聲發(fā)射信號處理和分析技術(shù)
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摘 要：介紹聲發(fā)射技術(shù)發(fā)展簡況、聲發(fā)射信號處理面臨的困難及目前所用的各種處理和分析方法。還介紹了聲發(fā)射儀器的發(fā)展概況。
關(guān)鍵詞：聲發(fā)射檢驗；信號處理；分析；聲發(fā)射儀器
聲發(fā)射（AE）可以定義為物體或材料內(nèi)部迅速釋放能量而產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的一種物理現(xiàn)象，而AE信號則表示一個或多個AE事件經(jīng)傳感器接受并經(jīng)系統(tǒng)處理后以某種形式出現(xiàn)的電信號。當(dāng)材料遇到“麻煩”時，它們會“講話”，我們可以利用聲發(fā)射設(shè)備來“聽”諸如裂紋擴(kuò)展、纖維斷裂以及材料其他形式損傷所發(fā)出的“聲音”。AE相應(yīng)的彈性波并不僅局限于可聽聲域，在絕大多數(shù)情況下，其有效頻譜范圍可伸展到數(shù)兆赫甚至數(shù)十兆赫頻段。所以嚴(yán)格地講，聲發(fā)射應(yīng)當(dāng)被稱為應(yīng)力波發(fā)射，但由于歷史的原因，人們已習(xí)慣于將其稱為聲發(fā)射。AE的原機制是各種各樣的，如固體內(nèi)裂紋的形成和擴(kuò)展（裂紋的傳播）、塑性形變、晶體內(nèi)位錯的移動和位錯在釘扎點上的分離、孿晶邊界的移動、復(fù)合材料內(nèi)基體或夾雜物的破裂、分層或纖維的斷裂以及物質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化（包括相變）等。不同的源機制對應(yīng)不同的發(fā)射聲波，因而也對應(yīng)不同的AE信號。盡管引起聲發(fā)射的外部原因是多種多樣的，但其共同點都是由于外部條件的變化（應(yīng)力、溫度和電磁場等），引起物體或結(jié)構(gòu)某一局部或某些部分變得不穩(wěn)定并迅速釋放出能量。AE是正在擴(kuò)展的材料缺陷（裂紋）的指示器，沒有擴(kuò)展，裂紋或材料的缺陷處于靜止?fàn)顟B(tài)，就沒有能量的重新分配，也就沒有聲發(fā)射。換句話說，只有當(dāng)物體受到了永久性形變或永久性損傷時才會產(chǎn)生聲發(fā)射。正因為這樣，AE技術(shù)是檢測材料損傷，特別是早期損傷的有利工具，也是對材料或結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測的重要方法。與此相適應(yīng)，聲發(fā)射信號處理的主要任務(wù)則應(yīng)當(dāng)包括AE源識別、AE源定位和損傷評價等內(nèi)容。
1 聲發(fā)射信號及信號處理的困難所在
與其它無損檢測方法不同的是，AE信號處理技術(shù)面臨的最大難題，或最大困惑首先是AE源的多樣性、信號本身的突發(fā)性和不確定性。在進(jìn)行超聲或渦流檢測時，人們可準(zhǔn)確知道注入被檢材料中信號的特征（幅度、頻率和波形等），并由此可知接收信號的相應(yīng)特征或相當(dāng)發(fā)生的變化。而對于AE檢測技術(shù)而言，情況卻完全不同。不同的AE源機制可以產(chǎn)生完全不同的AE信號，而人們對AE源機制的認(rèn)識總是受到很多條件的限制。因此，說極端一點，檢測人員有時幾乎不知道真正的AE信號究竟應(yīng)是什么樣子。其次，AE信號傳輸途徑的影響也是一個完全不容忽視的因素，但問題在于，傳輸途徑又與AE源位置、被檢對象性質(zhì)（材質(zhì)、形狀和幾何尺寸）、聲耦合劑特征以及接收傳感器位置等諸多因素有關(guān)。圖1可以說明這一問題。
聲源S(t) 輸出信號F(t)
由圖1可見，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，在數(shù)學(xué)上可表示為
F（t）= S（t）* M（t）* C（t）* R（t）
式中 S（t）——聲源的時域函數(shù)
M（t）——傳輸介質(zhì)的脈沖響應(yīng)函數(shù)（格林函數(shù)）
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