声发射信号分析及其软件实现

韩双连 隋青美 姜明顺

(山东大学控制科学与工程学院，济南 250061)

声发射(Acoustic Emission，AE)是材料局部因能量的快速释放而发出瞬态弹性应力波的现象，其形成机理是材料在动态(受力)过程中所产生的一种应力波[1]。材料结构失效的主要机制是应力作用下的变形与裂纹扩展，而监测材料的声发射信号就可以很好地判断材料的裂纹扩展情况，达到预测结构安全状况的目的。在实际检测中，需要从检测信号中提取真正有用于表征不同类型缺陷的声发射信号。为此，对声发射信号及其特征参数的提取非常重要。目前，马永辉等设计了基于LabVIEW和Matlab的声发射采集系统[2，3]；在声发射特征参数应用方面，李伟等发现应用振铃计数、能量及质心频率等不同参数可以有效区分不同类型的声发射信号[4，5]。但目前还没有基于VC++的声发射信号分析系统。

笔者利用PAC公司的声发射采集卡对声发射信号进行采集。该采集卡能够对声发射特征参数和波形进行实时处理。系统使用可视化Microsoft Visual Studio 2010开发工具，基于VC++进行编程，获取信号波形数据及信号幅值等20多个特征参数值并实时保存、显示，重点给出了振铃计数及质心频率等特征参数的提取，数据存储及历史曲线显示等。系统还包括振铃阈值的实时修改、采集卡通道选择及采样点长度等参数的设置。最后，在实验室的铝合金薄板系统中分别用断铅信号和标准激励源信号进行了模拟实验，为实际应用中的声发射信号分析提供了理论与实验支持。

1 声发射信号分析相关理论①

声发射信号分为突发型、连续型和混合型3种类型，突发型和连续型是声发射信号的两种基本类型[6]。这两种信号可以在实验系统中分别使用断铅信号和标准激励源进行模拟。连续信号参数包括振铃计数、平均信号电平及有效值电压等，而突发信号参数包括事件计数、振铃计数、幅度、能量计数、上升时间、持续时间及时差等。常用突发信号特性参数示意图如图1所示[6]。

图1 突发型声发射信号特性参数

由图1可以看出，事件的能量为超过门槛电压的信号包络线以下的面积，能够反应事件的相对能量或强度，可被振铃计数取代，其大小与幅度、持续时间有关；而振铃计数则是越过门槛信号的振荡次数，可分为总计数和计数率，与振幅、门槛电压和持续时间有关，能粗略反应信号的能量、强度和频度；能量和振铃计数都与摩擦产生的能量(该能量非声发射信号的能量)有关。幅度是信号波形的最大振幅值，通常用dB表示。质点振动位移的平方正比于该质点所具有的能量，因此幅度可反应出声发射撞击所释放出的能量，与事件大小直接相关。有理论研究表明，幅度是表征声发射源特征的最有效参数[7]。信号第一次越过阈值至最终降至阈值以下所经历的时间间隔称为持续时间。

根据声发射检测技术的基本原理，耦合在材料表面的压电陶瓷探头可以将材料内部的声发射源所产生的弹性波转变为电信号，将电信号加以放大、处理使之特性化，通过显示、记录可获得声发射源的特征参数。相反，通过分析检验过程中获得的声发射信号的各种参数，就可以知道材料内部的缺陷情况。

2 系统设计

2.1 硬件结构

声发生信号分析硬件系统主要由传感器、前置放大器、数据采集卡和计算机组成，系统组成如图2所示。声发射传感器通过白凡士林耦合剂粘贴在铝合金薄板表面，监测薄板面在实验中接收到的声发射信号，并将波动信号转换为电信号，经过前置放大器后由PAC采集卡进行数据采集，上位机系统通过监测板卡进行数据的处理和上位机显示。

图2 硬件系统组成框图

传感器采用美国PAC公司α系列R15α，为高灵敏度的窄带谐振式传感器，工作频率50～400kHz，谐振频率150kHz；前置放大器采用美国PAC公司的MISTRAS系列，增益选择40dB；采集卡为PAC公司的PCI-2，其最高采样速率40MHz(Sps/CH)，A/D分辨率18位，通道数为2。

2.2 软件结构

在熟悉PCI-2采集卡的工作条件和数据采集原理的情况下，使用VC++编程环境实现声发射信号波形数据采集、信号特征参数提取、信号频谱分析、特征参数和波形的实时显示及保存等一系列功能。VC++开发环境拥有强大的MFC和API函数、方便友好界面的开发，可开发多线程工作模式，实现高速数据的采集与存储，但并没有提供信号分析与处理包，功能较为单一，具体算法实现需用户自行编写。为保证数据的精确度和可靠性，系统利用Matlab接口对信号进行功率谱分析。图3是整个系统的软件流程。

图3 声发射信号分析系统软件流程

采用VC++和Matlab混合编程模式，需要在运行前分别配置VC++和Matlab环境，并在Matlab中将MEX文件封装为DLL提供给VC调用，此方法可使系统脱离Matlab环境运行，只需安装MCR库。这为后续更复杂的小波分析等信号分析提供强大的支撑。

系统启动后，可点击“采集”使用默认的硬件参数采集数据，也可点击“采集设置”进行AE所有硬件参数的设置，包括采样速率、采样长度、PDT、HDT、最大持续时间及提取参数的选择等，用户可根据自己的需要进行选择。点击“数据分析”，振铃计数、质心频率及幅度等特征参数的波动曲线即可显示。信号波形数据和特征参数的数据都可实时保存。图4为软件主界面，此界面数据是在铝合金板表面用硬物撞击模拟的结果。

图4 系统主界面

3 实验与测试结果

3.1 实验条件

实验在铝合金试件上进行，传感器用白凡士林耦合固定，用自主研制的声发射信号分析系统检测信号。为减弱环境和电磁噪声的影响,实验在安静环境下进行，即室内噪声水平在40dB以下，同时数据线控制在1.5m以内。金属试件厚5mm、宽50cm、长50cm。

实验分两组进行，一组是断铅实验，即用PAC公司的直径0.5mm、硬度HB的标准断铅实验自动铅笔，在离开传感器边缘1cm处折断铅芯以模拟突发型声发射信号；另一组是标准信号实验，用PAC公司MISTRAS系列的Field CAL激励源激发声发射信号。采集这两组实验产生的波形，并在第二组实验下，分别进行了固定强度下的频率变化实验和固定频率下的强度变化实验。

3.2 实验测试结果与分析

3.2.1数据采集与频谱分析

图5为断铅实验的时域和频域信号图。

图5 断铅信号时域频域图

从图5可以看出，断铅实验产生的波形有较高的频率分量，带宽比较宽，频谱中含有丰富的频率成分，捕捉的信号的频谱也比较丰富，为后续的信号分析提供了可靠的基础。

对激励源信号分别检测了信号强度为90dB时不同频率下的信号(图6)和频率为150kHz时不同强度下的信号(图7)。图6中频率依次为60、150、300kHz，图7中强度依次为50、60、70dB。

a. 频率为60kHz

b. 频率为150kHz

c. 频率为300kHz

a. 信号强度为50dB

b. 信号强度为60dB

c. 信号强度为70dB

由图6、7可以看出，该声系统能够较好地采集声发射信号，满足声发射数据采集的精度要求。实验传感器R15α为窄带谐振式传感器，谐振频率为150kHz，因此在150kHz时信号幅值最大。实验结果表明：同一强度下，系统能准确区分不同信号频率，且不同频率时信号幅值也不同，频率为150kHz时信号幅值最大；在同一频率下，信号强度越大，声发射能量更大，因此波形幅值越大，与理论分析相符。

3.2.2特征参数分析与提取

在激励源实验中，同时测试了在90dB强度下，调节信号频率时特征参数的变化趋势。图8、9为依次调节激励源频率为60、150kHz时的参数波动曲线。

图8 质心频率曲线

图9 振铃计数曲线

实验结果表明：质心频率值和标准激励源信号的频率保持一致，同时在预设振铃阈值不变的前提下，振铃计数也能够跟随信号的变化而变化，起到粗略反应信号强度和频度的作用，验证了系统的可靠性。

4 结束语

声发射信号分析是声发射实验和工程检测中的重要部分。利用PAC公司的声发射采集卡(PCI-2)，基于VC++ 2010开发了声发射信号采集与分析系统。经实验测试，该系统界面友好、操作方便、可靠性高，可以很好地识别并提取声发射信号，并实现了声发射信号的特征参数提取及曲线显示等功能，为进一步依据特征参数进行材料的断裂状态判断提供了理论与实验支持。