连续声发射信号的源定位技术

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？
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。

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。

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。

2. 3声发射源定位方法1.一维(线)定位一维(线)定位就是在一维空间中确定声发射源的位置坐标,亦称直线定位法。

线定位是声源定位中最简单的方法。

一维定位至少采用两个传感器和单时差,是最为简单的时差定位方式,其原理见图2.3。

图2.3 —维定位法Fig.2.3 AE 1-D localization 若声发射波源从Q 到达传感器21S S 和的时间差为t ∆，波速为ν，则可得下式： t 21∆⋅=-νQS QS（2.9）离两个传感器的距离差相等的轨迹为如图所示的一条双曲线。

声发射源就位于此双曲线的某一点上。

线定位仅提供波源的双曲线坐标,故还不属点定位,主要用于细长试样、长管道、线焊缝等一维元的检测。

2.二维(平面)定图2.4 二维(平面)定位法Fig.2.4 AE 2-D localization二维定位至少需要三个传感器和两组时差,但为得到单一解一般需要四个传感器三组时差。

传感器阵列可任意选择,但为运算简便,常釆用简单阵列形式,如三角形、方形、菱形等。

近年来,任意三角形阵列及连续多阵列方式也得到应用。

就原理而言,波源的位置均为两组或三组双曲线的交点所确定。

由四个传感器构成的菱形阵列平面定位原理见图2.4。

若由传感器31S S 和间的时差X t ∆所得双曲线为1，由传感器42S S 和间的时Y t ∆所得双曲线为2，波源Q 离传感器31S S 和,42S S 和的距离分别为Y X L L 和,波速为ν，两组传感器间距分别为a 和b ，那么，波源就位于两条双曲线的交点()Y X Q ,上，其坐标可由下面方程求出： ⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧=⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛122b 2122a 22222222222Y Y X X L X L Y L Y L X (2.10)平面定位除了上述菱形定位方式外,常见的还有三角形定位、四边形定位、传感器任意布局定位等。

2. 3声发射源定位方法1.一维(线)定位一维(线)定位就是在一维空间中确定声发射源的位置坐标,亦称直线定位法。

线定位是声源定位中最简单的方法。

一维定位至少采用两个传感器和单时差,是最为简单的时差定位方式,其原理见图2.3。

图2.3 —维定位法Fig.2.3 AE 1-D localization 若声发射波源从Q 到达传感器21S S 和的时间差为t ∆，波速为ν，则可得下式： t 21∆⋅=-νQS QS（2.9）离两个传感器的距离差相等的轨迹为如图所示的一条双曲线。

声发射源就位于此双曲线的某一点上。

线定位仅提供波源的双曲线坐标,故还不属点定位,主要用于细长试样、长管道、线焊缝等一维元的检测。

2.二维(平面)定图2.4 二维(平面)定位法Fig.2.4 AE 2-D localization二维定位至少需要三个传感器和两组时差,但为得到单一解一般需要四个传感器三组时差。

传感器阵列可任意选择,但为运算简便,常釆用简单阵列形式,如三角形、方形、菱形等。

近年来,任意三角形阵列及连续多阵列方式也得到应用。

就原理而言,波源的位置均为两组或三组双曲线的交点所确定。

由四个传感器构成的菱形阵列平面定位原理见图2.4。

若由传感器31S S 和间的时差X t ∆所得双曲线为1，由传感器42S S 和间的时Y t ∆所得双曲线为2，波源Q 离传感器31S S 和,42S S 和的距离分别为Y X L L 和,波速为ν，两组传感器间距分别为a 和b ，那么，波源就位于两条双曲线的交点()Y X Q ,上，其坐标可由下面方程求出： ⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧=⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛122b 2122a 22222222222Y Y X X L X L Y L Y L X (2.10)平面定位除了上述菱形定位方式外,常见的还有三角形定位、四边形定位、传感器任意布局定位等。

㊀２０２１年㊀第５期仪表技术与传感器Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｓｅｎｓｏｒ２０２１㊀Ｎｏ．５㊀基金项目：国家重点研发计划项目（２０１８ＹＦＦ０２１４７０３）收稿日期：２０２０－０６－０４声发射检测信号分析及源定位方法研究童国炜，周循道，黄林轶，陈超英，徐华伟，杨㊀林（工业和信息化部电子第五研究所，智能产品质量评价与可靠性保障技术工业和信息化部重点实验室，广东广州㊀５１０６１０）㊀㊀摘要：文中设计了一种可弱化噪声干扰和频散效应的定位算法，采用变分模态分解方法将声发射信号分解为若干个不同频带宽度的模态函数，并通过合并含有主要能量成分的模态函数获得声发射源信号的主要成分，最后采用互相关分析方法确定声源位置㊂实验结果表明，文中所提算法对声发射源定位是有效的㊁精确的，在一维和二维ＡＥ源定位实验中，文中所提方法综合定位误差在５％以内㊂关键词：无损探伤；声发射；定位；变分模态分解；互相关分析中图分类号：ＴＰ２７７㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００２－１８４１（２０２１）０５－００９６－０５ＡｃｏｕｓｔｉｃＥｍｉｓｓｉｏｎＳｉｇｎａｌＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＳｏｕｒｃｅＬｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄＲｅｓｅａｒｃｈＴＯＮＧＧｕｏ⁃ｗｅｉ，ＺＨＯＵＸｕｎ⁃ｄａｏ，ＨＵＡＮＧＬｉｎ⁃ｙｉ，ＣＨＥＮＣｈａｏ⁃ｙｉｎｇ，ＸＵＨｕａ⁃ｗｅｉ，ＹＡＮＧＬｉｎ（Ｔｈｅ５ｔｈＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＩｎｄｕｓｔｒｙａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭＩＩＴｆｏｒＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＰｒｏｄｕｃｔｓＴｅｓｔｉｎｇａｎｄＲｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０６１０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｅｓｉｇｎｅｄａｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｔｈａｔｃａｎｗｅａｋｅｎｎｏｉｓｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅａｎｄｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ．Ｔｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎａｌｍｏｄａｌｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｗａｓｕｓｅｄｔｏｄｅｃｏｍｐｏｓｅｔｈｅａｃｏｕｓｔｉｃｅｍｉｓｓｉｏｎｓｉｇｎａｌｉｎｔｏｓｅｖｅｒａｌｍｏｄａｌｆｕｎｃｔｉｏｎｓｗｉｔｈｄｉｆ⁃ｆｅｒｅｎｔｆｒｅｑｕｅｎｃｙｂａｎｄｗｉｄｔｈｓ．Ｔｈｅｍａｉｎｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆｔｈｅｓｉｇｎａｌｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｃｏｍｂｉｎｉｎｇｔｈｅｍｏｄａｌｆｕｎｃｔｉｏｎｓｗｈｉｃｈｃｏｎｔａｉｎｔｈｅｍａｉｎｅｎｅｒｇｙｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ａｎｄｆｉｎａｌｌｙｔｈｅｃｒｏｓｓ⁃ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｗａｓｕｓｅｄｔｏｄｅｔｅｒｍｉｎｅｔｈｅｓｏｕｒｃｅｌｏｃａｔｉｏｎ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅａｌｇｏｒｉｔｈｍｐｒｏｐｏｓｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｓｅｆｆｅｃｔｉｖｅａｎｄａｃｃｕｒａｔｅｆｏｒｔｈｅｓｏｕｒｃｅｌｏｃａｔｉｏｎ，ｔｈｅｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｏｃａｔｉｏｎｅｒｒｏｒｏｆｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｍｅｔｈｏｄｉｓｌｅｓｓｔｈａｎ５％ｉｎｔｈｅｏｎｅａｎｄｔｗｏｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌａｃｏｕｓｔｉｃｅｍｉｓｓｉｏｎｓｏｕｒｃｅｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅｔｅｓｔｉｎｇ；ａｃｏｕｓｔｉｃｅｍｉｓｓｉｏｎ；ｌｏｃａｔｉｏｎ；ｖａｒｉａｔｉｏｎａｌｍｏｄａｌｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ；ｃｒｏｓｓｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ０㊀引言声发射（ａｃｏｕｓｔｉｃｅｍｉｓｓｉｏｎ，ＡＥ）是一种由于裂痕扩展㊁摩擦㊁微动㊁冲击而产生的物理现象，通过定位ＡＥ源可实时监测㊁评估裂痕和损伤的状态，能够达到预防和控制潜在危险及确保监控对象安全运行的功能㊂由于其具有快速㊁无损㊁低能耗等特点，现已广泛应用于地震㊁爆炸㊁航空㊁军事㊁桥梁㊁隧道㊁矿山和能源等领域［１－２］㊂１９１２年，Ｇｅｉｇｅｒ最先提出了一种基于地震波到达时间确定震源的方法［３］㊂受其启发，学术界涌现出了众多定位方法，并广泛地应用于工程领域中㊂针对现有ＡＥ源定位算法不能始终获得多层圆柱介质精确结果的问题，作者提出了一种考虑折射的ＡＥ源定位方法㊂实验结果表明，新方法可以在双层圆柱表面介质中获得准确的声发射源位置［４］㊂作者针对固定的弹性波速度和结构几何不规则性等问题，提出了一种没有预先测速的Ａ∗定位方法㊂实验结果表明对于不规则的二维复杂结构，其定位精度得到了显著提高［５］㊂上述方法推动了ＡＥ定位技术的发展，但是这些方法在设计时未考虑到在工程实际应用过程中存在的环境测量噪声，同时也未考虑在非理想㊁非均匀㊁非完全弹性介质中传播的波会发生的频散现象，上述问题均会降低定位算法的准确性㊁可靠性，或者导致定位到现实中不存在的源㊂研究表明，通过信号分解方法将原始ＡＥ源信号按频率特征进行分解，并选择性地选取用于计算定位信息信号的验算策略可有效地弱化噪声和频散现象的不利影响㊂变分模态分解（ｖａｒｉａｔｉｏｎａｌｍｏｄａｌｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＶＭＤ）方法［６］可通过非迭代的方式实现按最小估计带宽对信号的分解，借助信号能量分析方法可选择出用于计算定位信息的分量信号㊂因此，本文提出了一种融合了ＶＭＤ方法和互相关分析方法的ＡＥ源定位算法㊂ＶＭＤ方法将ＡＥ信号分解为若干个具有最小估计带宽的分量信号，能量分析方法挑选出信号的主要成分，互相关分析获得２个ＡＥ传感器之间的时间差，进而计算得出声源距离ＡＥ传感器的距离信息，实现了对声源准确㊁可靠的定位㊂㊀㊀㊀㊀㊀第５期童国炜等：声发射检测信号分析及源定位方法研究９７㊀㊀１㊀声发射及定位原理１．１㊀声发射如图１所示，ＡＥ系统包括３个部分：ＡＥ传感器㊁信号放大器和信号分析系统㊂ＡＥ系统在工作过程中，声源产生的瞬时弹性波以工程材料作为介质传播到材料表面，然后与材料表面放置的ＡＥ传感器进行耦合，通过压电效应将声波转换为电信号，最后经放大㊁采集可得到数字化信号，并采用适当的分析方法得到ＡＥ源的信息㊂图１㊀ＡＥ系统架构图１．２㊀定位当测量材料产生连续或间断的ＡＥ信号时，通过采集多个ＡＥ传感器中的信号，可分析出声发射源的位置及其他信息㊂图２以一维测量模型为例演示了定位算法㊂图２㊀ＡＥ一维定位模型一维模型一般存在２个或２个以上ＡＥ传感器［７］，图２仅示意存在２个传感器的情况㊂设声发射源所产生的信号分别经过ｔ１和ｔ２时间达到传感器１和２，声音在材料中传播速度为ｖ，可得如下关系：ｄ＝Ｄ－ｖΔｔ２Δｔ＝ｔ２－ｔ１ìîíïïï（１）式中：ｄ为ＡＥ源到传感器１的距离，ｍ；Ｄ为传感器１㊁传感器２的距离，ｍ；Δｔ为ＡＥ源到达传感器１㊁传感器２的时间差，ｓ㊂当已知声波的传播速度ｖ和Δｔ时，即可得到ｄ，从而确定ＡＥ源的位置信息㊂本文采用Ｎｉｅｌｓｅｎ⁃Ｈｓｕ实验确定值为３４４６ｍ／ｓ㊂采用互相关分析估计时延Δｔ，该方法计算速度快㊁运行损耗小㊂假设两侧传感器采集的ＡＥ信号分别为ｘ（ｔ）和ｙ（ｔ），则对应的数学模型如下所示：ｘ（ｔ）＝ｓ（ｔ）＋ｎ１（ｔ）ｙ（ｔ）＝ａｓ（ｔ－Δｔ）＋ｎ２（ｔ）{（２）式中：ｓ（ｔ）为ＡＥ源的信号；ａ为衰减参数；ｎ１（ｔ），ｎ２（ｔ）为环境噪声㊂在某一时间段Ｔ内，互相关系数为Ｒ(ｘｙ（Δｔ）＝１ＴʏＴ０ａｓ（ｔ）ｓ（ｔ－Δｔ）ｄｔ（３）观察式（３）可知，２个声发射信号是延迟时间Δｔ的函数，因此互相关系数分布的峰值点表示２个信号最大相关的位置，同时也代表了信号传播时差㊂基于一维定位模型理论，二维定位模型通过布置于平面内３个或３个以上传感器所获取的信息对ＡＥ源进行定位［８］㊂当获得１对传感器信息后，可在平面内获得１条双曲线函数，如图３（ａ）所示㊂当获得２对传感器信息后，即可在平面内确定２个声源点，如图３（ｂ）所示㊂图３㊀二维定位模型假设Ｐ点为声发射源，传播到传感器１和传感器２的时间差和距离有如下关系：ＰＦ１－ＰＦ２＝ｖΔｔ（４）当采集３个ＡＥ传感器的信号后，声发射源的位置会处于２条双曲线上的交叉点上㊂因此，需采集３个及３个以上ＡＥ传感器的信号才可以确定二维平面内声发射源的位置，如图３（ｂ）所示，Ｐ１和Ｐ２为２条双曲线的交点，声发射源的位置在其中之一，选取时根据实际情况进行选择㊂１．３㊀信号预处理由于环境噪声和频散效应对声波的影响，直接使㊀㊀㊀㊀㊀９８㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＭａｙ．２０２１㊀用采集到的原始ＡＥ信号计算互相关系数，并查找判断延迟时间，所获得的结果会存在一定偏差㊂因此，选择合适的方法对原始信号进行有效的筛选㊁分析㊁优化是提高定位精确性和可靠性的关键㊂在信号分析领域中，ＶＭＤ是基于信号时频特征的分解方法，通过非迭代的方式将信号分解为若干个拥有不同带宽的模态函数（ｍｏｄｅｆｕｎｃｔｉｏｎ，ＭＦ）㊂该方法认为每个ＭＦ分量有且只有一种频率成分构成，分解过程是寻求若干个ＭＦ，同时要保障每个ＭＦ所包含的带宽最小［６］㊂对于序列ｘ（ｔ），ＶＭＤ可分解出Ｋ个ＭＦｕｋ（ｔ），ｋ＝１，２， ，Ｋ：ｘ（ｔ）＝ðＫｋ＝１ｕｋ（ｔ）（５）ＭＦｕｋ（ｔ）定义为ｕｋ（ｔ）＝Ａｋ（ｔ）ｃｏｓ［ϕｋ（ｔ）］（６）式中：Ａｋ（ｔ）为ｕｋ（ｔ）的幅值；ϕｋ（ｔ）为ｕｋ（ｔ）的相位㊂对ｕｋ（ｔ）使用Ｈｉｌｂｅｒｔ变换，可得解析信号及其单边谱：［σ（ｔ）＋ｊπｔ］ｕｋ（ｔ）（７）通过指数调谐，即乘以ｅ－ｊｗｋｔ，将估计ｕｋ（ｔ）的中心频率移到基频附近：｛［σ（ｔ）＋ｊπｔ］ｕｋ（ｔ）｝ｅ－ｊｗｋｔ（８）式中ｗｋ为中心频率，ｗｋ＝ϕᶄｋ（ｔ）㊂带宽Ｂ［ｕｋ（ｔ）］可通过解调信号的Ｈ１高斯平滑度进行估计：Ｂ［ｕｋ（ｔ）］＝∂ｔ［σ（ｔ）＋ｊπｔ）ｕｋ（ｔ）］ｅ－ｊｗｋｔ２２（９）最终，得到一个变分优化问题：ｍｉｎｕｋ，ｗｋ｛ðＫｋ＝１∂ｔ［（σ（ｔ）＋ｊπｔ）ｕｋ（ｔ）］ｅ－ｊｗｋｔ２２｝ｓ．ｔ．ðＫｋ＝１ｕｋ（ｔ）＝ｘ（ｔ）（１０）原始文献采用交替迭代乘子法进行求解㊂观察可知，ＶＭＤ方法采用优化策略一次性获得所有分量，而且各ＭＦ的中心频率和带宽可被自适应计算出的同时，实现了对序列的频域剖析和ＭＦ分离㊂２㊀实验研究本文设计了ＡＥ定位测试系统，由３个ＡＥ传感器㊁３个前置放大器㊁１个８通道的数据采集卡㊁１个ＰＣ机，１个镀锌钢板组成㊂镀锌钢板长㊁宽为５００ｍｍ，厚度为２ｍｍ，通过敲击产生ＡＥ源㊂实验模型如图４所示㊂镀锌钢板固定于桌面，３个ＡＥ传感器通过磁吸附的方法固定于镀锌钢板表面，ＡＥ传感器通过前置放大器与数据采集卡相连㊂图４㊀实验模型根据文献报道，敲击震动信号的峰值频率较低，因此，本文选用窄带低频的ＡＥ传感器采集声信号，相关参数列于表１㊂表１㊀传感器参数表谐振频率／ｋＨｚ带宽频率／ｋＨｚ灵敏度／ｄＢ尺寸／ｍｍ４０２０ １１０８０Φ１７ˑ１６㊀㊀设计了针对一维和二维定位模型的实验，每种实验情况的传感器摆放方式和敲击位置又设定了不同的组合，通过组合可得４种实验情况，图５展示了传感器和敲击位置的具体坐标，表２列举了４个测试案例㊂㊀图５㊀实验布置图表２㊀实验分类模型类型敲击位置案例１一维敲击位置１案例２一维敲击位置２案例３二维敲击位置１案例４二维敲击位置２３㊀实验结果分析本小节分别对４个案例进行实验测量，并采用本文所提方法确定ＡＥ源位置，对其有效性㊁精确性㊁可靠性进行验证㊂３．１㊀信号分析以案例１为例，图６为ＡＥ传感器１㊁传感器２接收到的声信号，相应的ＶＭＤ分解结果如图７所示㊂㊀㊀㊀㊀㊀第５期童国炜等：声发射检测信号分析及源定位方法研究９９㊀㊀图６㊀案例１信号在案例１中，原始信号被分为４个模态函数，在时域波形中，ＭＦ的幅值会逐渐减小，同时频带会升高㊂因此，具有较低信号幅值和较高频率的ＭＦ分量可以被认为是噪声干扰而忽略不计㊂同时，每个ＭＦ的能量ＥＩＭＦｉ和相应的能量比ＲＩＭＦ由下式进行量化：ＥＩＭＦｉ＝１ＮðＮｍ＝１ｘｉ（ｍ）２（１１）（ａ）传感器１信号的ＭＦ图㊀㊀㊀（ｂ）传感器１信号ＭＦ的频域图（ｃ）传感器２信号的ＭＦ图㊀㊀㊀（ｄ）传感器２信号ＭＦ的频域图图７㊀分解结果ＲＩＭＦ＝ＥＩＭＦｉðＸｉ＝１ＥＩＭＦｉˑ１００％（１２）式中ｘｉ（ｍ）为第ｉ个ＭＦ中第ｍ个时间序列点的数值㊂图８显示了案例１中２个ＡＥ传感器接收到声信号ＭＦ的能量比㊂如图８所示，前３个ＭＦ几乎包含整个信号能量的９８％，可以完全反映原始信号的主要信息㊂因此，ＭＦ１㊁ＭＦ２㊁ＭＦ３可用于重建ＡＥ信号的主要成分，而其他能量较低的成分可以忽略不计㊂３．２㊀一维定位模型合并２个ＡＥ传感器信号前３个ＭＦ，由式（３）计算２个信号的互相关系数，并从峰值处获得时间差，通过式（１）计算出声发射源的位置㊂案例１－２的相关系数曲线如图９所示，定位结果列于表３㊂表３㊀一维模型声发射源定位结果案例ｄ１／ｍｍＤ／ｍｍΔｔ／ｍｓ式（１）结果／ｍｍ绝对误差／ｍｍ相对误差／％１８０３４００．０５１８２．５１２．５１３．１３２２４０３４０－０．０８８２３１．４１８．５９３．５８根据实验结果可知，本文设计的定位算法能够实现ＡＥ源的定位，且具有较高的定位精度，在案例１，２的实验中，相对误差可达到３．１３％，３．５８％，满足实际应用要求㊂３．３㊀二维定位模型基于一维定位模型的计算方法，采用２对ＡＥ传感器的数据，通过双曲线方法可实现二维平面内的ＡＥ源定位，结果如表４所示（坐标原点在图５的左下角）㊂通过２组二维平面ＡＥ源定位实验，可验证本文所提方法对二维平面ＡＥ源定位是有效的㊁精确的，实际计算结果的横纵坐标定位误差在５％以内㊂㊀㊀㊀㊀㊀１００㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＭａｙ．２０２１㊀（ａ）传感器１各ＭＦ能量比（ｂ）传感器２各ＭＦ能量比图８㊀案例１ＭＦ能量比（ａ）案例１相关系数曲线（ｂ）案例２相关系数曲线图９㊀互相关分析曲线表４㊀二维模型声发射源定位结果案例ＡＥ传感器位置坐标／ｍｍ１号２号３号实际ＡＥ源坐标／ｍｍ双曲线法计算结果／ｍｍ绝对误差／ｍｍ相对误差／％３（８０，４２０）（２４０，４６０）（４２０，４２０）（１６０，１４０）（１６４．４，１３４．４）（５．４，５．６）（３．３，４．１）４（８０，４２０）（２４０，４６０）（４２０，４２０）（４２０，３２０）（４０７．４，３２９．１）（１２．６，９．１）（３．１，２．８）４㊀结论为了减小ＡＥ源定位过程中测量环境噪声和频散现象对定位结果的干扰，本文研究了ＶＭＤ方法在ＡＥ源定位中的应用方法，通过对原始ＡＥ信号按最小带宽进行分解，提取主要能量分量的和，并采用互相关分析确定ＡＥ源位置㊂一维和二维ＡＥ源定位实验结果表明本文所提方法综合定位误差在５％以内，可实现精确的ＡＥ源定位计算，为ＡＥ源定位研究提供了一种可行的研究方法㊂参考文献：［１］㊀王清琳，程珩，靳宝全．管网泄漏极性相关法定位研究［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１５（７）：９４－９７．［２］㊀ＢＡＴＴＩＥＡＧ．Ａｃｏｕｓｔｉｃｅｍｉｓｓｉｏｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓａｎｄｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｃｏｕｓｔｉｃＥｍｉｓｓｉｏｎ，１９８３，２（１２）：９５－１２８．［３］㊀ＧＥＩＧＥＲＬ．Ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｍｅｔｈｏｄｆｏｒｔｈｅｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆｅａｒｔｈ⁃ｑｕａｋｅｅｐｉｃｅｎｔｅｒｓｆｒｏｍａｒｒｉｖａｌｔｉｍｅｏｎｌｙ［Ｊ］．Ｂｕｌｌ．Ｓｔ．Ｌｏｕｉｓ．Ｕｎｉｖ．，１９１２，８（１）：６０－７１．［４］㊀ＺＨＯＵＺ，ＺＨＯＵＪ，ＣＡＩＸ，ｅｔａｌ．Ａｃｏｕｓｔｉｃｅｍｉｓｓｉｏｎｓｏｕｒｃｅｌｏ⁃ｃａｔｉｏｎｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｒｅｆｒａｃｔｉｏｎｉｎｌａｙｅｒｅｄｍｅｄｉａｗｉｔｈｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｓｕｒｆａｃｅ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＮｏｎｆｅｒｒｏｕｓＭｅｔａｌｓＳｏ⁃ｃｉｅｔｙｏｆＣｈｉｎａ，２０２０，３０（３）：７８９－７９９．［５］㊀ＨＵＱ，ＤＯＮＧＬ．Ａｃｏｕｓｔｉｃｅｍｉｓｓｉｏｎｓｏｕｒｃｅｌｏｃａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉ⁃ｍｅｎｔａｌｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｆｏｒｔｗｏ⁃ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｉｒｒｅｇｕｌａｒｃｏｍｐｌｅｘｓｔｒｕｃ⁃ｔｕｒｅ［Ｊ］．ＩＥＥＥＳｅｎｓｏｒｓＪｏｕｒｎａｌ，２０２０，２０（５）：２６７９－２６９１．［６］㊀ＤＲＡＧＯＭＩＲＥＴＳＫＩＹＫ，ＺＯＳＳＯＤ．Ｖａｒｉａｔｉｏｎａｌｍｏｄｅｄｅｃｏｍ⁃ｐｏｓｉｔｉｏｎ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓ，２０１４，６２（３）：５３１－５４４．［７］㊀王少峰，刘朋真，王建国，等．基于小波包熵与Ｇａｂｏｒ小波变换的管道连续型泄漏源定位［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１７（９）：９８－１０２．［８］㊀王银玲，李华聪．声发射检测仪多路数据采集模块［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１５（６）：４１－４３．作者简介：童国炜（１９８８ ），工程师，博士，主要从事数值优化㊁逆问题求解㊁人工智能及相关领域问题的模型构建和求解㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｔｏｎｇｇｕｏｗｅｉ１８８＠１６３．ｃｏｍ通信作者：杨林（１９６５ ），高级工程师，主要从事检测认证技术研究与管理工作㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｌｙｎｎｙ＠ｃｅｐｒｅｉ．ｂｉｚ。

无损检测术语----声发射检测2.1声发射acoustic emissionAE材料中局域源能量快速释放而产生瞬态弹性波的现象。

a）应力波发射stress wave emission；b）微震动活动microseismic activity；2.2声—超声acousto-ultrsonics AU将声发射信号分析技术与超声材料特性技术相结合，用人工应力波探测和评价构件中弥散缺陷状态、损伤情况和力学性能变化的无损检测方法。

2.3声发射信号持续时间AE signal duration声发射信号开始和终止之间的时间间隔。

2.4声发射信号终止点AE signal end声发射信号的识别终止点，通常定义为该信号与门槛最后一个交叉点。

2.5声发射信号发生器AE signal generator能够重复产生输入到声发射仪器的特定瞬态信号的装置。

2.6声发射信号上升时间AE signal rise time声发射信号起始点与信号峰值之间的时间间隔。

2.7声发射信号起始点AE signal start由系统处理器识别的声发射信号开始点，通常由一个超过门槛的幅度来定义。

2.8阵列array为了探测和确定阵列内源的位置而放置在一个构件上两个或多个声发射传感器的组合。

2.9衰减attenuation声发射幅度每单位距离的下降，通常以分贝每单位长度来表示。

2.10平均信号电平average signal level整流后进行时间平均的声发射对数信号，用对数刻度对声发射幅度进行测量，以dB AE 单位来表示（在前置放大器输入端，0dB AE对应于1μV）。

2.11声发射通道channel，acoustic emission由一个传感器、前置放大器或阻抗匹配变压器、滤波器、二次放大器、连接电缆以及信号探测器或处理器等构成的系统。

注：检测玻璃纤维增强塑料（FRP）时，一个通道可能采用两个以上的传感器；对这些通道可能进行单独处理，也可能按相似的灵敏度和频率特性进行预先分组处理。

声发射检测复习题第一章绪论声发射：材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象；也称为应力波反射。

材料在应力作用下的变形与裂纹扩展，是结构失效的重要机制。

直接与变形和断裂机制有关的源被称为声发射源。

声发射源的实质是指声发射的物理源点或发生声发射的机制源。

声发射事件：引起声发射的局部材料变化。

凯赛尔效应：材料被重新加载期间，在应力值达到上次加载最大应力之前不产生声发射信号。

声发射检测基本原理：从声发射源发射的弹性波最终传播到达材料的表面，引起可以用声发射传感器探测的表面位移，这些探测器将材料的机械振动转换为电信号，然后再被放大、处理和记录。

声发射检测的主要目的：①确定声发射源的部位；②分析声发射源的性质；③确定声发射发生的时间或载荷；④评定声发射源的严重性。

一般而言，对超标声发射源，要用其它无损检测方法进行局部复检，以精确确定缺陷的性质与大小。

声发射检测方法的特点：动态无损检测方法；几乎不受材料的限制；可以长期、连续监测；对缺陷进行定性分析。

声发射技术的优点：(1) 声发射检测是一种动态检验方法；(2) 声发射检测方法对线性缺陷较为敏感；(3) 声发射检测在一次试验过程中能够整体探测和评价整个结构中缺陷的状态；(4) 可提供缺陷随载荷、时间、温度等外变量而变化的实时或连续信息，因而适用于工业过程在线监控及早期或临近破坏预报；(5) 适于其它方法难于或不能接近环境下的检测，如高低温、核辐射、易燃、易爆及极毒等环境；(6) 对于在役压力容器的定期检验，声发射检验方法可以缩短检验的停产时间或者不需要停产；(7) 对于压力容器的耐压试验，声发射检验方法可以预防由未知不连续缺陷引起系统的灾难性失效和限定系统的最高工作压力；(8) 适于检测形状复杂的构件。

声发射技术的缺点(1)对数据的正确解释要有更为丰富的数据库和现场检测经验。

因为声发射特性对材料甚为敏感，又易受到机电噪声的干扰。

(2) 声发射检测，一般需要适当的加载程序。