一、概述

設備的局部損傷源主要有金屬塑性變形和斷裂等，其中裂紋的產生、擴展及斷裂最為突出，是主要的聲發(fā)射源，對需周期性加載的設備金屬結構進行早期裂紋擴展的準確監(jiān)測，在預防災難性重大事故方面可以起到關鍵作用。

帶裂紋金屬結構在全壽命周期內的疲勞破壞一般會經歷三個階段：裂紋萌生階段、穩(wěn)態(tài)擴展階段和失穩(wěn)擴展階段。許多設備在服役之初在其結構內部已經存在裂紋源，裂紋源形成的主要原因是結構缺陷和承受較大應力。裂紋源在疲勞交變應力作用下會進一步擴展，逐步進入穩(wěn)態(tài)擴展階段。設備在作業(yè)時往往會經歷較長時間的工作循環(huán)，每一個工作循環(huán)均會包含空載—加載—卸載（空載）的載荷歷程，是典型的承受頻繁交變應力作用的機械。因此，含有裂紋源的設備金屬結構會很快地進入裂紋擴展階段。

聲發(fā)射技術作為一種無損檢測技術，可以通過聲發(fā)射檢測系統(tǒng)，及早地判斷出裂紋的萌生位置及擴展情況。聲發(fā)射參數(shù)的相關曲線直接表征了裂紋的萌生及擴展過程，曲線的拐點或突變點直接對應曲線的特征點及裂紋發(fā)展的三個階段。因此，采用聲發(fā)射技術對設備的活性裂紋進行監(jiān)測。

聲發(fā)射又稱為應力波發(fā)射，是材料局部因能量的快速釋放而發(fā)出瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象。聲發(fā)射是一種常見的物理現(xiàn)象，大多數(shù)材料變形和斷裂時有聲發(fā)射發(fā)生，如果釋放的應變能足夠大，就產生可以聽得見的聲音，如在耳邊彎曲錫片，就可以聽見“噼啪”聲，這是由于錫受力產生孿晶變形的發(fā)聲。大多數(shù)金屬材料塑性變形和斷裂時也有聲發(fā)射發(fā)生。聲發(fā)射檢測的主要目的是確定聲發(fā)射源的部位，分析聲發(fā)射源的性質，確定聲發(fā)射發(fā)生的時間或載荷和評定聲發(fā)射源的嚴重性。聲發(fā)射檢測方法在許多方面不同于其他常規(guī)無損檢測方法，其特點主要表現(xiàn)為：

1）聲發(fā)射是一種動態(tài)檢驗方法，聲發(fā)射探測到的能量來自被測試物體本身，而不是像超聲或射線探傷方法一樣由無損檢測儀器提供。

2）對大型構件，可提供整體或大范圍的快速檢測。由于不必進行繁雜的掃查操作，而只要布置好足夠數(shù)量的傳感器，經一次加載或試驗過程，就可確定缺陷的部位，從而易于提高檢測效率。

3）可提供活性缺陷隨載荷、時間、溫度等外變量而變化的實時或連續(xù)信息，因而適用于工業(yè)過程在線監(jiān)控及早期或臨近破壞預報。

4）由于對被檢件的接近要求不高，而適于其他方法難于或不能接近環(huán)境下的檢測，如高低溫、核輻射、易燃、易爆及極毒等環(huán)境。

5）由于對構件的幾何形狀不敏感，而適于檢測其他方法受到限制的形狀復雜的構件。

裝備結構裂紋的形成和擴展與材料的塑性變形有關，一旦裂紋形成，材料局部地區(qū)的應力集中得到卸載，產生聲發(fā)射，當裂紋擴展至一定限度即會發(fā)生斷裂，此時的聲發(fā)射信號強度最大。監(jiān)視裂紋的形成與擴展、斷裂（包括腐蝕致裂紋、疲勞裂紋、焊接致裂紋等）是采用聲發(fā)射技術進行局部監(jiān)測的主要目的。

二、聲發(fā)射監(jiān)測理論基礎

1.聲發(fā)射波的傳播

1)傳播模式

聲發(fā)射波在固體構件中的傳播，可構成縱波、橫波、表面波（瑞利波）和Lamb波等不同傳播模式。

（1）縱波

在形成聲發(fā)射波的過程中，若質點振動方向與波的傳播方向一致，稱為縱波。

縱波質點位置的分布特點是：疏密相間。隨著振動的傳播，疏密相間的狀態(tài)向右移動，因而縱波也被稱為稀疏波。

（2）橫波

若質點的振動方向和波的傳播方向垂直，稱為橫波。橫波在彈性材料的傳播過程中，各質點的位置相對平衡點分布，各質點之間彼此有彈性力相互聯(lián)系。沿著波的傳播方向，凸起的波峰和凹下的波谷交替排列向波的傳播方向移動，形成完整的橫波波形。橫波只能在固體介質中傳播。

（3）表面波

質點在介質表面的運動形式為縱橫向變化的復合振動，其運動路徑為橢圓形，質點位移的長軸垂直于傳播方向，質點位移的短軸平行于傳播方向。表面波是英國物理學家瑞利于1885年研究并證實的，又稱為瑞利波。該波在介質中僅沿表面?zhèn)鞑?，其能量隨著介質深度的增加而快速下降，且受環(huán)境因素影響，如強度、壓力和加速度等的影響。表面波只能在固體介質中傳播。

（4）板波（Lamb波）

對于薄壁材料如板材、殼體、空心棒材等制成的容器等，當材料厚度小于聲發(fā)射的波長時，材料中就不會產生平面波，而只能產生各種類型的板波。板波為橫波和縱波的合成波，質點的振動做橢圓軌跡運動。板波的傳播滿足Lamb方程，其方程的解稱為Lamb波，通常所說的板波泛指Lamb波。Lamb波由無限多個不同階次的波構成，發(fā)射源在板厚遠小于波長的薄板中主要激勵出不同階次的對稱波和反對稱波。其中，對稱波波幅小、頻率高、速度高；反對稱波波幅大、頻率低、速度低。Lamb波在固體內傳播時，質點的運動軌跡為橢圓形，質點轉動會有擴展波和彎曲波兩種模式。

2)波的傳播速度

波的傳播速度是與介質的彈性模量和密度有關的材料特性，因而不同的材料，聲發(fā)射波的傳播速度也不同。在均勻介質中，縱波與橫波的速度分別可用式(1)表達。

式中，vL為縱波速度；vS為橫波速度；σ為泊松比；E 為彈性模量；G 為切變模量；ρ為材料密度。

在同種材料中，不同模式的波速之間有一定比率關系。例如，橫波速度約為縱波速度的60%，表面波速度約為橫波的90%。縱波、橫波、表面波的速度與波的頻率無關，而板波的速度則與波的頻率有關，即具有頻散現(xiàn)象，其速度介于縱波速度和橫波速度之間。在實際結構中，傳播速度還受到諸如材料類型、各向異性、結構形狀與尺寸、內容介質等多種因素的影響，具有一定的不確定性。

傳播速度主要用于聲發(fā)射源的時差定位計算，而其不確定性成為影響源定位精度的主要因素。在實際應用中，波速難以用理論計算，需要用實驗測量。對于大多數(shù)鐵基金屬材料容器，聲發(fā)射波的典型傳播速度約為3000m/s，在無法測得波速的情況下，可以將此值作為定位計算的初設值。

3)反射、折射與模式轉換

在固體介質中，聲發(fā)射源處同時產生縱波和橫波兩種傳播模式。它們傳播到不同材料界面時，可產生反射、折射和模式轉換。入射橫波和入射縱波除各自產生反射（或折射）縱波與橫波外，在半無限體自由表面上，一定的條件下還可轉換成表面波，如圖1所示；在厚度接近波長的薄板中又會發(fā)生板波；厚度遠大于波長的厚板結構中，波的傳播變得更為復雜，其示意如圖2所示。

圖1 半無限大固體內的聲發(fā)射波傳播

O—波源L—縱波S—橫波R—表面波

圖2 厚板中的傳播示意圖

O—波源L—縱波S—橫波R—表面波

聲發(fā)射波經界面反射、折射和模式轉換后，將產生多種不同模式的波，以不同波速、不同波程、不同時序到達傳感器。因此，若聲發(fā)射源產生的聲發(fā)射波為一個尖脈沖波，則到達傳感器時，可能以縱波、橫波、表面波或板波及其多波程遲達波等復雜方式，分離成數(shù)個尖脈沖或經相互疊加而成為持續(xù)時間很長的復雜波形，有時長達數(shù)毫秒。此外，傳感器頻響特性及傳播衰減等也會對儀器接收的聲發(fā)射信號產生影響，使信號波形的上升時間變慢、幅度下降、持續(xù)時間變長、到達時間延遲、頻率成分向低頻偏移。這種變化將對聲發(fā)射波波形的定量分析及常規(guī)參數(shù)分析帶來一定的困難。

2 凱賽爾效應和費利西蒂效應

1)凱賽爾效應

凱賽爾效應是德國學者凱賽爾在1963年研究金屬聲發(fā)射特性時發(fā)現(xiàn)的。材料被重新加載期間，在應力值達到上次加載最大應力之前不產生聲發(fā)射信號。多數(shù)金屬材料和巖石中，可觀察到明顯的凱賽爾效應。但是，重復加載前，如產生新裂紋或其他可逆聲發(fā)射機制，則凱賽爾效應會消失。

凱賽爾效應在聲發(fā)射技術中有著重要用途，包括：

1）在役構件新生裂紋的定期過載聲發(fā)射檢測；

2）巖體等原先所受最大應力的推測：

3）疲勞裂紋起始與擴展的聲發(fā)射檢測；

4）通過預載措施消除加載銷孔的噪聲干擾；

5）加載過程中常見的可逆性摩擦噪聲的鑒別。

2)費利西蒂效應和費利西蒂比

材料重復加載時，重復載荷到達原先所加最大載荷前發(fā)生明顯聲發(fā)射的現(xiàn)象，稱為費利西蒂效應，也可以認為是反凱賽爾效應。重復加載時的聲發(fā)射起始載荷（PAE）對原先所加最大載荷（Pmax）之比（PAE/Pmax），稱為費利西蒂比。

費利西蒂比作為一種定量參數(shù)，較好地反映了材料中原先所受損傷或結構缺陷的嚴重程度，已成為缺陷嚴重性的重要評定判據(jù)。費利西蒂比大于1表示凱賽爾效應成立，而小于1則表示不成立。在一些復合材料構件中，費利西蒂比小于0.95作為聲發(fā)射源超標的重要判據(jù)。

3 聲發(fā)射監(jiān)測原理

許多材料的聲發(fā)射信號強度很弱，人耳不能直接聽見，需要借助靈敏的電子儀器才能檢測出來，用儀器探測、記錄、分析聲發(fā)射信號和利用聲發(fā)射信號推斷聲發(fā)射源的技術稱為聲發(fā)射技術。聲發(fā)射監(jiān)測原理如圖3所示，從聲發(fā)射源發(fā)射的彈性波最終傳播到達材料的表面，引起可以用聲發(fā)射傳感器探測的表面位移，這些探測器將材料的機械振動轉化為電信號，然后再被放大、處理和記錄，人們根據(jù)觀察到的聲發(fā)射信號進行分析與推斷，以了解材料產生聲發(fā)射的機制。

圖3 聲發(fā)射監(jiān)測原理

三、聲發(fā)射監(jiān)測傳感技術

1.傳感器工作原理

某些晶體受力產生變形時，其表面出現(xiàn)電荷，而又在電場的作用下，晶片發(fā)生彈性變形，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。壓電轉換元件具有自發(fā)電和可逆兩種重要性能，加上它體積小、質量輕、結構簡單、工作可靠、固有頻率高、靈敏度和信噪比高等優(yōu)點，壓電式傳感器的應用得到迅速的發(fā)展。常用聲發(fā)射傳感器的工作原理，基于晶體元件的壓電效應，將聲發(fā)射波所引起的被檢件表面振動轉換成電壓信號，傳輸至信號處理器。

壓電材料多為非金屬介電晶體，包括鋯鈦酸鉛、鈦酸鉛、鈦酸鋇等多晶體和鈮酸鋰、碘酸鋰等單晶體。其中，鋯鈦酸鉛（PZT-5）接收靈敏度高，是聲發(fā)射傳感器常用的壓電材料。鈮酸鋰晶體居里點高達1200℃，常用作高溫傳感器。

傳感器的特性參數(shù)包括頻響寬度、諧振頻率、幅度靈敏度。傳感器特性參數(shù)取決于許多因素，包括：①晶片的形狀、尺寸及其彈性和壓電常數(shù)；②晶片的阻尼塊及殼體中的安裝方式；③傳感器的耦合、安裝及試件的聲學特性。

2.傳感器的類型

傳感器可分為壓電型、電容型和光學型。其中，常用的壓電型又可分為諧振式（單端和差動式）、寬頻帶式、錐形式、高溫式、微型、前放內置式、潛水式、定向式、空氣耦合式和可轉動式，其主要類型、特點和適用范圍如表1所示。

表1 傳感器的類型、特點和適用范圍

3.傳感器的結構

聲發(fā)射傳感器一般由殼體、保護膜、壓電晶片、阻尼塊、連接導線及高頻插座等組成，其中諧振式高靈敏度傳感器是聲發(fā)射檢測中使用最多的一種，結構形式如圖4所示。

圖4 壓電型傳感器的結構

壓電元件多采用鋯鈦酸鉛陶瓷晶片（PZT-5），起著聲電轉換作用。兩表面鍍上5～19μm厚的銀膜，起著電極作用。陶瓷保護膜起著保護晶片及傳感器與被檢體之間的電絕緣作用。金屬外殼對電磁干擾起著屏蔽作用。導電膠起著固定晶片與導電的作用。在差動式傳感器中，正負極差接而成的兩個晶片可輸出差動信號，起著抑制共模電噪聲的作用。傳感器材料的選擇，還應考慮諸如溫度、腐蝕、核輻射、壓力等檢測環(huán)境因素。

聲發(fā)射傳感器陣列由聲發(fā)射傳感器和陣列固定裝置組成，聲發(fā)射傳感器主要用于檢測微弱的聲發(fā)射信號，將信號變?yōu)橄到y(tǒng)可識別的電信號。起重裝備鋼材中焊接缺陷產生的聲發(fā)射源其頻率范圍為25～750kHz，選用頻率為150kHz的諧振式窄帶聲發(fā)射傳感器來測量起重裝備的聲發(fā)射信號。陣列固定裝置將幾個傳感器進行集成，通過磁吸附方式將聲發(fā)射傳感器與被測物很好地耦合。為了方便開展對起重裝備的局部損傷監(jiān)測，設計了多種陣列固定裝置，如圖5所示。陣列傳感裝置為每個傳感器都預留了活動區(qū)域，保證在進行監(jiān)測時聲發(fā)射傳感器的距離相對可調。

圖5 聲發(fā)射傳感器陣列

四、聲發(fā)射信號處理方法

1.聲發(fā)射信號的參數(shù)分析方法

經過數(shù)十年的研究和生產實踐，聲發(fā)射參數(shù)分析法已經廣泛應用并成為經典的聲發(fā)射信號分析方法，在當前的聲發(fā)射檢測中廣泛應用，且大部分聲發(fā)射源的判斷標準均采用簡化波形的特征參數(shù)。盡管參數(shù)分析法還有很多需要完善的地方，但在多數(shù)情況下，它已被證明可以解決工程實踐中的很多問題，并具有簡單、易于計算處理的優(yōu)勢。

圖6所示為突發(fā)型標準聲發(fā)射信號簡化波形參數(shù)的定義。由這一模型可得到撞擊（事件）計數(shù)、振鈴計數(shù)、能量、幅度、持續(xù)時間和上升時間等參數(shù)。對于連續(xù)型聲發(fā)射信號，上述模型只有振鈴計數(shù)和能量參數(shù)可以適用。為了更確切地描述連續(xù)型聲發(fā)射信號的特征，引入了平均信號電平和有效值電壓兩個參數(shù)。

圖6 聲發(fā)射參數(shù)定義

表2列出了常用聲發(fā)射信號參數(shù)的含義和用途。這些參數(shù)可定義為隨時間或試驗參數(shù)變化的函數(shù)，如聲發(fā)射事件計數(shù)率、聲發(fā)射振鈴計數(shù)率和聲發(fā)射信號能量率等。也可定義為時間或試驗參數(shù)的函數(shù)，如總事件計數(shù)、總振鈴計數(shù)和總能量計數(shù)等。這些參數(shù)之間也可以任意兩個組合進行關聯(lián)分析，如聲發(fā)射事件—幅度分布、聲發(fā)射事件能量—持續(xù)時間關聯(lián)圖等。

表2 聲發(fā)射信號參數(shù)

以下介紹幾種參數(shù)分析方法。

1)聲發(fā)射信號單參數(shù)分析法

早期聲發(fā)射儀器只有計數(shù)、能量或幅度等很少參數(shù)可以測量，因此，單參數(shù)分析方法是早期對聲發(fā)射信號的分析和評價的主要方法，其中計數(shù)分析法、能量分析法和幅度分析法是早期最常用的分析方法。

計數(shù)分析法是處理聲發(fā)射脈沖信號的一種常用方法。目前應用的計數(shù)分析法有聲發(fā)射撞擊（或事件）計數(shù)率法與振鈴計數(shù)率法及混合計數(shù)法，另外還有一種對振幅加權的計數(shù)方式，稱加權振鈴計數(shù)法。聲發(fā)射事件是材料內局域變化產生的單個突發(fā)型信號，聲發(fā)射計數(shù)（振鈴計數(shù)）是聲發(fā)射信號超過某一設定門檻值的次數(shù)，計數(shù)率是單位時間內信號超過門檻值的次數(shù)，聲發(fā)射計數(shù)率依賴于換能器的響應頻率、換能器的阻尼特性、結構的阻尼特性和閾值的水平。對于一個聲發(fā)射事件，由換能器探測到的聲發(fā)射計數(shù)為

式中，f0為換能器響應中心頻率；β為波形的衰減系數(shù)；Vp為聲發(fā)射信號峰值電壓；Vt為閾值電壓。

計數(shù)分析法的缺點是受被測物體幾何形狀、門檻值電壓、換能器特性、放大器和濾波器工作狀況等因素的影響較大。

能量分析法是定量測量聲發(fā)射信號的主要方法之一。聲發(fā)射信號的能量正比于聲發(fā)射波形的面積，通常用方均根電壓Vrms或均方電壓Vms進行聲發(fā)射信號能量測量，也可直接測量聲發(fā)射信號波形的面積。對于突發(fā)型聲發(fā)射信號可以測量每個事件的能量。聲發(fā)射信號能量的測量與材料的聲發(fā)射事件的機械能、應變率或形變機制等重要物理參數(shù)具有緊密的關系，而不需要建立聲發(fā)射信號的模型。能量測量同樣解決了小幅度連續(xù)型聲發(fā)射信號的測量問題。

信號峰值幅度和幅度分布可以更多地反映聲發(fā)射源的信息，信號幅度與材料中產生聲發(fā)射源的強度有直接關系，幅度分布與材料的形變機制有關。聲發(fā)射信號幅度的測量的影響因素包括換能器的響應頻率、換能器的阻尼特性、結構的阻尼特性和門檻值水平等。通過應用對數(shù)放大器，不論聲發(fā)射信號的大小都可以對其進行精確的峰值幅度測量。

2).聲發(fā)射信號的經歷圖分析法

聲發(fā)射信號的經歷圖分析法通過分析聲發(fā)射信號參數(shù)隨時間或外變量變化的情況，從而得到聲發(fā)射源的活動情況和發(fā)展趨勢。經歷圖分析是常用、直觀的分析方法。經歷圖分析法可以對聲發(fā)射源的活動性進行評價、對恒載聲發(fā)射進行評價以及起裂點測量。

3).聲發(fā)射信號的分布圖分析法

聲發(fā)射信號的分布圖分析法是將聲發(fā)射信號撞擊計數(shù)或事件計數(shù)按信號參數(shù)值進行統(tǒng)計分布分析。一般縱軸表示撞擊計數(shù)或事件計數(shù)，橫軸表示聲發(fā)射信號的任一參數(shù)，橫軸表示的參數(shù)（如幅度分布、能量分布、振鈴計數(shù)分布、持續(xù)時間分布及上升時間分布等）即為該參數(shù)的分布圖。其中幅度分布圖應用最為廣泛。運用分布圖分析可以發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射源的特征，這樣可以鑒別聲發(fā)射源類型，如金屬材料的裂紋擴展、塑性變形和復合材料的纖維斷裂等，也是檢測聲發(fā)射源強度的常用方法。

4).聲發(fā)射信號的關聯(lián)分析方法

關聯(lián)分析方法也是聲發(fā)射信號分析中常用的方法之一。對聲發(fā)射信號的任意兩個波形特征參數(shù)可做其關聯(lián)圖進行分析，圖中二維坐標軸各表示一個參數(shù)，每個顯示點對應于一個聲發(fā)射信號撞擊或事件。通過不同參量之間的關聯(lián)圖，可以分析不同AE源的特征，從而起到鑒別AE源的作用。如有些電子干擾傳導通常具有很高的幅度，但能量卻很小，通過幅度-能量關聯(lián)圖即可將其區(qū)分出來；對于壓力容器來說，內部介質泄漏信號與容器殼體產生的信號相比，具有長得多的持續(xù)時間，通過能量-持續(xù)時間或幅度-持續(xù)時間關聯(lián)圖分析，很容易發(fā)現(xiàn)壓力容器的泄漏。

5).聲發(fā)射信號的列表顯示法

列表顯示法是將聲發(fā)射信號參數(shù)進行時序排列并直接顯示，包括信號到達的時間、各聲發(fā)射信號參數(shù)、外變量和聲發(fā)射源坐標等?？梢酝ㄟ^對各聲發(fā)射信號參數(shù)進行時序排列和直接顯示，觀察系統(tǒng)對模擬源的響應，并對聲發(fā)射源的強度等這樣的特殊問題進行分析。

由于聲發(fā)射信號參數(shù)分析方法對聲發(fā)射儀的要求較低，分析方式簡單、直觀，實時性好，分析速度快，且對于檢測人員更容易掌握和操作，因此是工程檢測中最主要使用的方法。然而，盡管每一個聲發(fā)射參數(shù)都能提供與聲發(fā)射源特征的相關信息，但對于不同的試驗條件，不同的材料結構，以及不同的選用參數(shù)，在整個處理過程中所得到的聲發(fā)射源的評價也會不同。另一個聲發(fā)射參數(shù)分析方法的缺點在于，聲發(fā)射參數(shù)只是描述聲發(fā)射信號波形的有限特征，用其表征整個聲發(fā)射源的特征尚存在一定偏差。

2.其他信號處理方法

聲發(fā)射檢測的主要目的之一是辨別產生聲發(fā)射源的波形特征，由于聲發(fā)射源處的波在傳播過程中會發(fā)生衰減、吸收以及邊界處發(fā)生折射、反射，而且信號經采集電路和放大電路處理后其波形已明顯地畸變。因此，如何從采集到的聲發(fā)射波來反推原始波形，將有用信號和噪聲信號進行分離以及修正測量系統(tǒng)的誤差一直是科研工作者面臨的難題。

聲發(fā)射信號處理技術是指利用計算機，通過數(shù)值計算對采集到的聲發(fā)射信號進行變換、綜合、評估以及識別等處理，以提取有實際意義的關于聲發(fā)射源的信息。聲發(fā)射信號處理技術依托計算機技術的進步，通過數(shù)值計算使面目全非的聲發(fā)射源變得清楚明顯。聲發(fā)射信號處理的方法主要包括快速傅里葉變換、神經網絡、模式識別、小波分析、相關性分析、典型濾波及自適應濾波等。

1).快速傅里葉變換（FFT）

FFT是離散傅里葉變換（DFT）的一種快速算法，在確定DFT系數(shù)時，使所要求的乘法及加法次數(shù)減少。FFT算法的實質是把一個長數(shù)據(jù)列x(n)經過幾次分選抽取，分割成2個n/2序列，然后再分成4個n/4序列，直到最后每個序列只剩兩項為止，對最后兩項序列做DFT計算，分別算出分割后子序列的頻譜，然后按照一定的規(guī)則組合，即可得到整個序列x(n)的頻譜。

2).神經網絡

神經網絡是人工神經網絡的簡稱，是模擬人類形象思維的重要方法之一。工程實踐中，利用神經網絡經過大量樣本學習所具有的較強泛化能力的特點，可將傳感器的每一次測量值作為一條證據(jù)，經過運算，得到該證據(jù)對各待識別目標的基本概率賦值函數(shù)后，再使用D-S證據(jù)理論將每條證據(jù)的基本概率賦值函數(shù)進行融合，得到最終的識別結果。常用的神經網絡為B-P網絡模型，由輸入層及其節(jié)點、輸出層及其節(jié)點、一層至多層隱層及其節(jié)點構成，如圖7所示。輸入值首先由輸入層正向傳至隱層節(jié)點，按照一定的誤差算法（如最小二乘法、最小均方誤差等）經特性函數(shù)（常用S型函數(shù)）作用后，再傳至下一隱層，直到最終傳至輸出層輸出，在傳播過程中每經過一層都要由相應的特性函數(shù)進行變換。

圖7 B-P網絡

3.小波分析

小波是出現(xiàn)時間很短的振蕩波，通常只有幾個循環(huán)周期。小波分析是20世紀80年代后期形成的一門新興的數(shù)學分支，它是在傅里葉變換的基礎上發(fā)展起來的，但與傅里葉分析有明顯的不同。小波變換可以將單一的時域信息變換為時間-頻率域信息，可以將信號進行多尺度分解，分解成不同頻段的時域信號，該方法已成為目前國際上應用較廣的時頻域分析工具，在非平穩(wěn)的損傷信號識別中正發(fā)揮著越來越重要的作用。

當一個函數(shù)Ψ(t)∈L2 (R)滿足以下性質時：

這個函數(shù)Ψ(t )可以稱為小波或母小波。將母小波Ψ(t )經過尺度伸縮和時間平移后可得

式中，Ψa,b(t)為一個小波序列；b為平移參數(shù)；a為尺度參數(shù)。在不同尺度下小波的持續(xù)時間隨a加大而增寬，幅度與a呈反比減小，但波的形狀保持不變。

對于任意x(t)∈L2(R)的函數(shù)，關于小波基Ψa,b(t)的連續(xù)小波變換（CWT）定義為

連續(xù)小波變換的逆變換定義為

式中，Ψ(ω)為函數(shù)Ψ(t )的傅里葉變換。

五、典型聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)

1.聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)

聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)一般可分為功能單一的單通道型（或雙通道型）、多通道多功能的通用型和工業(yè)專用型，其特點與適用范圍如表3所示。

表3 聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)的類型、特點與適用范圍

單通道聲發(fā)射監(jiān)測儀由傳感器、前置放大器、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、記錄與顯示單元等構成，如圖8所示

圖8 單通道聲發(fā)射監(jiān)測儀

聲發(fā)射傳感器是聲發(fā)射信號拾取的關鍵部件，主要用于檢測微弱的聲發(fā)射信號，將信號變?yōu)橄到y(tǒng)可以識別的電信號，送入前置放大器中進一步放大。一般要求聲發(fā)射傳感器靈敏度要高、頻帶盡量寬，以利于檢測到微弱的寬頻帶范圍的聲發(fā)射信號。

前置放大器置于傳感器附近，傳感器的輸出信號先經過它放大后再經過長電纜傳送到主機。其作用如下：

1）為高阻抗的傳感器與低阻抗的傳輸電纜之間提供匹配，以減少信號衰減。

2）通過放大微弱的輸入信號抑制電纜噪聲，以提高信號的信噪比。

3）提供頻率濾波。前置放大器可以內置于傳感器內和內置于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如無線聲發(fā)射采集模塊/手持聲發(fā)射系統(tǒng)等，也可獨立外置于傳感器和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)之間由電纜連接。

數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)一般會集成多個采集卡，每個采集卡會有多個獨立通道，采集卡根據(jù)采樣頻率通常會有40MHz、10MHz、5MHz等不同的規(guī)格型號，根據(jù)采樣精度通常會有18bit、16bit等不同的規(guī)格型號。

記錄與顯示單元通常由計算機加專用聲發(fā)射軟件組成，計算機選用筆記本電腦或臺式機，軟件實現(xiàn)信號采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)重放和顯示，具有聲發(fā)射特征參數(shù)提取、波形采集和顯示、定位分析和頻譜分析等功能，方便材料及構件的性能分析研究。

微機控制式多通道系統(tǒng)如圖9所示，采用多處理器并行處理結構，由高速采集用傳感器/前置放大器、獨立采集用獨立通道控制器、協(xié)調用總通道控制器、數(shù)據(jù)分析用主計算機構成。

圖9 微機控制式多通道系統(tǒng)

獨立通道控制器分別控制著兩個獨立信號通道，進行撞擊參數(shù)組的測量，包括撞擊與振鈴計數(shù)、能量、幅度、持續(xù)時間、上升時間、有效值電壓、平均信號電平和到達時間等常規(guī)參數(shù)，并快速存儲于大容量輸出緩沖器。緩沖器在前端高速測量與后續(xù)低速主處理器之間進行速率匹配，以防止主機丟失高頻度信號數(shù)據(jù)。由于采用并行處理結構，在不降低采集速度的情況下，可擴展達數(shù)十個檢測通道，原理上可擴展達128個通道。

總通道控制器具有容量更大的緩沖器，并在前端與主機之間起著協(xié)調作用，它將所讀撞擊參數(shù)組和外變量，以及每個撞擊到達傳感器的次序，逐個供給主機并存于硬盤。由于采用全局定時法，在每個通道的每個撞擊的數(shù)據(jù)集中，都包含著精度為0.25μs的到達傳感器的絕對時間，而不是時差。這種數(shù)據(jù)結構為檢測人員事后任意選擇其他定位軟件提供了機會。

計算機可采用IBM兼容機，在各種軟件的支持下，可實現(xiàn)實時或事后的分析與顯示。軟件的功能包括：①實時數(shù)據(jù)采集，包括條件設置、轉存和顯示方式選擇；②源定位，包括一維、二維定位及事件集中區(qū)顯示；③事后分析，包括數(shù)據(jù)濾波和編程功能；④三維圖顯示；⑤在附件支持下的波形記錄與譜分析。

以美國物理聲學PAC公司的多通道SAMOS聲發(fā)射探測系統(tǒng)為例，如圖10所示，該系統(tǒng)是全數(shù)字化系統(tǒng)，其核心是并行處理PCI總線的聲發(fā)射功能卡PCI-8板，在一塊板上具有8個通道的實時聲發(fā)射特征提取、波形采集及處理的能力。技術性能指標如下：

1）直接集成于計算機PCI總線結構的、每卡8個通道的聲發(fā)射系統(tǒng)。

2）每個通道具有至少4個高通及4個低通硬件濾波器，并可通過軟件選擇帶寬組合。

3）每個通道具有獨立的脈沖發(fā)生器以實現(xiàn)傳感器的自動測試。

4）在聲發(fā)射卡上有2個外參數(shù)輸入通道。

5）每一通道具有內置的平方（Square）信號處理組件以實現(xiàn)真實能量與方均根（RMS）特征抽取。

6）系統(tǒng)為數(shù)字化，是16位A-D高分辨率系統(tǒng)。

7）系統(tǒng)的采樣率為3 MSample/s。

8）系統(tǒng)的頻率范圍為1～400 kHz。

9）系統(tǒng)的動態(tài)范圍不小于82dB。

10）系統(tǒng)輸入電壓范圍為±10V。

11）系統(tǒng)配置數(shù)字化的I/O端口，具有輸入控制和報警輸出功能。

12）聲發(fā)射探測系統(tǒng)可進行聲發(fā)射特征、波形及外參數(shù)輸入的實時同步采集與特征提取。

13）系統(tǒng)具有一體化的、基于Windows系統(tǒng)的同步聲發(fā)射采集、特征抽取與信號分析軟件（如可同步實現(xiàn)聲發(fā)射及外參數(shù)特征抽取、波形采集、實時圖形顯示、FFT、定位、聚類分析和數(shù)字邏輯濾波等）。

14）系統(tǒng)提供LabView和C++ 驅動程序，方便用戶進行二次開發(fā)。

圖10 多通道SAMOS聲發(fā)射探測系統(tǒng)

2.基于光纖傳輸?shù)穆暟l(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)

傳統(tǒng)的聲發(fā)射檢測方法將聲發(fā)射信號通過電纜傳輸，但電纜具有傳輸距離有限、易受干擾等缺點，使得傳統(tǒng)的聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)無法滿足遠距離監(jiān)測的要求。為此，設計基于光纖傳輸?shù)难b備局部損傷聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，它主要由聲發(fā)射傳感器陣列、聲發(fā)射預處理子系統(tǒng)、光纖傳輸子系統(tǒng)和聲發(fā)射監(jiān)測軟件子系統(tǒng)等組成，如圖11所示。該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)的缺點，實現(xiàn)了聲發(fā)射信號的遠距離傳輸，具有抗干擾能力強、信號傳輸距離遠等特點。

圖11 基于光纖傳輸?shù)木植繐p傷聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)

聲發(fā)射傳感器陣列由聲發(fā)射傳感器和陣列固定裝置組成，主要用于檢測微弱的聲發(fā)射信號，將信號變?yōu)橄到y(tǒng)可識別的電信號。

光纖聲發(fā)射預處理子系統(tǒng)實現(xiàn)采集信號的數(shù)據(jù)處理功能。由于聲發(fā)射傳感器采集的信號比較微弱，首先對其進行放大、濾波等處理，然后將模擬信號轉換為數(shù)字信號，由FPGA控制完成實時聲發(fā)射特征提取及波形采集。由于輸出的數(shù)據(jù)是USB協(xié)議的，為了保證光纖傳輸子系統(tǒng)的模塊化和通用性，將其輸入設計為RJ45協(xié)議形式，因此光纖聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集模塊還負責將USB協(xié)議的信號轉換為RJ45協(xié)議形式，為信號的傳輸做準備。

光纖聲發(fā)射傳輸子系統(tǒng)輸出的光信號通過該系統(tǒng)的光纖進行長距離傳輸，接收到的微弱光信號經過光電解調模塊還原為電信號，送至計算機進行數(shù)據(jù)分析和處理。光纖聲發(fā)射傳輸子系統(tǒng)主要由RJ45接口和隔離變壓器、光電介質電路、光收發(fā)電路、電源和配置四部分組成，系統(tǒng)結構如圖12所示。其工作原理為：從RJ45非屏蔽雙絞線銅纜連接器的3和6腳引入以太網的數(shù)據(jù)，經過耦合濾波電路對信號進行濾波，然后將信號送到光電介質電路中，光電介質電路翻譯或重定格式數(shù)據(jù)，完成一個電平轉換，信號被傳送到光收發(fā)電路中，光收發(fā)電路再把數(shù)據(jù)發(fā)送到光纜中，同時數(shù)據(jù)經過光纖傳到另一個光收發(fā)電路中，進行與上面相反的工作，隨后通過RJ45接口傳出數(shù)據(jù)，這樣就完成了數(shù)據(jù)的光纖傳輸。

圖12 光纖聲發(fā)射傳輸子系統(tǒng)結構

光纖聲發(fā)射監(jiān)測軟件包括參數(shù)設置模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)分析模塊，主要完成對聲發(fā)射監(jiān)測信號的采集、處理、顯示和存儲等，直觀展現(xiàn)裝備的局部損傷狀況。

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