第5章声发射信号处理方法
声发射信号处理方法分析
声发射信号处理方法分析声发射的定义可以分为广义和狭义两种，狭义通常认为材料受外力或内力作用，局域源快速释放能量而产生瞬态弹性波的现象称为声发射（ＡｃｏｕｓｔｉｃＥｍｉｓｓｉｏｎ），简称ＡＥ。
广义的声发射认为像泄漏等外力作用下，激发能量波在材料中传播的现象也是一种声发射。
声发射是一种常见的物理现象，大多数材料变形和断裂时有声发射发生。
但许多材料的声发射信号强度很弱，人耳不能直接听见，需要借助灵敏的电子仪器才能检测出来。
用仪器探测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号对声发射源进行定量、定性和定位的技术称为声发射检测技术。
其基本原理如图１所示。
声发射检测技术作为一种动态无损检测方法已经广泛用于各种材料或结构的稳定性评价。
声发射检测的目的就是尽早地发现声发射源和尽可能多地得到声发射源的信息。
目前，常用的声发射信号的处理方法有特征参量法和波形分析法。
１．声发射信号的特征参量分析法声发射信号特征参量分析法，即对声发射信号特征参量进行处理，用声发射特征参量描述声发射源特性的分析方法。
目前，声发射特征参量主要有声发射信号的幅度、能量、振铃计数、事件、上升时声发射信号处理方法分析谢朝阳１，２１，中南大学资安院４１００８３；２，湖南工学院基础课部４２１００２间、持续时间和门槛电压等（如图２所示）。
这种声发射信号处理技术的研究主要集中在对声发射信号的有效性分析上，主要采用的方法有幅度鉴别、频率鉴别、空间滤波、软件剔噪和信号的事后处理等。
参量分析法中为了能找到声发射源的特性和内在规律，人们通常使用关联图分析法，即将幅度、持续时间、能量、到达时间、均方根电压值、撞击数、撞击数率、外接参量等之间任意两个变量做关联分析。
从声发射参量的关联图中可以找出声发射信号的变化规律，可以区分不同特性的信号。
２．声发射信号的谱估计方法波形频谱分析是通过分析声发射信号的时域或频域波形来获得信息的一种信号处理方法。
谱估计可分为经典谱估计和现代谱估计两大类。
声发射信号及其处理方法研究
声 发射 信 号 （ 一） 声发 射 信 号 的 定 义
、
声发射亦称应力波发射 ，是指材料局部在受到应力 突变 时 因能量快速释放而发生的瞬时弹性 波现象 ，与有 限单元分析 和 光 学分析 法共 同成 为弹 性力学 和损伤力 学研究 的主要 分析方 法 。其工作原理是借助声发射技术 运用声发射检测 系统对 瞬时 弹性应变所造成 的声波现象进行数据的采集 、记 录和分析 等工 作， 并对检测构件经声 波攻击后 的强度 、 位置和发 生条件 等性质 进行综合评价 的技术 。 作为一种动态检测方法 ， 声发射检测技术 因其精 密性 和直 观性 ，已经成为 了广泛应用的对 材料 结构性能 评 价的科学检测方法 ， 广泛应用 于材料 的强度测定 、 损伤评估和 寿命测试等领域 的研究 。 作为声发射 系统 的主要功能 ，声发射信号分析和处理是声 发射技术的重要 环节 。如何在声发射信号检测的过程 中中排除 外部环 境扰动 对检测 结果 的干扰是 声发射 信号处 理 的主要任 务。 同时作为一个 针对 于材料指标测定 的实验过程 ， 其建立声发 射信号波形与材料失 效模式之 间的联系是声发射信号技术 的重 要任务 。 （ 二） 声发 射 信 号 的检 测 原 理 通过收集材料因弹性 应变所释放 出的能量数据 ，将其转化 为 电子信号即声发射信号 ， 通过观察振动图 ， 分析材料应变所释 百 分 比。 放 的能量 ， 进 而得 出材料 的各项指标模量。 ３ ） 模式识别与人工神 经网络在滚动轴承检测 中的应用 。采 二、 声发 射信 号 的处 理 方 法 集信号 的持续时间 、 峰值和能量三个变量进行 三维聚类分析 ， 训 现有 的声发射信号处理方法主要有参数分析法 和波形 分析 练其准确率 ，若达到 ９ ７ ％，则有效地实现 了轴承的故障模式识 法两种 别 。采用声发射技术可成功监测低速旋转滚动轴承 ， 试验设备检 （ 一） 参数 分析 法 测结果表明由于轴承滑动摩擦而产生声发射信号 ， 设置系数作为 眭。 采用此方法可 作为伴 随声发射信号系统诞生的经典处 理方法 ，参数分析 缺陷特征进行分类可用于确定轴承的机械完整． 法是所有声发射信号处理方法 中最快 、 操作最简便 的一个 ， 实用 识别轴承上很小缺陷 ， 确保轴承缺 陷监测数据结果的可靠性 。 性较 强 ， 若无精确度要求 ， 是实际工程 中最佳的处 理方法。它是 ４ ） 混合信号处理技术在滚动轴承检测中的应 用。充分利用 根判 断声 发射源 的依据主要是发射信号某些特征参数变化规律 不 同材 料 和 同种 材 料 不 同损 害 方 式 声 音 不 同 的 特 点 ，对 轴 承 采 及各参数 间相互关 系， 根据分析结果 的类 型， 参数分析法可分为 用能量收集分析 ，频谱分析和连续小波变化分析的组合分析方 以下几类 ： ａ 、 以计数分析 、 能量分析 及幅度分析为代表的单参数 式 ， 按照全流程对轴承从整体到细部全 面进行声发射信 号分析 ， 分析方法 ； ｂ 、 分布 图分析法 ； ｃ 、 经历 图分 析法 ． ｄ 、 关 联图分析法 。 并且得到完整 的空 间数据和频率数据 。 （ 二） 波 形 分 析 法 （ 二） 声 发 射信 号 的 处理 方 法在 材 料 损 伤 领 域 的 应 用 作为 比参数分 析法较精确 的处理方法 ，波形分析法更多运 １ ） 特征参 数法 。特征参数法 主要包括记数法和波形特征参 用于科研领域 ，其工作 的方式也 随着 电子科技产品 的更新而不 数法 。其 中记数法包括声发射事件计数法和振铃计数率 以及 他 断改进 。进入信息时代 以来 ， 波形分析主要以小波 分析 、 模式识 们 的总记数 ， 还有对振 幅加权的记数的加权振 铃法。 这两种方法 高效 、 操作方便 ， 但受构件几何形状影响较大 ， 不适合做较高精度 别、 统计 理论 等为理论基础演变 出新 的波形分析方 法。 ａ 、 小波分析 。小波分析是基于弹性力学有 限单元分析理论 的声发射信号处理实验。 波形特征参数法是通过统计发射 的波形 的分析方式 ， 针对局部材料构件 的观察实验 ， 进行数据微元化分 特征绘制 出材料损伤 的直方图和一定时间段内的损伤趋势图。 析， 缩小尺度 轴可将有 限单元无 限微缩化 ， 伸长尺度轴可将微元 ２ ） 谱估计法 、 人工神经 网络模式识别法和小波分析法。 谱估 体进行 整合 ， 得 出关联性数据 ， 最终 达到高频处时 间细分 ， 低 频 计法 、人工神经 网络模式识 别法 和小 波分 析法 的损 伤应用与其 处频率细分 ， 能 自动适应 时频信号分析 的要求 ， 从而 可聚焦到信 在轴承检验 的方法相 同。 号的任意细节 。 变换的困难问题 。 目前 已广泛应用于声发射信号 参考 文献 ： 的消噪、 特征提取 、 信号识别与定位中。 ｆ １ １ 焦阳， 侯 洁． 声发射信 号处理技 术及 其在 滚动轴承检测 中 ｂ 、 模式识别与人工神经 网络 。模式识 别与人工 神经 网络都 的应用现 状ｍ． 河北科技 大学学报， ２ ０ １ ３ （ ４ ） ． 是通 过对人脑 的模拟分析 ， 对不 同事 物的 自动识别 、 认知和区分 【 ２ ］ 许 中林， 李 国禄 ． 声发射信号分析与处理方法研究进展 卟 ２ ０ １ ４ （ ５ ） ． 的方 式。其经 常利用在声发射信号实验得到的数据进行材料 的 材 料 导报 ，
声发射信号处理关键技术研究
声发射信号处理关键技术研究一、本文概述声发射信号处理关键技术研究是一个涉及多个学科领域的综合性课题，其核心在于通过先进的信号处理技术对声发射信号进行高效、准确的提取、分析和识别。
声发射信号作为一种重要的无损检测手段，广泛应用于材料科学、机械工程、航空航天、石油化工等多个领域，对于设备的故障诊断、结构完整性评估以及安全性能监测具有重要意义。
本文旨在深入探讨声发射信号处理的关键技术，包括信号采集、预处理、特征提取、模式识别以及信号解释等方面。
通过对现有技术的研究与分析，本文旨在揭示声发射信号处理的基本原理和方法，同时结合实际应用案例，探讨这些技术在不同领域中的具体应用和实现方式。
在本文中，我们将首先介绍声发射信号的基本原理和特性，以及声发射检测技术的发展历程和现状。
接着，我们将重点论述信号采集与预处理的关键技术，包括传感器选择、信号放大与滤波、噪声抑制等方面。
随后，我们将深入探讨声发射信号的特征提取与模式识别方法，如时域分析、频域分析、小波变换、神经网络等，并分析这些方法的优缺点和适用范围。
我们将对声发射信号解释技术进行研究，包括信号源定位、缺陷识别与评估等方面，旨在为实际应用提供有力的技术支持和解决方案。
通过本文的研究，我们期望能够为声发射信号处理技术的发展和应用提供有益的参考和指导，同时推动相关领域的科技进步和产业发展。
二、声发射信号基础理论声发射（Acoustic Emission，AE）是一种由材料内部应力或损伤引发的瞬态弹性波。
这种波在材料中传播，携带了关于材料内部状态的重要信息。
声发射信号处理技术的主要目标就是从这些复杂的信号中提取出有用的信息，以便对材料的健康状况进行监测和评估。
在声发射信号处理中，我们首先需要理解声发射信号的基本特性。
声发射信号是一种非平稳、非线性、非高斯分布的随机信号，其频率范围广泛，通常从几赫兹到几兆赫兹。
声发射信号还具有突发性、衰减性、传播过程中的散射和模态转换等特点。
声发射信号处理分析
信 号 ， 据 此 修 改 各 层权 值 。 并
２ 频 谱 分 析 法
频谱分析方法分为 ： 典频谱分析和现代频谱分析 。 经 ２１ 经 典 频 谱 分 析 法 ．
经 典 频 谱 分 析 法 是 通 过 对 信 号 波 形 进 行 Ｆ ｕｉｒ 换 得 ｏｒ 变 ｅ 到 信 号 的频 谱 特 性 。 而 对信 号 进 行 分 析 处 理 。 由于 Ｆ ｕｉ 从 ｏｒ ｒ ｅ 变 换 可 用 ＦＴ 实 现 ， Ｆ ｒ 因此 ， 法 简 单 ， 度 快 。 经 典 频 谱 分 析 方 速
１ ． 列 表 显 示 法 ５
铃 计 数 就 是 声 发 射 信 号 越 过 设 定 门 槛 值 的次 数 ． 宜 于 表 征 适
收 稿 日期 ：０ １０ 一 １ ２ １－ ９ Ｏ 稿 件 编 号 ：０ １９０ ２ １０ ０ １
列 表 显 示 是 将 声 发 射 信 号 参 数 集 中 进 行 时 序 排 列 ， 括 包
１２ 历 程 图 法 ．
１ 参 数 分 析 法
参数 分 析 法 是 最 广 泛 使 用 的 经 典 声 发 射 信 号 分 析 方 法 ．
虽 然 有 很 多 地 方 不 足 ． 在 多 数 情 况 下 可 以解 决 实 践 工 程 中 但
的许 多 问 题翻 如 图 ２所 示 。 ，
上升时问 能嚣
作 用 ， 每个 节 点 都 试 图 保 持 自 己 的值 ， 抑 制 其 它 节 点 的 则 而
输 出 。 这样 Ｈ ｍｉ ｍ ａ ｎ ｇ网络 总 能 选 出 匹 配 程 度 最 好 的 节 点 ． 即 选出 Ｈ ｍ ｎ 距离最小值所对应的点 。 ａ ｍｉｇ
由 于 参 数 分 析 法 对 仪 器 的性 能 要 求 比较 低 ，方 法 简 单 、
声发射监测技术
机械设备故障诊断讲稿＿＿声发射监测技术声发射技术是根据结构内部发出的应力波来判断结构内部损伤程度的一种动态无损检测技术。
由于该方法能连续监视结构内部损伤的全过程，因此得到了广泛应用。
一、声发射监测的基本原理在日常生活中，人们会注意到，折断竹杆可以听到噼啦的断裂声，打碎玻璃可以听到清脆的破碎声，水开时可以听到对流声，这些都是人耳可觉查到的声发射现象。
通常，人们把物体在状态改变时自动发出声音的现象称为声发射。
其实质是物体受到外力或内力作用产生变形或断裂时，就以弹性波形式释放能量的一种现象。
由于声发射提供丁材料状态变化的有关信息，所以可用于设备的状态监测和故障诊断。
声发射源往往是材料损坏的发源地。
由于声发射源的活动常在材料破坏之前很早就会出现，因此，可根据材料的微观变形和开裂以及裂纹的发生和发展过程所产生声发射的特点及强度来推知声发射源目前的状态(存在、位置、严重程度)，而且可知道它形成的历史，并预测其发展趋势。
这就是声发射监测的基本原理。
二、声发射监测具有以下持点：(1)声发射监测可以获得有关缺陷的动态信息。
结构或部件在受力情况下，利用声发射进行监测，可以知道缺陷的产生、运动及发展状态，并根据缺陷的严重程度进行实时报警。
而超声波探伤，只能检测过去的状态，属于静态情况下的探伤。
(2)声发射监测不受材料位置的限制。
材料的任何部位只要有声发射，就可以进行检测并确定声源的位置。
(3)声发射监测只接收由材料本身所发射的超声波；而超声波监测必须把超声波发射到材料中，并接收从缺陷反射回来的超声波。
(4)灵敏度高。
结构缺陷在萌生之初就有声发射现象；而超声波、x射线等方法必须在缺陷发展到一定程度之后才能检测到。
(5)不受材料限制。
因为声发射现象普遍存在于金属、塑料、陶瓷、木材、混凝土及复合材料等物体中，因此得到广泛应用。
由于声发射具有以上特点，因此得到了科学家和工程技术人员的重视。
美国在l 964年就研制成功一套实用的声发射监测系统，并用于火箭发动机壳体水压试验的监测。
声发射实验原理和仪器介绍(全文)
声发射实验原理和仪器介绍1、实验原理固体介质中传播的声发射信号含有声发射源的特征信息，要利用这些信息反映材料特性或缺陷进展状态，就要在固体表面接收这种声发射信号。
接收、处理、分析和显示声发射信号便是对声发射信号的处理过程。
固体材料内部缺陷的发生和扩展，以弹性波的形式释放能量，并向四周传播，缺陷便成为声发射源。
为了在固体材料表面某一范围测量出缺陷的位置，可以将几个压电换能器按一定的几何关系放置在固定点上，组成换能器阵（或称阵列），测定声源发射的声波传播到各个换能器的相对时差。
将这些相对时差代入满足该阵几何关系的一组方程求解，便可以得到缺陷的位置坐标。
在实际操作中，通常有以下几种定位方法：1）直线定位法。
2）归一化正方阵定位法。
3）平面正方形定位法。
4）平面正三角形定位法。
5）任意平面三角形定位法。
6）球面三角形定位法。
7）区域定位法。
在实际操作中，我们常常采纳直线定位法。
下面我们将简单介绍直线定位法。
直线定位法就是在一唯空间中确定声发射源的位置坐标，亦称线定法。
线定位是声源定位中最简单的方法，多用于焊缝缺陷和裂纹的定位。
在一唯空间放置两个换能器，它们所确定的源位置必须在两个换能器的连接直线或弧线上。
如下图1所示，取坐标原点为两换能器之间连接直线的中点，取12的方向为正方向。
如换能器1首先接收到声发射信号，时差计数器所计的数值取负号；反之，换能器2首先接收到声发射信号，时差计数值取正号。
2、实验仪器介绍声发射信号是前沿时间只有几十到几百毫微秒、重复频率高的瞬变随机波信号。
局部瞬变产生的声发射波在试样表面的垂直位移约为10-7～～10-14米，频率分布在次声到超声频率范围（几千赫兹到几十赫兹）。
目前的声发射仪器大体上可分为两个基本类型，即单通道声发射检测仪和多通道声发射源定位和分析系统。
单通道声发射检测仪一般采纳一体结构，也可以采纳组件组合结构。
它由换能器、前置放大器、衰减器、主放大器、门槛电路、声发射率计数器、总数计数器以及数模转换器组成。
声发射信号处理方法
李光海
liguanghai@
声发射信号处理方法
声发射信号的特点
瞬态性 多态性 易受噪声干扰
f (t ) = A(t )e
iθ ( t )
声发射信号的处理方法
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。
2011-12-10 声发射I、II级人员培训 24
声发射源的定位技术
时差定位 突发信号 区域定位 源定位 连续信号 一维定位 二维定位 三维定位 独立通道监视 信号到达次序 平面定位 柱面定位 球面定位
幅度测量式区域定位 衰减测量式定位 互相关式时差定位 干涉式时差定位
声发射I、II级人员培训 25
2011-12-10
声发射I、II级人员培训
11
能量分析法
信号V(t)的均方电压、均方根电压以及能量定义 如下:
V ms =
1 ∆T
∫
∆T
0
V 2 ( t ) dt
V rms =
E ∝
2011-12-10
V ms
t2
∫
t1
V
2 rms
dt =
∫
t2 t1
V ms dt
12
声发射I、II级人员培训
能量分析法
2011-12-10 声发射I、II级人员培训 14
幅度分析法
声发射信号的幅度、事件和计数得到如下经验 公式：
N = 声发射信号累加振铃计数； P = 声发射信号事件总计数； f = 换能器的响应频率； τ = 声发射事件的下降时间； b = 幅度分布的斜率参数。
第5章 声发射信号处理方法
第5章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；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/1μV）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 1μV 10μV 100μV 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。
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第5章声发射信号处理方法
声发射信号是指在物体受到外界作用时，产生的由内部结构和材料性
质所引起的声波信号。
声发射信号处理方法是对这些信号进行分析和处理，以获得物体内部的结构和性能信息。
本章将介绍几种常用的声发射信号处
理方法。
1.声发射信号特征提取
声发射信号通常包含了丰富的信息，但其中的噪声和杂波可能掩盖了
有价值的信息。
因此，首先需要对声发射信号进行特征提取，以减少噪声
和杂波的影响，并突出有用信息。
常用的特征提取方法包括时域分析、频
域分析和小波分析等。
2.声发射信号滤波
滤波是常用的信号处理方法之一，可以通过去除噪声和杂波来提高信
号的质量。
常用的滤波方法包括低通滤波、高通滤波、带通滤波和陷波滤
波等。
在声发射信号处理中，根据需要可以选择适当的滤波方法，以提取
所需的频段信号。
3.声发射信号时序分析
声发射信号的时序分析是指对信号的时间变化进行分析，以获得信号
的时域特性。
常用的时序分析方法包括自相关分析、互相关分析和相关函
数分析等。
通过时序分析，可以了解声发射信号的传播速度、能量分布和
行为特性等。
4.声发射信号频谱分析
声发射信号的频谱分析是指对信号的频率特性进行分析，以获得信号
的频域特性。
常用的频谱分析方法包括傅里叶变换、功率谱密度分析和频
谱图分析等。
通过频谱分析，可以了解声发射信号中各个频率成分的能量
分布和相对功率。
5.声发射信号模式识别
声发射信号模式识别是指对声发射信号进行分类和识别，以判断物体
的状态和性能。
常用的模式识别方法包括支持向量机、人工神经网络和决
策树等。
通过模式识别，可以根据声发射信号的特征判断物体的健康状况、工作状态和故障类型。
6.声发射信号图像重建
声发射信号图像重建是指通过声发射信号的分析和处理，将信号的信
息以图像的形式呈现出来。
常用的图像重建方法包括声发射成像、声发射
显微镜和声发射断层扫描等。
通过图像重建，可以直观地观察和分析声发
射信号的空间分布和形态结构。
本章所介绍的声发射信号处理方法可以相互结合使用，以实现更精确
和全面的信号分析和处理。
这些方法在声发射无损检测、材料损伤评估和
结构健康监测等领域都具有重要的应用价值，是实现无损检测和故障诊断
的关键技术之一。