基于功率谱因子的金属结构裂纹声发射信号分析
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断裂 是金 属构 件 失效 的一种 主要 形式 ， 属构 件 断 金 裂 可 引起 严 重 的安 全 事故 和 造成 巨大 的经 济 损 失 ， 断裂 过 程可分 为 三个 阶段 ： 纹 成核 、 裂 裂纹 扩展 和最 终 断裂 ，
锄 （ 口 （—２簪 ）０ Ｃ） ｐ １ （ ＝ ＋２） ｔ ｇ
是一种非常危险的缺陷。本文通过对带有 缺陷的钢板进行加载得 到裂纹声发射信 号。通过对功率谱因子进行分析 ， 得到 裂纹扩展的不同阶段的功率 谱主频带 的变化规律和信号 功率随频率轴的分布规律。从 而说明利用功率谱因子对裂纹声发射信号进行分析是可行的 。 关键词 ： 裂纹 ； 声发射 ； 功率谱 因子
ｏ ｈ ａｉ ｏ ｏ ｅ ｐ ｃ ｕ ａ ｔｒ ｎ Ｔ ｅＢ ｓ ｆＰ ｗ ｒＳ ｅｔ ｍ Ｆ ｃｏ ｓ ｒ
李 秀娟
（ 三峡大学机械与材料学院 ， 湖北 宜昌 ４３０ ） ４０２
摘
要： 对于一些 机械设备 ， 经过长期的使用后 ， 在其应力集 中处、 险截面处容易形成疲劳裂纹 。裂纹形成后会迅速 扩展 ， 危 从而导致灾难 性的事故 ，
４唔 ）（ ｇｆ）ｏ ｐ （ ＋ ２１ （ ｇ ｇ ｐ ）， ＝ ｈｒ ｄ
一 — — — — —
（ １ ）
， 、
（ ２ ）
、
为了避 免断 裂 的产 生 必须 对 金 属构 件 裂纹 进 行 检测 ， 裂 纹 产生 的原 因有很 多 种 ， 力集 中、 变 应力 、 应 交 腐蚀 等都 可能使 构件 形成裂 纹 。 声发 射 是指材 料局 部 因能 量 的快 速释放 而发 出瞬态 弹性波 的现 象 。用 仪器 探测 、 记录 、 析声发射 信号 和利 分 用声 发射信 号推 断声发 射源 的技术 称为声 发射技术 。相 对于传 统 的无损 检测 手段 ， 发射 检测有其 独特 的优点 ， 声
测效果 。金 属裂 纹 的形成 往 往 伴 随着 声 发射 的发生 ， 通 过 对裂 纹声 发射信 号 的研 究 可 以得 出金属 裂 纹 萌发 、 扩 展 、 烈扩展 的规 律 ， 而对 裂纹 的发生 和发展进 行预测 剧 从
和监 测 。
零 阶反对称 波 （ 。 Ａ 也称弯 曲波 ）在大 多数 Ａ ， Ｅ检测 中 ， 主
《 量ｓ 试技术》ｏ １年 第３ 计 ２ ８巷 第３期
基 于 功 率 谱 因子 的金 属 结 构 裂 纹 声 发 射 信 号 分 析
Ｔ ｅＡ ａ ｓ ｆＭｅ ｌ ｔｕｔｒ ｒｃ ｃ ｕｔ ｍｉ ｉｎ Ｓｇ ｌ ｈ ｎ ｌ ｉ ｏ ｔ ｒ ｃｕｅＣ ａ ｋＡ ｏ ｓｃＥ ｓ ｏ ｉｎ ｙｓ ａ Ｓ ｉ ｓ ａ
声 发射 检测 是一种 动 态 的无 损检 测 方 法 ， 声发 射 信号 来 自缺 陷本 身 ， 在实 际操 作 中只需 在 合适 的地方 布 置好 一 定 数量 的传 感器 就可 以对构件 上 的活动性 缺陷进行 检测
而不耽 搁生 产时 间 ， 于形状 复杂 的构件 也 有 良好 的检 对
谱 变化 的特 征量是 功 率谱 因子 ， 目前 描 述 信 号功 率谱 变 化 的特征 因子有 重 心 频 率 Ｆ 、 方 频 率 Ｍ Ｆ 频 率 方 差 Ｃ均 Ｓ、
ｖ ， 公式分 别 为 Ｆ其
１１ 模态 声发射 原理 ． 模态 声发 射是一 种基 于波 形 分析 的 Ａ Ｅ信号 处理 技 术 。它是利 用 兰 姆 波理 论 研 究 板 中 Ａ Ｅ波 的 特 点 ， 照 按 板中质 点 位 移 分 布 的 不 同 ， 将 兰 姆 波 分 为对 称 型 （ 可 ｓ 型） 和斜对 称 型 （ Ａ型 ）这 两种 波 形 又分 别 分 为若 干 阶 ， ，
要频 率段大 约是几 百 千赫 ， 波 的波长 大 于 １ｒ 对 于 声 ０ ｍ， ａ
本文通 过对 带预 制 裂 纹 的钢 板试 块 进行 加 载 试验 ，
薄板 的 Ａ Ｅ检 测 ， 率与 板厚 的乘 积 应该 在 １ 右 ， 以 频 左 所
在 板 中起 主导作用 的是 Ｓ 和 ０薄板 Ａ ０ ， Ｅ检 测 的模 态声 发 射理论 主要根 据上述 得来 。
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１
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Ｗｆ ＼ ０
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Ｊ 。
式 ｐ （）ｌ （）ｃ
谐波 的传 播 速度 为 相 速 度 ） ｄ为 板 的厚 度 ， 波 的 频 ， 厂为 率 ，。 ｃ 表示 波群 中的平 均 相 速度 ， 表示 波 群 中 的平 均 。
如零 阶、 阶、 阶等等 ， 一 二 以下 为板 中兰姆波 的频率方 程 。
李秀娟 ｆ功率谱 西予的金属结构裂纹声发射信号分析 基
角频率 ， ｄ ／ｄ ０ 导数 ／ 在 平 均 角频 率 ０ （ ｃ ｗ） 为 处
的取值 。公式（） １为对称型兰姆波的频率方程 ；２ 为对 （）
于斜对 称型兰姆 波 ；３ 为群 速 度 表达 式 ， 络 波形 的传 （） 包
播 速度称为 群速度 。
由以上公 式可 知板 中兰姆波 不 同模 式波 的相速度 或 群速 度与板 厚和频 率 的关 系 ， 研究 表 明当频 率 与板 厚 的 乘积小 于 １ 时板 中只 有零 阶对 称 波 （ ０ 称 扩 展波 ） ．也 ｓ 和
得到 裂纹 发生 和发展 的声发 射信 号 。利 用模态声 发射理 论提 取 了表 征金 属裂 纹 的扩展 波 ， 合 功率 谱 因子 进行 结
分析 ， 到裂纹 萌发 和扩展 的规 律 。 得 １ 基 于模 态声 发射 的功率谱 因子 分析原 理
１２ 功率谱 因子 定义 ．
功率谱估计是数字信号处理的主要内容之一， 主要 研究信号在频域中的各种特征， 信号功率谱主要反映了 信号功率随频率的分布情况 ， 当各频率点上信号功率发 生变化时信号的功率谱主频带也会发生变化。描述功率
