù)分布圖可知，振鈴計(jì)數(shù)范圍也較寬，大約在1～2 250 左右，振鈴計(jì)數(shù)歷程圖(圖4b)中主要振鈴計(jì)數(shù)分布為1～100，試件開始加載階段振鈴計(jì)數(shù)較多。

(2)聲發(fā)射信號幅值特性

根據(jù)圖5 所顯示的信號幅值特性圖，我們發(fā)現(xiàn)在剛開始加載的一段時間出現(xiàn)的撞擊信號較多，產(chǎn)生了大量聲發(fā)射信號，因此其幅值也比較大。在加載過程中對試件進(jìn)行保載，從幅值歷程圖中我們發(fā)現(xiàn)在保載時段無聲發(fā)射信號出現(xiàn)。隨著繼續(xù)對試件加載，在某些時段又出現(xiàn)大量聲發(fā)射信號;這可能是由于試件加載過程中經(jīng)歷了彈性變形，塑性變形以及裂紋擴(kuò)展階段的緣故。從幅值分布圖中我們發(fā)現(xiàn)40 dB～50 dB 的聲發(fā)射信號最多;同時從幅值歷程圖中可知聲發(fā)射幅值多數(shù)分布在剛開始加載時段。

(3)聲發(fā)射信號能量特性

根據(jù)圖6 聲發(fā)射信號能量分布圖可知，信號的能量范圍分布很廣，大約在1～1 350 之間，主要能量分布為1～40。從能量歷程圖所反映的特性發(fā)現(xiàn)，聲發(fā)射信號能量主要累計(jì)在剛開始加載的一段時間內(nèi)，而隨著時間推移越來越少;這與前面的幅值特性圖所反映的特征是相吻合的。

(4)聲發(fā)射信號上升時間特性

通過圖7 上升時間特性圖所示上升時間范圍大約為1 μs～6 300 μs，主要上升時間分布范圍為1 μs～300 μs。

表1 Q235 碳素結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分及力學(xué)性能［3］Table 1 Chemical compositions and mechanical properties of Q235 carbon steel

圖4 聲發(fā)射信號振鈴計(jì)數(shù)特性圖Figure 4 Characteristic chart of acoustic emission signal ring count

圖5 聲發(fā)射信號幅值特性圖Figure 5 Crest characteristic chart of acoustic emission signal

圖6 聲發(fā)射信號能量特性圖Figure 6 Energy characteristic chart of acoustic emission signal

圖7 聲發(fā)射信號上升時間特性圖Figure 7 Rise time characteristic chart of acoustic emission signal

圖8 聲發(fā)射源持續(xù)時間特性圖Figure 8 Continuous time characteristic of acoustic emission source

(5)聲發(fā)射信號持續(xù)時間特性

圖8 是聲發(fā)射持續(xù)時間特性圖。由持續(xù)時間特性圖可知，持續(xù)時間范圍大約為1 μs～31 000 μs，主要持續(xù)時間分布范圍為1 μs～2 500 μs。

通過以上各個參數(shù)的分析，總結(jié)出箱型梁聲發(fā)射信號特性參數(shù)特征及范圍，見表2。

表2 箱型梁聲發(fā)射信號特性參數(shù)特征及范圍Table 2 Property parameter feature and scope of box girder acoustic emission signal

3 結(jié)論

通過前面的對比分析表明，試件在開始加載階段聲發(fā)射事件非?；钴S，其中40 dB～50 dB 的聲發(fā)射信號最多。在保載時段聲發(fā)射事件幾乎不存在，這與著名的Kaiser 效應(yīng)［4］的結(jié)論是一樣的。在材料發(fā)生彈性形變階段，聲發(fā)射信號活躍程度最高，而且能量相比其他形變階段也最大?？傊?，利用聲發(fā)射信號相關(guān)參數(shù)分析方法可以直觀的分析出信號的特性，在聲發(fā)射技術(shù)的發(fā)展和以后的研究過程中有著不可替代的作用。

［1］沈功田，耿榮生，劉時風(fēng).聲發(fā)射信號的參數(shù)分析方法［J］.無損檢測，2002，2:72-75.

［2］李孟源，尚振東，蔡海潮，董冠強(qiáng).聲發(fā)射檢測及信號處理［M］.北京:科學(xué)出版社.2010.

［3］鄭峰.常用金屬材料手冊［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2005.5.

［4］He Yan-Jiang，Qi Ming-Xia，Luo Hong-Mei.AE based fault diagnosis of rolling bearings by use of ICA and SVM.Zhendong yu Chongji/Journal of Vibration and Shock.2008，27(3):150-153.