连续声发射信号的源定位技术
声发射源定位技术5
到这两条双曲线的交点 ,也就可以计算出声发射源
的部位 。
2. 3 四个探头阵列的平面定位计算方法
对任意三角形探头阵列平面声发射源定位 ,求
解式 (8) 和 (9) 有时得到双曲线的两个交点 ,即一个
真实的 A E 源和一个伪 A E 源 ,但如采用图 5 所示
的四个探头构成的菱形阵列进行平面定位 ,则只得
区域定位是一种处理速度快 、简便而又粗略的 定位方式 ,主要用于复合材料等由于声发射频度过 高 、传播衰减过大或检测通道数有限而难以采用时 差定位的场合 。
连续声发射信号源定位主要用于带压力的气液 介质泄漏源的定位 。
本文将详细介绍突发型声发射信号时差定位方 法中的一维线定位和二维平面定位技术[5 ] ,其它定 位技术将在后续文章中介绍 。
沈功田等 : 声发射源定位技术
由此可以得到如下系列方程
Δt1 V = r1 - R
(6)
Δt2 V = r2 - R
(7)
R
=
1 2
×Δ t 1
V
D
2 1
+
-
Δ
t
2 1
V
2
D1cos (θ -
θ1)
(8)
R
=
1 2
×Δt
2
V
D
2 2
+
-
Δ
t
2 2
V
2
D2cos (θ3
-
θ)
(9)
式(8) 和 (9) 为两条双曲线方程 ,通过求解就可以找
对于任何一个给定的由三个探头组成的阵列 , 解方程 (8) 和 (9) 可能得到双曲线的两个交点 ,即一 个真实的声发射定位源和一个伪声发射定位源 ,如 图 11 所示 。为了判别两个声发射源的真伪 ,一般采 用增加第四个探头以到达次序来识别 。图 11 中真 实定位源的声发射信号到达次序为 1 ,2 ,3 号探头 , 而伪定位源部位如产生声发射信号的到达次序为 1 ,4 ,3 号探头 。另外 ,如采用诸如图 7 和图 8 的探 头布置阵列对整个结构进行整体监测 ,则可以只考 虑三角阵列内部的定位源 。
声发射源的定位方法
声发射源的定位方法1.声源叠加法：声源叠加法利用多个声源同时发出声音，在接收端通过分析各个声源的声音特征来确定声源的位置。
这种方法适用于声源分布均匀、声音特征能够区分的情况。
对于每一个声源，可以通过测量声音的到达时间和幅度来确定其与接收端的距离。
2.时差测量法：时差测量法利用声音在传播过程中的传播速度来测量声源与接收端的距离。
当声音从声源发出后，经过一段时间才能到达接收端，通过测量声音的传播时间差就可以确定声源的位置。
常用的时差测量方法包括互相关法、波束形成法等。
-互相关法：将接收到的声音信号与参考信号做互相关运算，根据互相关函数的峰值位置和幅度来确定声源的位置。
-波束形成法：利用具有多个接收单元的阵列或麦克风进行声音接收，并根据接收到的信号进行波束形成，通过测量到达时间差来确定声源的位置。
3.幅度比测量法：幅度比测量法利用声音在传播过程中的能量损失来测量声源与接收端的距离。
声音在传播过程中会受到空气衰减、散射等因素的影响，幅度会随距离的增加而减小。
通过测量接收到的声音幅度比来确定声源的位置。
-三点法：利用三个接收器测量到的声音幅度比来确定声源的位置。
通过测量三个接收器之间的幅度比，可以求解出声源的位置。
4.高斯法：高斯法采用统计学方法，通过分析接收到的声音信号的统计特性来确定声源的位置。
该方法需要进行大量的声音信号采集和处理，通过建立声音信号的统计模型来推测声源的位置。
综上所述，声发射源的定位方法包括声源叠加法、时差测量法、幅度比测量法和高斯法等。
这些方法可以单独或者结合使用，根据实际应用场景和传感器条件的不同，选择合适的定位方法来实现声发射源的定位。
pac声发射试验定位的方法
pac声发射试验定位的方法？
答：PAC声发射试验定位的方法包括以下步骤：
1. 在待测物体上布置多个传感器，这些传感器用于接收声发射信号。
2. 对传感器接收到的声发射信号进行放大和滤波处理，以提高信号的信噪比。
3. 将处理后的声发射信号转换为数字信号，并进行数据采集和存储。
4. 利用时差定位算法对声发射源进行定位。
时差定位算法是通过计算声发射信号到达不同传感器的时间差，结合已知的传感器布置位置，利用数学方法确定声发射源的位置。
5. 根据定位结果，对物体进行缺陷或损伤评估。
如果声发射源位于物体内部，且定位结果与已知的物体结构相符合，则可以判断物体存在内部缺陷或损伤。
需要注意的是，PAC声发射试验定位方法的精度和可靠性受到多种因素的影响，如传感器布置、信号处理算法、物体材料特性等。
因此，在实际应用中，需要根据具体情况对试验方法和参数进行优化和调整，以提高定位精度和可靠性。
声发射技术及其应用
声发射技术及其在检测中的应用学号:姓名:摘要：介绍了声发射检测技术原理及其发展历程和现状，综述声发射信号处理的困难、降噪方法、信号分析方法、源定位和在检测中的应用。
关键词：声发射技术；信号处理；源定位；安全评定1声发射技术发展现代声发射技术的开始上世纪50年代初Kaiser在德国所作的研究工作为标志。
声发射技术在20世纪70年代初引入我国，希望利用声发射进行断裂力学难点裂纹的开裂点预报和测量研究。
20世纪80年代初，国内开始尝试将声发射技术用于压力容器检验等工程，但是由于当时声发射仪器性能和信号处理方面的限制，以及缺乏对声发射源性质和声发射信号传输特性等理论知识，声发射技术陷入低谷。
20世纪80年代中期，从美国PAC公司引进声发射仪器，使我国声发射技术的研究、应用和仪器技术水平不断提高。
20世纪90年代至今，随着声发射仪研制国产化程度不断提高，声发射技术在我国的研究和应用呈快速发展的趋势。
2声发射信号处理分析技术2．1声发射信号及信号处理的困难：从时域形态上，一般将声发射信号分为两种基本类型：突发型和连续型。
突发型信号，指在时域上可分离的波形。
如断续的裂纹扩展。
当声发射频度高达时域上不可分离的程度时，就以连续型信号显示出来，如流体泄漏信号。
突发信号参数包括：波击计数、振铃计数、幅度、能量计数、上升时间、持续时间和时差等；连续信号参数包括：振铡寸数、平均信号电平和有效值电压。
图2常用信号特征参数的定义：声发射信号处理分析是实现声发射源定性识别、定位判断和定量评价。
AE信号处理面临的最大难题，首先是AE源的多样性、信号本身的突发性和不确定性。
不同的AE源机制，可以产生完全不同的AE信号。
其次，AE信号传输途径的影响。
AE传感器所获得的信号至少是声源、传输介质、耦合介质和换能器响应等因素的综合结果。
声发射信号在材料或结构中经多次反射、衰减以及波形转换后，其波形将发生很大畸变。
声源发出的声波可以经多种路径到达传感器，因此，所探测到的声信号波形是不同路径到达传感器声波的叠加，使信号趋于复杂。
声发射线性定位实验
突发型声发射信号线性定位实验目的：1、了解声发射信号处理的过程。
2、了解声发射线性定位的原理。
3、学会做声发射定位实验和数据分析。
实验工具：1、两通道及以上声发射采集系统一套。
2、声发射线性定位软件包。
3、材质均匀的不锈钢板/条一块。
4、标定铅笔一套。
实验内容：以标定铅笔芯折断为信号源，在钢板上做定位实验，分析取得的数据，并对定位精度进行分析。
实验步骤：一、声发射信号分割原理PXWAE声发射系统对信号进行连续不断的采集，将所有传感器接收到的超声波信号进行显示和存储。
某一通道采集的波形如下【图1】，波形由突发型信号、反射回波、以及环境噪音等组成：图1：连续波形采集系统根据用户设定的门槛、PDT、HDT、HLT、采样点数、速度等对以上波形进行切割，过滤噪音、无意义的回波信号灯，并将不同事件的Hit进行区分，如【图2】。
门槛：低于门槛的信号将会被滤除。
PDT：识别一个Hit的峰值。
HDT：识别一个Hit的结束时间。
HLT：用于去除一个Hit无意义的回波信号或者明显滞后的波形。
图2：分割成Hit根据门槛确认每个Hit的到达时间，同一个事件的Hit在不同通道的到达时间T1、T2作为参数，进行线性定位的运算。
图3：不同通道收到的同一Hit二、声发射线性定位的原理声发射线性定位的实验图如下。
传感器1、传感器2和断铅点在同一直线上，在传感器1和传感器2之间的某处产生断铅信号。
图4：线性定位假设在星号处断铅，信号沿着材料分别向左右传播，到达1、2号传感器的时间差等于距离差除以波形传播速度的值（式1）。
T1-T2=(D1-D2)/V （式1）由于我们事先知道传感器1和传感器2的位置，可得（式2）。
D1+D2=D （式2）由公式1和公式2可以计算出（式3）。
D1=((T1-T2)*V+D)/2 （式3）根据传感器1的位置和D1即可以确定信号源的点。
三、系统硬件布置将声发射系统传感器、放大器、采集器、电脑主机等按照【图5】进行连接，保证系统可以正常运行。
线性定位、平面定位和三维定位的操作步骤
3、定时参数设置
PDT的正确设置将确保正确鉴别信号峰值的上升时间 及峰值幅度的检测。HDT 的正确设置将确保结构中的一个 AE 信号反映到系统中的是一个且仅为一个hit。HLT 的正确 设置将避免同一个信号北采集多次。对于各种材料，以上 三个参数的推荐值如下： 单位：微秒 复合材料 金属小试件 高衰减金属构件 低衰减金属构件 水
3、定时参数设置
PDT的正确设置将确保正确鉴别信号峰值的上升时间 及峰值幅度的检测。HDT 的正确设置将确保结构中的一个 AE 信号反映到系统中的是一个且仅为一个hit。HLT 的正确 设置将避免同一个信号北采集多次。对于各种材料，以上 三个参数的推荐值如下： 单位：微秒 复合材料 金属小试件 高衰减金属构件 低衰减金属构件 水
（5）事件定义值:此项选择为两传感器的间距。 （6）事件闭锁值:此项选择为事件定义值的 1.5--2倍即可。 （7）过定义值：此项选择为事件定义值的 1/10即可。 （8）定时策略、撞击/事件最小&最大值、最 大反复这三个选项根据定位类型选择默认值 即可。
6、定位显示
通用页设置完毕后，点击该页面下方的 定位显示，则会弹出如下对话框。
涂抹适量的耦合剂
2、AE通道设置
（1）打开AEwin软件后，在“文件”下拉菜单中新建一个项 目文件，将该项目文件存在某个位置。选择采集设置菜单 中的硬件设置或按F2，通道设置对话框则会弹出，如下图 所示。
（1）首先选择实验过程中所选用的通道，只需 勾选通道前的选择框即可； （2）门槛类型选择固定门槛，浮动门槛多用于 背景噪音复杂的环境中，门槛值一般选择为 35db-45db； （3）内部增益不用选择，前放增益的选择必须 与前置放大器一致，否则会出错，一般选择 40db。若探头是前置一体化的，则只能选择 40db。 （4）模拟滤波器主要是根据传感器来定的，以 下是常用传感器的推荐值：R3a或R6a（20100khz），R15a（100-400khz），Nano 30 （100-400khz）
声发射技术
4.2 声发射技术(AE)4.2.1 声发射概念和原理声发射技术Acoustic Emission简称AE，是一种应用日趋广泛的现代无损检测新技术。
受力构件的材料内部在裂纹萌生、扩展过程中会释放塑性应变能并以应力波形式向外传播扩展，这就是声发射现象，AE就是采用高灵敏度的声发射压电传感器安装于受力构件表面形成传感器陈列，实时捕捉来自于构件内部裂纹扩展的动态信息，通过对这些信号的处理分析，可以检测材料内存在的裂纹损伤进行分析和研究。
形象地讲，这是一种听声技术，像医生用听诊器对人体听声来诊病一样，通过听构件内部故障声音来对构件诊断。
AE产生于上个世纪50年代，起于由德国科学家KAISER发现并以其名字命名的KAISER现象。
早期由于人们对声发射信号特征的认识局限性以及计算机技术和信号处理技术发展水平的限制，不能很好区分什么是来自于裂纹缺陷的声音。
信号和环境噪声信号使AE一直处于实验室研究阶段。
到20世纪70年代人们发现了大部分构件裂纹缺陷的声发射信号是高频信号，大致在100 KHz ~ 300 KHz之间，进而采用高频谐振传感器，先进的信号处理技术大大排除了可听音范围内的环境噪声干扰，使AE开始进入实际生产。
进入20世纪80年代，电子计算机技术和现代信号处理技术进入声发射研究领域，AE的应用领域越来越广泛。
20世纪90年代以后，AE在无损检测领域更显得举足轻重，在美国与欧洲的航空航天设计研究与制造部门已成为一种必不可少的技术手段，被广泛用于航空航天飞行器的结构测试。
4.2.2 AE的产品目前有Vallen-Systeme Gmbh公司开发出现代化声发射系统AMSY-5（图4-3），它采用由数字信号处理器构成的并行处理系统，使传统的AE特征提取和实时波形捕捉、波形分析同时处理，拥有快速的信号处理能力。
软件方面，开发了对复杂问题处理的列软件包Visual Circle，它由三个功能不同的软件—— Visual AE、Visual TR和Visual Class组成，大大提高了AMSY-5对于复杂结构在复杂环境下的声发射信号处理能力。
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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续波之间的时差或时间延迟测量[3 ] ,这一技术已被
成功地应用于管道声发射检测的泄漏源定位[4 ] 。
任意一个波 A ( t) 和另一个延迟时间为 τ的波 B ( t +τ) 之间的互相关函数 (CCF) 可由下式给出
∫ RAB (τ)
=
1 T
T
A ( t) B ( t + τ) d t
0
(2)
式中 T ———一个有限的时间间隔 从方程 (2) 可见 , 如果 τ是变化的 , 则互相关函
1 区域定位方法
声发射波传播过程引起能量损失的主要因素包
收稿日期 :2002202225 1) 北京航空工程技术研究中心 , 北京 100076 2) 清华大学 机械系 ,北京 100084
括波前的延伸 、热效应 、反射 、衍射和波型转换等 ,这 些因素的综合作用可引起波的衰减 ,即声发射信号 的强度随测量点与声发射源距离的增加而减弱 。在 结构发生共振的特定情况下可产生驻波 ,此时信号 幅度无明显下降 ,但衰减仍会发生 。根据这一声发 射信号衰减普遍存在的原则简单识别声发射信号的 衰减 ,可粗略确定声发射源所在区域 ;通过分析衰减 特性 ,可得更精确的连续型声发射信号源定位位置 。
声发射信号分为突发型和连续型发射 ,如信号 由区别于背景噪声的脉冲组成 ,且在时间上可分开 , 这种信号就叫突发型声发射信号 ;如信号的单个脉 冲不可分辨 ,这些信号就叫连续型声发射信号 。
流体的泄漏和某些材料在塑性变形时均产生连 续型声发射信号 。对于连续型声发射信号 ,突发型 声发射信号常用的声发射参数 (计数 、计数率 、上升 时间 、持续时间 、幅度分布 、时差等) 已变得毫无意 义 。突发型声发射信号采用的时差定位方法 ,连续 型声发射信号也无法应用 。根据连续型声发射信号 的特点 ,人们发展了基于信号衰减幅度测量的区域 定位方法 、基于波形互相关式时差测量的定位方法 和基于波形干涉的定位方法[1 ] ,本文详细介绍这些 连续型声发射信号源的定位方法 。
·165 · © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
沈功田等 : 连续声发射信号的源定位技术
(包括探头和放大器) 的灵敏度调整为相同 。 ② 无
(a) 正弦函数 A ( t)
(b) 延迟 - π/ 6 的正弦函数 B ( t)
(c) A ( t) 和 B ( t) 的互相关函数 RAB (τ) 图 5 互相关函数计算示意图
在泄漏发生前预先测量信号的电平或者观察与泄漏
源相距很远的探头都可测到背景噪声信号 。后一种
方法不适用于仅采用两个探头的情况或探头阵列中
的背景噪声为不均匀的情况 。
3 互相关式定位方法
常用的测量两个突发型声发射波之间时差的技
术不适用于连续型声发射源 ,而互相关技术既适用
于断续波之间的时差或时间延迟测量 ,也适用于连
任何电子或机械背景噪声 。将各通道灵敏度调成一
致易于达到 ,而彻底消除背景噪声是不可能的 。
噪声的存在将引起定位源计算的误差 ,测量信
号的方均根电压值 ( rms) S 测 与噪声的 rms 值 n 和
真实信号 rms 值 S 真 的关系为
S 测 = ( S 真2 + n2) 1/ 2
(1)
如果噪声已知 ,则可计算出真实的信号 。通常 ,
·164 ·
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沈功田等 : 连续声发射信号的源定位技术
(a) 一维定位 ,探头 2 具有最大输出信号 ,A E 源位于区域 2
化而变化 。
互相关函数是在有限时间范围内的积分 。在实
际应用中 ,数据采样仅利用了每个波的有限部分 ,而
在被利用部分之外的波幅为零 , 即如果 i > n , ai = bi = 0 。如果 j > 0 且 i + j > n , 则 ai + j = 0 。如果 j
< 0 且 i - j > n ,则 bi - j = 0 。因此 , 当| j| 增加时 , i
+ j 增加 ,方程 (3) 中的某些求和项将为零 。随着| j | 的增加 ,求和项数将越来越少 , RAB (τj ) 的幅值逐 渐下降 。最终 ,当| j| > n , 所有 ai + j 和 bi - j项为零 , RAB (τj) = 0 。当 τj =τ′时 , 由于 A 和 B 为同相位 , 则 RAB (τ′) 达到最大值 。因此 , 从 RAB (τj ) 的最大 峰值部位可以获得 B ( t ) 相对于 A ( t ) 的时差或时 间延迟 τ′。
从声发射探头阵列中找到最靠近泄漏源的两个探 头 。探头阵列外的泄漏源不能用幅度测量法定位 。
(2) 以分贝来确定两个探头输出的差值 ,并与 被测物体的衰减特征进行比较 。
(3) 对于二维平面 ,两个探头确定了一条通过 泄漏源的双曲线 ,因此需要第三个探头来得到另一 条双曲线 ,两个双曲线的交点即为泄漏源部位 。此 方法与突发型声发射信号的时差定位原理一致 。
n
∑ RAB (τj) =
ai + jbi
i =0
j = 0 ,1 ,2 , …, n
n
∑ RAB (τj) =
aibi - j
(3)
i =0
j = - 1 , - 2 , …, - n
n
∑ RAB (τj) =
aibi j = 0
i =0
方程 (3) 中 ai + j 和 bi - j的下标随 RAB (τj ) 中 τj 的变
(b) 平面定位 ,探头 4 具有最大输出信号 ,A E 源位于区域 4 图 1 基于最高输出探头的 AE 源区域定位 (a) 一维定位 ,探头 3 具有最大输出信号 , 探头 2 具有第二大输出信号
体的衰减特性 ,则可得到泄漏源较精确的定位 。 连续声发射源定位的幅度测量法包括如下三个
步骤 : (1) 通过识别最高和第二高声发射输出信号 ,
数是τ的函数 。 RAB (τ) 的特性可以通过将 A ( t) 和 B ( t) 分为 n 个小的相等时间段的积来观察 。
令 t = ti , A ( t) = ai , B ( t) = bi , i = 0 , 1 , 2 , …, n ,如果 B ( t) 相对于 A ( t) 有一时间延迟τ′,则
在安装许多探头的物体上产生一个连续型声发 射信号源 ,若每个探头的灵敏度是相同的 ,探头离声 发射源越近 ,衰减越小 ,因此探测到最大幅度声发射 信号的探头将最靠近声发射源 (图 1) 。如果再进一 步考虑接收到第二大幅度信号的探头 ,可以缩小声 发射源存在的区域 ,提高定位精度 (图 2) 。
在许多情况下 ,图 2 所示的二次定位法得到的 定位区域仍很不精确 ,有时需密集布置大量探头 ,才 能使定位区域的尺寸减小到可接受的程度 。然而 , 如果预先测得被测物体的衰减特性 ,声发射源的位 置可以通过考虑各探头的输出计算得到 。值得强调 的是 ,区域定位方法只适用于被测物体具有合适衰 减程度的情况 ,衰减太大时 ,这一方法并不适用 。
第24卷第4期 2002年4月
无损检测 NDT
Vol . 24 No . 4 Apr . 2 0 0 2
信号处理 专题综述
连续声发射信号的源定位技术
沈功田 ,耿荣生1) , 刘时风2) (国家质量监督检验检疫总局 锅炉压力容器检测研究中心 ,北京 100013)
摘 要 :介绍连续型声发射信号的区域定位方法 、衰减测量定位方法 、互相关式时差定位方法 和干涉式定位方法 ,分析影响连续型声发射信号源定位精度的因素 。
现举一例来说明互相关函数的计算步骤和特 性 。假 设 A ( t ) 和 B ( t ) 是 正 弦 函 数 , A ( t ) = A 0sinωt 和 B ( t) = B 0sin[ωt - (π/ 6) ] , A 0 = B 0 = 1 。如图 5a 和 b 所示 ,将 A ( t) 和 B ( t) 的 ωt 轴上的 一个周期分为 12 等份 , 则对应 A ( t ) = a0 , a1 , a2 , …, a12和 B ( t) = b0 , b1 , b2 , …, b12 。在 j = - 12 , 11 , …, 0 , …, 11 , 12 时 , 运用方程 (3) 可计算出互相 关函数 RAB (τj ) ,计算结果如图 5c 所示 。从图 5c 可见 ,当 ωτ = ωτ- 1 = - π/ 6 时 , RAB (τ- 1 ) 为最大 值 。随着 ωτ的增加 , RAB (τ) 的峰值绝对值下降 ,当 - 2π≥ω≥2π时 , RAB (τ) = 0 。这一例子说明了在 有限时间间隔内的互相关函数的特征 , 如果积分时 间的间隔趋于无限大 , 互相关函数 RAB (τ) 将成为 无最大峰值的连续余弦波 ,这也是互相关选择有限
幅度测量法定位与两个探头之间的相对幅度值 紧密相关 ,而与探头输出的绝对幅度值无关 。然而 , 这些测量必须基于两个先决条件 ,即 ①将所有通道