聲發射信號處理和分析技術

????? 摘? 要：介紹聲發射技術發展簡況、聲發射信號處理面臨的困難及目前所用的各種處理和分析方法。還介紹了聲發射儀器的發展概況。
????? 關鍵詞：聲發射檢驗；信號處理；分析；聲發射儀器
????? 聲發射（AE）可以定義為物體或材料內部迅速釋放能量而產生瞬態彈性波的一種物理現象，而AE信號則表示一個或多個AE事件經傳感器接受并經系統處理后以某種形式出現的電信號。當材料遇到“麻煩”時，它們會“講話”，我們可以利用聲發射設備來“聽”諸如裂紋擴展、纖維斷裂以及材料其他形式損傷所發出的“聲音”。AE相應的彈性波并不僅局限于可聽聲域，在絕大多數情況下，其有效頻譜范圍可伸展到數兆赫甚至數十兆赫頻段。所以嚴格地講，聲發射應當被稱為應力波發射，但由于歷史的原因，人們已習慣于將其稱為聲發射。AE的原機制是各種各樣的，如固體內裂紋的形成和擴展（裂紋的傳播）、塑性形變、晶體內位錯的移動和位錯在釘扎點上的分離、孿晶邊界的移動、復合材料內基體或夾雜物的破裂、分層或纖維的斷裂以及物質結構的變化（包括相變）等。不同的源機制對應不同的發射聲波，因而也對應不同的AE信號。盡管引起聲發射的外部原因是多種多樣的，但其共同點都是由于外部條件的變化（應力、溫度和電磁場等），引起物體或結構某一局部或某些部分變得不穩定并迅速釋放出能量。AE是正在擴展的材料缺陷（裂紋）的指示器，沒有擴展，裂紋或材料的缺陷處于靜止狀態，就沒有能量的重新分配，也就沒有聲發射。換句話說，只有當物體受到了永久性形變或永久性損傷時才會產生聲發射。正因為這樣，AE技術是檢測材料損傷，特別是早期損傷的有利工具，也是對材料或結構狀態進行動態監測的重要方法。與此相適應，聲發射信號處理的主要任務則應當包括AE源識別、AE源定位和損傷評價等內容。
????? 1??? 聲發射信號及信號處理的困難所在
????? 與其它無損檢測方法不同的是，AE信號處理技術面臨的最大難題，或最大困惑首先是AE源的多樣性、信號本身的突發性和不確定性。在進行超聲或渦流檢測時，人們可準確知道注入被檢材料中信號的特征（幅度、頻率和波形等），并由此可知接收信號的相應特征或相當發生的變化。而對于AE檢測技術而言，情況卻完全不同。不同的AE源機制可以產生完全不同的AE信號，而人們對AE源機制的認識總是受到很多條件的限制。因此，說極端一點，檢測人員有時幾乎不知道真正的AE信號究竟應是什么樣子。其次，AE信號傳輸途徑的影響也是一個完全不容忽視的因素，但問題在于，傳輸途徑又與AE源位置、被檢對象性質（材質、形狀和幾何尺寸）、聲耦合劑特征以及接收傳感器位置等諸多因素有關。圖1可以說明這一問題。?????????
????? 聲源S(t)? 輸出信號F(t)????????????
????? 由圖1可見，AE傳感器所獲得的信號至少是聲源、傳輸介質、耦合介質和換能器響應等因素的綜合結果，在數學上可表示為
????? F（t）= S（t）* M（t）* C（t）* R（t）
????? 式中?? S（t）——聲源的時域函數
????? M（t）——傳輸介質的脈沖響應函數（格林函數）
????? C（t）——耦合介質的脈沖響應函數
????? R（t）——換能器的脈沖響應函數
????? * ——卷積?????????
????? 在頻率域，上式可簡化為
????? F（ω） = S（ω）M（ω）C（ω）R（ω）
????? 式中?? S（ω）——聲源的頻率響應函數
????? M（ω）——傳輸介質的頻率響應函數
????? C（ω）——耦合介質的頻率響應函數
????? R（ω）——換能器的頻率響應函數
????? ω——角頻率?????
????? S(t)和C(t)的不確定性以及M(t)和R(t)的復雜性使AE信號處理面臨巨大困難。可以說，即使對一個長期從事AE技術研究的人來講，有時也很難回答類似“AE信號究竟是什么樣子”這樣的問題。各種文獻列舉的AE信號可以是圖2中的任何一種，也可以是其它樣式，顯然，其差異十分巨大。
????? 圖2a是典型的連續型AE信號，完全類似于白噪聲；圖2b是目前最常用的諧振頻率為150kHz AE傳感器的突發型輸出信號，可明顯看到邊界反射產生的回波疊加效應和AE傳感器的振鈴效應；圖2c是利用寬帶AE傳感器在薄板上獲得的垂直激勵產生的AE信號，可分辨出彎曲波和擴展波信號；圖2d是在厚板上用電容傳感器（其頻率響應極寬）測出的響應于固體內一個階躍變化力AE源在“震中”位置產生的表面位置移動。AE信號的這種差異可能讓初學者很難理解，甚至無所適從。
????? AE信號處理技術面臨的另外兩大困難是AE信號的微弱性（但又完全可以是寬動態范圍）和干擾噪聲的多樣性。因此，在AE技術發展史上，各種可能的信號處理技術都曾被嘗試過。可以毫不夸張地說，在現有的各種無損檢測方法中，AE檢測技術所涉及到的信號處理內容應當是最廣泛、最全面的。在了解了這一點之后也就不難理解為什么有如此眾多的AE信號處理方法。本系列專題綜述擬就一些最主要和最常用的AE信號處理技術展開討論，它們是參數分析、定位技術、波形分析技術、模態聲發射、譜分析、小波分析、神經網絡及一些特殊技術。
????? 2聲發射信號處理技術
????? 如前所述，聲發射檢測和聲發射信號處理的目的是獲得有關聲發射源的信息，包括損傷位置、損傷程度和剩余壽命等。人們對AE的認識隨理論研究的發展而加深，另一方面，AE作為實用診斷技術，每前進一步都是同信號處理技術和測試儀器的發展分不開的。可以毫不夸張地說，一部AE技術的發展史也就是AE信號處理技術的發展史。
????? 在研究AE信號的處理技術之前，先闡述一下AE技術發展史上的兩個重要的事件，因為它們都對AE信號的處理技術和AE技術的發展起了重要作用。第一是德國人凱撒（J Kaiser）觀察到的Kaiser效應。20世紀50年代初，凱撒研究了多晶金屬材料如鋅、銅、鋁和鉛等的聲發射特征，發現在加載時，這些材料都產生了聲發射，且是不可逆的。AE現象僅在第一次加載時產生，第二次加載及以后各次加載所產生的AE信號變得微不足道，除非后面所加外應力超過前面各次加載的最大值。這一現象后來又在多種金屬材料實驗中得到證實，并被命名為凱撒效應。這一效應在AE信號處理方面得到廣泛應用，成為克服噪聲干擾的主要手段之一，因而也成為用AE技術監測結構完好性的依據。例如，在加載實驗時，可先在小應力下進行幾次循環加載實驗以克服實驗機夾具和試件之間摩擦噪聲的影響，然后再進行正式加載試驗。如試件完好無損，則在加載循環中不應得到明顯的AE信號，反之，任何突然增大的AE信號都極有可能是該試件發生疲勞或內部有斷裂的預兆。這種利用不可逆效應降噪和獲取有用信息的方法為AE技術所獨有。
????? 同AE信號處理技術直接有關的另一重要事件是，20世紀60年代美國學者Dunegan提出，可把觀察和記錄AE信號的頻率移至超聲段（＞20kHz）以降低外界干擾噪聲的影響。在此之前，人們為了觀察和記錄聲發射信號的變化，實驗不得不在夜深人靜的時候進行，并經常事倍功半甚至半途而廢，聲發射試驗工作之苦可見一斑。由于觀察頻率的這一“簡單移動”極大的克服了環境干擾噪聲的影響，它所帶來的是AE理論和應用研究的革命性進展。
????? 2.1 干擾噪聲
????? 雖然各種檢測方法都面臨干擾噪聲問題，但由于聲發射是以被動檢測的方式用于動態監測，它所面臨的噪聲干擾問題就特別嚴重，甚至是其它方法無法比擬的。在許多情況下，如利用AE進行疲勞裂紋擴展監測、運行設備狀況監測以及對行駛中的汽車的轉動軸和轉向節進行動態監視時，外部干擾噪聲都可能遠遠大于人們感興趣的AE信號。AE檢測面臨的干擾噪聲主要有下面幾種：
????? 2.1.1 電器干擾噪聲
???? （1）前置放大器輸入端的白噪聲?? 這是一種自然的不可避免的噪聲，確定了系統靈敏度的最終極限。使用設計良好的前置放大器，該噪聲可以很小并接近理論極限。
???? （2）AE系統內部所產生的噪聲??? 目前所用的結構緊湊型計算機化的聲發射儀器一般都是陰極射線管（CRT）顯示屏幕和磁盤系統，各部件間很容易產生“拾取”噪聲。在一個設計良好的系統內，這一噪聲應當很低并在極限之內。
???? （3）接地回路噪聲?? 這是由系統或結構的不恰當接地引起的。為避免這一噪聲，聲發射換能器的電氣連接必須與結構絕緣。
???? （4）電磁煩擾信號?? 一般由電源開關或其它臨近電磁設備引起。必要時，設備應加上電磁屏蔽。
????? 2.1.2 機械噪聲源
????? 主要包括① 實驗室中試驗機的噪聲。② 外場測試時的設備運轉噪聲，包括來自容器內部的噪聲和連接管道的噪聲。③ 泵和閥門的流體噪聲。④ 所有的摩擦過程，如加載引起的移動以及容器的支撐物等都會引起噪聲。⑤ 機械撞擊引起的噪聲，如在戶外測試時灰塵、雨點和雪花等都會引起噪聲。⑥ 人類本身和周圍的動物都可能引起噪聲。
????? 2.1.3 聲波傳播途徑引起的聲信號畸變和衰減
????? 通常在聲發射源處，大多數聲發射信號都具有比較簡單的寬帶和介躍形特征，但在材料或結構中經多次反射、衰減以及波形轉換后，其波形將發生很大畸變，這一點無疑給聲發射信號的分析帶來很大困難。因為利用AE技術監測的對象絕大多數是固體，而固體中有不同的波形存在，如壓縮波、切變波、板波和表面波等，這些波的傳播速度各不相同，在邊界處還會發生波形轉換。源發出的聲波除直達波外還可以經多種路徑到達傳感器，因此，所探測到的聲信號波形是不同路徑到達傳感器聲波的疊加（混響效應），這種不同波形的疊加使問題趨于復雜。此外，傳感器本身還有所謂“振鈴”效應（傳感器的響應），從而導致輸出信號更加復雜。在許多情況下，如何從這樣一個比較復雜的信號中獲取有用信息就成了問題的關鍵。
????? 2.2? 克服干擾噪聲的常用方法
????? 在詳細敘述AE信號處理方法前，簡單介紹AE檢測技術中克服干擾噪聲常用的方法十分必要。在某種程度上，它們也就是AE信號的處理方法。
???? （1）選擇適當的工作頻率?? 早期進行聲發射研究時，人們試圖利用可聽聲頻段（<20kHz）并利用話筒作為傳感器。這樣，必須在夜深人靜時觀察聲發射信號，以盡量避免外面交通和人群等的噪聲干擾。直到20世紀60年代，一些聲發射工作者，特別是美國學者Dunegan意識到，聲發射信號可延伸至較高頻域，即數兆赫甚至數十兆赫，高頻段環境噪聲的影響比較小。由于絕大多數機械噪聲的頻率范圍最多只能達到幾十千赫，因此選擇諧振頻率為150~300 kHz或更高的傳感器能有效克服干擾噪聲的影響。對于類似飛機機翼裂紋擴展產生的AE信號，選擇更高一點的頻率（500~600 kHz）可能會更有利。
???? （2）利用差動傳感器?? 這種傳感器由兩塊相反極性的晶片組成，其輸出送入差動放大器的兩個輸入端。AE信號產生相反極性的信號，它們的差值被放大；電磁干擾信號的極性相同，由于前置放大器的共模抑制被大大削弱。
???? （3）進行特殊的頻率濾波?? 有些干擾來自周圍的一些固定無線電設備，如在利用聲發射進行管道泄露測試時，發現有調制干擾信號，其載波頻率為100 kHz，它是由附近的發射機引起的。濾波后，這種干擾即被抑制。
???? （4）引入電壓閾值或降低測試靈敏度?? 該方法可同時去除低于閾值的AE信號和噪聲信號。由于幅度大的AE事件對材料損傷的“貢獻”大，這一方法得到廣泛應用。
???? （5）在源處阻止噪聲發生。
???? （6）噪聲源和傳感器間引入屏蔽或衰減介質。
???? （7）使設備適當接地或屏蔽。
???? （8）時間閘門?? 應把這種閘門控制電路同后面的負載控制閘門和基于噪聲的閘門相區別。利用該閘門的一個最典型例子是焊接質量測試和控制電路。為抑制來自電源開關的噪聲，測試電路在噪聲活躍的大部分時間內關閉，它僅在焊接區固化，即在產生有用AE信號時才工作。
???? （9）負載控制的閘門?? 在疲勞試驗中這一點特別有用。在周期性疲勞試驗中，當負載從張應力變為壓縮應力經過零負荷點時，“后沖”會引起嚴重干擾噪聲；另外，即使在中間負荷段，裂紋表面的摩擦也會引起強烈的干擾噪聲。雖然后者在某些情況下可能會引起人們的研究興趣，但當僅對裂紋擴展進行研究時，它又會產生很大負面影響。為此，人們常采用電子閘門電路，使僅在負荷接近最大值時才記錄AE數據。這一方法已成為疲勞試驗檢測能否成功的一個關鍵。
???? （10）基于噪聲的閘門?? 對一些特別噪聲，如雨水等，可使用一外加傳感器去專門探測，并在它出現時關閉主要測試電路。大型儲油罐的AE檢測常用到這種閘門電路。
???? （11）護衛傳感器和空間濾波?? 這對構件如飛機翼段某一特定區域檢測特別有用。在接有測試傳感器的區域之外裝上幾個護衛傳感器，凡是護衛傳感器先接收到的信號都被當作噪聲而拒收；空間濾波則是基于被監測區域產生的裂紋信號到達兩個或幾個傳感器的時差應在一定范圍（窗口）之內，只有符合這一條件的數據才被記錄，否則拒收。
???? （12）進行前沿濾波。
???? （13）數據分析（模式識別、相關分析及聚類分析等）?? 由于典型的AE信號總是由發生在很短時間內的階躍式位移脈沖引起，又由于在很多情況下，結構和傳播路徑基本都是固定的，所以接受到的AE信號的參數間的關系一般也是固定的，而其它干擾信號的源性質與聲發射總是不同。這樣，利用參數相關圖可以有效識別信號。在一些更復雜的場合，可以利用自適應濾波法，即從一組訓練過的數據中，利用經驗性模式識別方法，提取聲發射源的特征。迄今為止，自適應法的應用尚不是很成功，原因是很難得到現成的、確定的噪聲，如裂紋摩擦噪聲引起的聲發射源的數據；其次，訓練數據常同傳播路徑和傳感器有關，而同源本身無關。
????? 2.3????? 常用AE信號處理技術介紹
????? 聲發射信號處理技術所涉及的內容十分廣泛，其技術復雜程度相差很大，它可以用最簡單的有效值作為分析參數，也可以是一個十分復雜的神經網絡分析系統或專家系統。在AE技術發展初期，人們就試圖仿效其它無損檢測方法，利用AE波形或頻譜分析來獲取有用信息，因而也是最精確的方法，并可導致對AE的定量認識。但是，得到真實的AE信號本身是一件相當困難的工作，而對一畸變信號進行頻譜、相關分析等可能會導致一些錯誤結論。因此，在AE技術發展初期，用得更多的是參數分析方法，并經歷了從簡單參數分析到復雜參數分析的漫長過程。近十幾年來，隨著模態聲發射理論和技術的逐漸成熟，人們又開始對波形分析技術產生濃厚興趣。與此同時，小波分析、現代譜分析和神經網絡分析等技術也得到應用，并取得很好的效果。各種AE信號處理方法示于圖3。
????? 2.4? 測量系統概述
????? 人們對聲發射的認識隨理論研究的發展而加深，另一方面，聲發射作為實用診斷技術，它每前進一步都是同測試儀器的發展分不開的。因此，在闡述AE信號處理技術發展時，我們必須同時敘述AE儀器的發展。
????? 所有的AE測試系統都由傳感器、放大器和分析系統三個基本部分組成，AE儀器的發展也集中表現在這三個系統上。近幾十年來，這三部分的內容（質量）都在不斷更新，特別是AE傳感器和分析系統的發展。AE儀器的發展經歷了五個不同時期，差不多相應于20世紀后五個年代。最早出現的聲發射儀，可以簡單到僅僅是一個測量信號有效值的毫伏表，或者是一個脈沖計數器，這是第一代AE儀器，代表了20世紀50~60年代的水平。70年代的聲發射儀器已使用計算機技術，它把形成各種AE特征量輸出的多通道硬件模塊插在一個機箱內，通過內部總線與一臺標準小型計算機相連。除工作速度和存儲能力不足外，其最大缺點來自性能很差的總線結構，各個通道的聲發射信號的采集、傳遞、計算、存儲和顯示都要占用中央處理單元（CPU）的時間，不但速度慢，而且系統極易出現閉鎖狀態。稍后的第三代聲發射儀有所分離，并利用IEEE488標準總線和直接內存存取，系統在信號處理速度和實時顯示上有了一定改進。
????? 80年代后期出現了利用并行處理技術解決實時采集和處理的儀器，如PAC公司的SPARTAN AT和LOCAN320等，使儀器在AE數據處理能力上有了較大提高（每秒數千個聲發射事件）。在這類儀器中，為保證AE數據的實時采集，把數據采集和信號的分析、顯示分開。設計時，每兩個通道形成一個單元，配有專用微處理器，形成獨立通道控制單元（ICC），完成實時數據采集，
????? 而數據處理任務比較合理的分配給一些并行的計算單元，這樣，儀器的實時性得到大大增強。這應屬于第四代AE儀器。
????? 90年代后，AE檢測系統進入了全數字式的第五代。它是在高速A/D轉換及有關集成電路（IC）芯片性能大幅度提高，價格又大幅度下降的背景下形成的。全數字化AE儀器的問世標志著聲發射儀器的研制進入一個全新的階段，它在系統結構和軟件配置上保留了第四代產品的優點，但放大后的AE信號不必再經過一系列的模擬、數字電路形成數字特征量。這樣做的好處是數字信號有良好的抗干擾特征，信息能夠準確的發送、傳遞而無畸變，沒有模擬器件因存在噪聲或飽和帶來的失真以及因器件離散等因素產生的數據不一致，從而使儀器的可靠性得到更好的保證。另外，由數字化的AE信號中提取特征量比模擬方法容易實現，如采用模擬方法很難在嚴格的意義上給出AE信號的能量和有效值，而在數字信號的基礎上卻容易實現。數字化后的信號保留了更多的AE信息，也為信號分析和特征提取提供更大的開發潛力。
????? 圖4是一個典型的全數字式AE系統圖，它具有如下特點：
??? （1）??? 采用PC機的插板方式，只要把用于AE信號采集的AE DSP-32/16卡插入ISA（PC/AT）總線，配一臺性能良好的PC機，就可構成2~256通道AE檢測系統。儀器的模塊式結構進一步簡化。
??? （2）??? 數字信號處理器（DSP）卡采用了包括高速DSP（TMS320C40）和現場可編程門陣列（FPGA）在內的最新器件，一塊卡包括兩個獨立的AE通道，由一個DSP進行管理，DSP從主機取得程序和設置命令，在硬件提取傳統AE特征參數的同時，還可計算出附加的波形特征（頻率特征、信號波形特征、組合特征和由用戶開發的其它特征）。由于DSP具有高速的并行處理、數據傳送和尋址能力，可在近乎實時的意義下完成數據記錄和附加特征的提取，這在以往AE儀器中是難以設想的。全數字式AE儀器的問世為AE信號處理技術提供了一個全新的舞臺。
???? 使用DSP卡的第五代全數字式聲發射儀雖然比前幾代有了很大進步，但本質仍是參數聲發射儀，即硬件的輸出或顯示記錄存儲的數據仍是實際聲發射信號波形基礎上提取的聲發射參數。DSP卡聲發射儀也都可配有波形采集，但波形采集平行于參數生成，計算機總線或總線技術應用的限制不能實時多通道傳送波形數據到計算機，聲源定位信號分析等實時顯示分析的功能仍然只能由硬件輸出的參數完成。21世紀出現了硬件的輸出或顯示記錄存儲的數據為聲發射波形的全波形聲發射儀，它的基本結構是在DSP卡的第五代全數字式聲發射儀基礎上去掉DSP，改用高速計算機總線PCI，直接高速地將經A/D轉換后的全數字全波形聲發射數據送到功能強大的計算機，由計算機軟件完成參數生成及波形分析聲源定位等任務。這種全數字全波形聲發射儀最大限度地應用了現代電子和計算機高速數據采集和高速軟件處理的技術，使得多通道聲發射波形采集和分析不再困難，同時保留了參數聲發射儀的全部功能，為聲發射技術研究和應用提供了良好的工具。我國技術人員設計研制生產了世界上第一臺多通道全波形聲發射儀。
???? 3??? 結論
???? AE源機制的多樣性、聲波傳播途徑的復雜性、AE信號本身的突發性和不確定性以及干擾噪聲的嚴重性等因素都使AE信號的處理和分析面臨極其嚴重的挑戰。盡管如此，目前人們還是有了一整套比較有效的AE信號處理和分析方法。了解并掌握這些方法對AE技術的推廣應用具有重要意義。