聲發(fā)射信號(hào)分析及其軟件實(shí)現(xiàn)

韓雙連 隋青美 姜明順

(山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南 250061)

聲發(fā)射(Acoustic Emission，AE)是材料局部因能量的快速釋放而發(fā)出瞬態(tài)彈性應(yīng)力波的現(xiàn)象，其形成機(jī)理是材料在動(dòng)態(tài)(受力)過(guò)程中所產(chǎn)生的一種應(yīng)力波[1]。材料結(jié)構(gòu)失效的主要機(jī)制是應(yīng)力作用下的變形與裂紋擴(kuò)展，而監(jiān)測(cè)材料的聲發(fā)射信號(hào)就可以很好地判斷材料的裂紋擴(kuò)展情況，達(dá)到預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)安全狀況的目的。在實(shí)際檢測(cè)中，需要從檢測(cè)信號(hào)中提取真正有用于表征不同類(lèi)型缺陷的聲發(fā)射信號(hào)。為此，對(duì)聲發(fā)射信號(hào)及其特征參數(shù)的提取非常重要。目前，馬永輝等設(shè)計(jì)了基于LabVIEW和Matlab的聲發(fā)射采集系統(tǒng)[2，3]；在聲發(fā)射特征參數(shù)應(yīng)用方面，李偉等發(fā)現(xiàn)應(yīng)用振鈴計(jì)數(shù)、能量及質(zhì)心頻率等不同參數(shù)可以有效區(qū)分不同類(lèi)型的聲發(fā)射信號(hào)[4，5]。但目前還沒(méi)有基于VC++的聲發(fā)射信號(hào)分析系統(tǒng)。

筆者利用PAC公司的聲發(fā)射采集卡對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行采集。該采集卡能夠?qū)β暟l(fā)射特征參數(shù)和波形進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。系統(tǒng)使用可視化Microsoft Visual Studio 2010開(kāi)發(fā)工具，基于VC++進(jìn)行編程，獲取信號(hào)波形數(shù)據(jù)及信號(hào)幅值等20多個(gè)特征參數(shù)值并實(shí)時(shí)保存、顯示，重點(diǎn)給出了振鈴計(jì)數(shù)及質(zhì)心頻率等特征參數(shù)的提取，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及歷史曲線顯示等。系統(tǒng)還包括振鈴閾值的實(shí)時(shí)修改、采集卡通道選擇及采樣點(diǎn)長(zhǎng)度等參數(shù)的設(shè)置。最后，在實(shí)驗(yàn)室的鋁合金薄板系統(tǒng)中分別用斷鉛信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)激勵(lì)源信號(hào)進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，為實(shí)際應(yīng)用中的聲發(fā)射信號(hào)分析提供了理論與實(shí)驗(yàn)支持。

1 聲發(fā)射信號(hào)分析相關(guān)理論①

聲發(fā)射信號(hào)分為突發(fā)型、連續(xù)型和混合型3種類(lèi)型，突發(fā)型和連續(xù)型是聲發(fā)射信號(hào)的兩種基本類(lèi)型[6]。這兩種信號(hào)可以在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中分別使用斷鉛信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)激勵(lì)源進(jìn)行模擬。連續(xù)信號(hào)參數(shù)包括振鈴計(jì)數(shù)、平均信號(hào)電平及有效值電壓等，而突發(fā)信號(hào)參數(shù)包括事件計(jì)數(shù)、振鈴計(jì)數(shù)、幅度、能量計(jì)數(shù)、上升時(shí)間、持續(xù)時(shí)間及時(shí)差等。常用突發(fā)信號(hào)特性參數(shù)示意圖如圖1所示[6]。

圖1 突發(fā)型聲發(fā)射信號(hào)特性參數(shù)

由圖1可以看出，事件的能量為超過(guò)門(mén)檻電壓的信號(hào)包絡(luò)線以下的面積，能夠反應(yīng)事件的相對(duì)能量或強(qiáng)度，可被振鈴計(jì)數(shù)取代，其大小與幅度、持續(xù)時(shí)間有關(guān)；而振鈴計(jì)數(shù)則是越過(guò)門(mén)檻信號(hào)的振蕩次數(shù)，可分為總計(jì)數(shù)和計(jì)數(shù)率，與振幅、門(mén)檻電壓和持續(xù)時(shí)間有關(guān)，能粗略反應(yīng)信號(hào)的能量、強(qiáng)度和頻度；能量和振鈴計(jì)數(shù)都與摩擦產(chǎn)生的能量(該能量非聲發(fā)射信號(hào)的能量)有關(guān)。幅度是信號(hào)波形的最大振幅值，通常用dB表示。質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移的平方正比于該質(zhì)點(diǎn)所具有的能量，因此幅度可反應(yīng)出聲發(fā)射撞擊所釋放出的能量，與事件大小直接相關(guān)。有理論研究表明，幅度是表征聲發(fā)射源特征的最有效參數(shù)[7]。信號(hào)第一次越過(guò)閾值至最終降至閾值以下所經(jīng)歷的時(shí)間間隔稱(chēng)為持續(xù)時(shí)間。

根據(jù)聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的基本原理，耦合在材料表面的壓電陶瓷探頭可以將材料內(nèi)部的聲發(fā)射源所產(chǎn)生的彈性波轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，將電信號(hào)加以放大、處理使之特性化，通過(guò)顯示、記錄可獲得聲發(fā)射源的特征參數(shù)。相反，通過(guò)分析檢驗(yàn)過(guò)程中獲得的聲發(fā)射信號(hào)的各種參數(shù)，就可以知道材料內(nèi)部的缺陷情況。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

聲發(fā)生信號(hào)分析硬件系統(tǒng)主要由傳感器、前置放大器、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)組成，系統(tǒng)組成如圖2所示。聲發(fā)射傳感器通過(guò)白凡士林耦合劑粘貼在鋁合金薄板表面，監(jiān)測(cè)薄板面在實(shí)驗(yàn)中接收到的聲發(fā)射信號(hào)，并將波動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)前置放大器后由PAC采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，上位機(jī)系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)測(cè)板卡進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和上位機(jī)顯示。

圖2 硬件系統(tǒng)組成框圖

傳感器采用美國(guó)PAC公司α系列R15α，為高靈敏度的窄帶諧振式傳感器，工作頻率50～400kHz，諧振頻率150kHz；前置放大器采用美國(guó)PAC公司的MISTRAS系列，增益選擇40dB；采集卡為PAC公司的PCI-2，其最高采樣速率40MHz(Sps/CH)，A/D分辨率18位，通道數(shù)為2。

2.2 軟件結(jié)構(gòu)

在熟悉PCI-2采集卡的工作條件和數(shù)據(jù)采集原理的情況下，使用VC++編程環(huán)境實(shí)現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)波形數(shù)據(jù)采集、信號(hào)特征參數(shù)提取、信號(hào)頻譜分析、特征參數(shù)和波形的實(shí)時(shí)顯示及保存等一系列功能。VC++開(kāi)發(fā)環(huán)境擁有強(qiáng)大的MFC和API函數(shù)、方便友好界面的開(kāi)發(fā)，可開(kāi)發(fā)多線程工作模式，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)，但并沒(méi)有提供信號(hào)分析與處理包，功能較為單一，具體算法實(shí)現(xiàn)需用戶自行編寫(xiě)。為保證數(shù)據(jù)的精確度和可靠性，系統(tǒng)利用Matlab接口對(duì)信號(hào)進(jìn)行功率譜分析。圖3是整個(gè)系統(tǒng)的軟件流程。

圖3 聲發(fā)射信號(hào)分析系統(tǒng)軟件流程

采用VC++和Matlab混合編程模式，需要在運(yùn)行前分別配置VC++和Matlab環(huán)境，并在Matlab中將MEX文件封裝為DLL提供給VC調(diào)用，此方法可使系統(tǒng)脫離Matlab環(huán)境運(yùn)行，只需安裝MCR庫(kù)。這為后續(xù)更復(fù)雜的小波分析等信號(hào)分析提供強(qiáng)大的支撐。

系統(tǒng)啟動(dòng)后，可點(diǎn)擊“采集”使用默認(rèn)的硬件參數(shù)采集數(shù)據(jù)，也可點(diǎn)擊“采集設(shè)置”進(jìn)行AE所有硬件參數(shù)的設(shè)置，包括采樣速率、采樣長(zhǎng)度、PDT、HDT、最大持續(xù)時(shí)間及提取參數(shù)的選擇等，用戶可根據(jù)自己的需要進(jìn)行選擇。點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)分析”，振鈴計(jì)數(shù)、質(zhì)心頻率及幅度等特征參數(shù)的波動(dòng)曲線即可顯示。信號(hào)波形數(shù)據(jù)和特征參數(shù)的數(shù)據(jù)都可實(shí)時(shí)保存。圖4為軟件主界面，此界面數(shù)據(jù)是在鋁合金板表面用硬物撞擊模擬的結(jié)果。

圖4 系統(tǒng)主界面

3 實(shí)驗(yàn)與測(cè)試結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)在鋁合金試件上進(jìn)行，傳感器用白凡士林耦合固定，用自主研制的聲發(fā)射信號(hào)分析系統(tǒng)檢測(cè)信號(hào)。為減弱環(huán)境和電磁噪聲的影響,實(shí)驗(yàn)在安靜環(huán)境下進(jìn)行，即室內(nèi)噪聲水平在40dB以下，同時(shí)數(shù)據(jù)線控制在1.5m以內(nèi)。金屬試件厚5mm、寬50cm、長(zhǎng)50cm。

實(shí)驗(yàn)分兩組進(jìn)行，一組是斷鉛實(shí)驗(yàn)，即用PAC公司的直徑0.5mm、硬度HB的標(biāo)準(zhǔn)斷鉛實(shí)驗(yàn)自動(dòng)鉛筆，在離開(kāi)傳感器邊緣1cm處折斷鉛芯以模擬突發(fā)型聲發(fā)射信號(hào)；另一組是標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)實(shí)驗(yàn)，用PAC公司MISTRAS系列的Field CAL激勵(lì)源激發(fā)聲發(fā)射信號(hào)。采集這兩組實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的波形，并在第二組實(shí)驗(yàn)下，分別進(jìn)行了固定強(qiáng)度下的頻率變化實(shí)驗(yàn)和固定頻率下的強(qiáng)度變化實(shí)驗(yàn)。

3.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與分析

3.2.1數(shù)據(jù)采集與頻譜分析

圖5為斷鉛實(shí)驗(yàn)的時(shí)域和頻域信號(hào)圖。

圖5 斷鉛信號(hào)時(shí)域頻域圖

從圖5可以看出，斷鉛實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的波形有較高的頻率分量，帶寬比較寬，頻譜中含有豐富的頻率成分，捕捉的信號(hào)的頻譜也比較豐富，為后續(xù)的信號(hào)分析提供了可靠的基礎(chǔ)。

對(duì)激勵(lì)源信號(hào)分別檢測(cè)了信號(hào)強(qiáng)度為90dB時(shí)不同頻率下的信號(hào)(圖6)和頻率為150kHz時(shí)不同強(qiáng)度下的信號(hào)(圖7)。圖6中頻率依次為60、150、300kHz，圖7中強(qiáng)度依次為50、60、70dB。

a. 頻率為60kHz

b. 頻率為150kHz

c. 頻率為300kHz

a. 信號(hào)強(qiáng)度為50dB

b. 信號(hào)強(qiáng)度為60dB

c. 信號(hào)強(qiáng)度為70dB

由圖6、7可以看出，該聲系統(tǒng)能夠較好地采集聲發(fā)射信號(hào)，滿足聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集的精度要求。實(shí)驗(yàn)傳感器R15α為窄帶諧振式傳感器，諧振頻率為150kHz，因此在150kHz時(shí)信號(hào)幅值最大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：同一強(qiáng)度下，系統(tǒng)能準(zhǔn)確區(qū)分不同信號(hào)頻率，且不同頻率時(shí)信號(hào)幅值也不同，頻率為150kHz時(shí)信號(hào)幅值最大；在同一頻率下，信號(hào)強(qiáng)度越大，聲發(fā)射能量更大，因此波形幅值越大，與理論分析相符。

3.2.2特征參數(shù)分析與提取

在激勵(lì)源實(shí)驗(yàn)中，同時(shí)測(cè)試了在90dB強(qiáng)度下，調(diào)節(jié)信號(hào)頻率時(shí)特征參數(shù)的變化趨勢(shì)。圖8、9為依次調(diào)節(jié)激勵(lì)源頻率為60、150kHz時(shí)的參數(shù)波動(dòng)曲線。

圖8 質(zhì)心頻率曲線

圖9 振鈴計(jì)數(shù)曲線

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：質(zhì)心頻率值和標(biāo)準(zhǔn)激勵(lì)源信號(hào)的頻率保持一致，同時(shí)在預(yù)設(shè)振鈴閾值不變的前提下，振鈴計(jì)數(shù)也能夠跟隨信號(hào)的變化而變化，起到粗略反應(yīng)信號(hào)強(qiáng)度和頻度的作用，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié)束語(yǔ)

聲發(fā)射信號(hào)分析是聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)和工程檢測(cè)中的重要部分。利用PAC公司的聲發(fā)射采集卡(PCI-2)，基于VC++ 2010開(kāi)發(fā)了聲發(fā)射信號(hào)采集與分析系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)界面友好、操作方便、可靠性高，可以很好地識(shí)別并提取聲發(fā)射信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)了聲發(fā)射信號(hào)的特征參數(shù)提取及曲線顯示等功能，為進(jìn)一步依據(jù)特征參數(shù)進(jìn)行材料的斷裂狀態(tài)判斷提供了理論與實(shí)驗(yàn)支持。