聲發射信號分析及其軟件實現

韓雙連 隋青美 姜明順

(山東大學控制科學與工程學院，濟南 250061)

聲發射(Acoustic Emission，AE)是材料局部因能量的快速釋放而發出瞬態彈性應力波的現象，其形成機理是材料在動態(受力)過程中所產生的一種應力波[1]。材料結構失效的主要機制是應力作用下的變形與裂紋擴展，而監測材料的聲發射信號就可以很好地判斷材料的裂紋擴展情況，達到預測結構安全狀況的目的。在實際檢測中，需要從檢測信號中提取真正有用于表征不同類型缺陷的聲發射信號。為此，對聲發射信號及其特征參數的提取非常重要。目前，馬永輝等設計了基于LabVIEW和Matlab的聲發射采集系統[2，3]；在聲發射特征參數應用方面，李偉等發現應用振鈴計數、能量及質心頻率等不同參數可以有效區分不同類型的聲發射信號[4，5]。但目前還沒有基于VC++的聲發射信號分析系統。

筆者利用PAC公司的聲發射采集卡對聲發射信號進行采集。該采集卡能夠對聲發射特征參數和波形進行實時處理。系統使用可視化Microsoft Visual Studio 2010開發工具，基于VC++進行編程，獲取信號波形數據及信號幅值等20多個特征參數值并實時保存、顯示，重點給出了振鈴計數及質心頻率等特征參數的提取，數據存儲及歷史曲線顯示等。系統還包括振鈴閾值的實時修改、采集卡通道選擇及采樣點長度等參數的設置。最后，在實驗室的鋁合金薄板系統中分別用斷鉛信號和標準激勵源信號進行了模擬實驗，為實際應用中的聲發射信號分析提供了理論與實驗支持。

1 聲發射信號分析相關理論①

聲發射信號分為突發型、連續型和混合型3種類型，突發型和連續型是聲發射信號的兩種基本類型[6]。這兩種信號可以在實驗系統中分別使用斷鉛信號和標準激勵源進行模擬。連續信號參數包括振鈴計數、平均信號電平及有效值電壓等，而突發信號參數包括事件計數、振鈴計數、幅度、能量計數、上升時間、持續時間及時差等。常用突發信號特性參數示意圖如圖1所示[6]。

圖1 突發型聲發射信號特性參數

由圖1可以看出，事件的能量為超過門檻電壓的信號包絡線以下的面積，能夠反應事件的相對能量或強度，可被振鈴計數取代，其大小與幅度、持續時間有關；而振鈴計數則是越過門檻信號的振蕩次數，可分為總計數和計數率，與振幅、門檻電壓和持續時間有關，能粗略反應信號的能量、強度和頻度；能量和振鈴計數都與摩擦產生的能量(該能量非聲發射信號的能量)有關。幅度是信號波形的最大振幅值，通常用dB表示。質點振動位移的平方正比于該質點所具有的能量，因此幅度可反應出聲發射撞擊所釋放出的能量，與事件大小直接相關。有理論研究表明，幅度是表征聲發射源特征的最有效參數[7]。信號第一次越過閾值至最終降至閾值以下所經歷的時間間隔稱為持續時間。

根據聲發射檢測技術的基本原理，耦合在材料表面的壓電陶瓷探頭可以將材料內部的聲發射源所產生的彈性波轉變為電信號，將電信號加以放大、處理使之特性化，通過顯示、記錄可獲得聲發射源的特征參數。相反，通過分析檢驗過程中獲得的聲發射信號的各種參數，就可以知道材料內部的缺陷情況。

2 系統設計

2.1 硬件結構

聲發生信號分析硬件系統主要由傳感器、前置放大器、數據采集卡和計算機組成，系統組成如圖2所示。聲發射傳感器通過白凡士林耦合劑粘貼在鋁合金薄板表面，監測薄板面在實驗中接收到的聲發射信號，并將波動信號轉換為電信號，經過前置放大器后由PAC采集卡進行數據采集，上位機系統通過監測板卡進行數據的處理和上位機顯示。

圖2 硬件系統組成框圖

傳感器采用美國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，通道數為2。

2.2 軟件結構

在熟悉PCI-2采集卡的工作條件和數據采集原理的情況下，使用VC++編程環境實現聲發射信號波形數據采集、信號特征參數提取、信號頻譜分析、特征參數和波形的實時顯示及保存等一系列功能。VC++開發環境擁有強大的MFC和API函數、方便友好界面的開發，可開發多線程工作模式，實現高速數據的采集與存儲，但并沒有提供信號分析與處理包，功能較為單一，具體算法實現需用戶自行編寫。為保證數據的精確度和可靠性，系統利用Matlab接口對信號進行功率譜分析。圖3是整個系統的軟件流程。

圖3 聲發射信號分析系統軟件流程

采用VC++和Matlab混合編程模式，需要在運行前分別配置VC++和Matlab環境，并在Matlab中將MEX文件封裝為DLL提供給VC調用，此方法可使系統脫離Matlab環境運行，只需安裝MCR庫。這為后續更復雜的小波分析等信號分析提供強大的支撐。

系統啟動后，可點擊“采集”使用默認的硬件參數采集數據，也可點擊“采集設置”進行AE所有硬件參數的設置，包括采樣速率、采樣長度、PDT、HDT、最大持續時間及提取參數的選擇等，用戶可根據自己的需要進行選擇。點擊“數據分析”，振鈴計數、質心頻率及幅度等特征參數的波動曲線即可顯示。信號波形數據和特征參數的數據都可實時保存。圖4為軟件主界面，此界面數據是在鋁合金板表面用硬物撞擊模擬的結果。

圖4 系統主界面

3 實驗與測試結果

3.1 實驗條件

實驗在鋁合金試件上進行，傳感器用白凡士林耦合固定，用自主研制的聲發射信號分析系統檢測信號。為減弱環境和電磁噪聲的影響,實驗在安靜環境下進行，即室內噪聲水平在40dB以下，同時數據線控制在1.5m以內。金屬試件厚5mm、寬50cm、長50cm。

實驗分兩組進行，一組是斷鉛實驗，即用PAC公司的直徑0.5mm、硬度HB的標準斷鉛實驗自動鉛筆，在離開傳感器邊緣1cm處折斷鉛芯以模擬突發型聲發射信號；另一組是標準信號實驗，用PAC公司MISTRAS系列的Field CAL激勵源激發聲發射信號。采集這兩組實驗產生的波形，并在第二組實驗下，分別進行了固定強度下的頻率變化實驗和固定頻率下的強度變化實驗。

3.2 實驗測試結果與分析

3.2.1數據采集與頻譜分析

圖5為斷鉛實驗的時域和頻域信號圖。

圖5 斷鉛信號時域頻域圖

從圖5可以看出，斷鉛實驗產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，捕捉的信號的頻譜也比較豐富，為后續的信號分析提供了可靠的基礎。

對激勵源信號分別檢測了信號強度為90dB時不同頻率下的信號(圖6)和頻率為150kHz時不同強度下的信號(圖7)。圖6中頻率依次為60、150、300kHz，圖7中強度依次為50、60、70dB。

a. 頻率為60kHz

b. 頻率為150kHz

c. 頻率為300kHz

a. 信號強度為50dB

b. 信號強度為60dB

c. 信號強度為70dB

由圖6、7可以看出，該聲系統能夠較好地采集聲發射信號，滿足聲發射數據采集的精度要求。實驗傳感器R15α為窄帶諧振式傳感器，諧振頻率為150kHz，因此在150kHz時信號幅值最大。實驗結果表明：同一強度下，系統能準確區分不同信號頻率，且不同頻率時信號幅值也不同，頻率為150kHz時信號幅值最大；在同一頻率下，信號強度越大，聲發射能量更大，因此波形幅值越大，與理論分析相符。

3.2.2特征參數分析與提取

在激勵源實驗中，同時測試了在90dB強度下，調節信號頻率時特征參數的變化趨勢。圖8、9為依次調節激勵源頻率為60、150kHz時的參數波動曲線。

圖8 質心頻率曲線

圖9 振鈴計數曲線

實驗結果表明：質心頻率值和標準激勵源信號的頻率保持一致，同時在預設振鈴閾值不變的前提下，振鈴計數也能夠跟隨信號的變化而變化，起到粗略反應信號強度和頻度的作用，驗證了系統的可靠性。

4 結束語

聲發射信號分析是聲發射實驗和工程檢測中的重要部分。利用PAC公司的聲發射采集卡(PCI-2)，基于VC++ 2010開發了聲發射信號采集與分析系統。經實驗測試，該系統界面友好、操作方便、可靠性高，可以很好地識別并提取聲發射信號，并實現了聲發射信號的特征參數提取及曲線顯示等功能，為進一步依據特征參數進行材料的斷裂狀態判斷提供了理論與實驗支持。