声发射信号处理技术

一、什么是声发射信号处理技术？

在生活中，我们经常能听到各种声音。当用力掰断一根树枝时，会听到 “咔嚓” 一声；用锤子敲击金属，也会传来清脆的响声。这些声音都是物体在受力发生变化时产生的。而在材料的微观世界里，也有着类似的现象，这就是声发射。

当材料受到外力作用时，如拉伸、压缩、弯曲，或者温度发生变化，材料内部的微观结构会产生变化，材料内部因能量快速释放而产生瞬态弹性波，这就是声发射信号。

金属材料在疲劳裂纹扩展、塑料材料的断裂、复合材料的分层等过程中，都会有声发射现象。但这些信号很微弱，人耳无法直接听见，需要借助专业的设备和技术来检测和分析，这就是声发射信号处理技术。

声发射信号处理技术就像是给材料配备的一个 “听诊器”，通过接收和解读材料内部发出的这些 “声音”（声发射信号），能够了解材料内部的状态，判断它是否存在缺陷、缺陷的位置以及缺陷的发展情况 。

声发射信号传感器

当材料受到外力作用时，其内部的原子间的平衡状态被打破。如在拉伸一根金属棒时，原子之间的距离会被逐渐拉大；而在压缩材料时，原子又会被挤压得更紧密 。在这个过程中，材料内部会产生应力集中。

当应力达到一定程度，材料内部就会发生微观结构的变化，如位错运动、裂纹的萌生与扩展 。这些微观变化会突然释放出能量，而这种能量就以弹性波的形式在材料中传播，这便是声发射信号的来源。就像平静的湖面被投入石子后产生的涟漪，弹性波会从声发射源向四周传播。

弹性波在材料中传播时，会携带材料内部微观结构变化的 “信息”。这些弹性波传播到材料表面时，就需要一种 “媒介” 来接收并转化它们，这就是声发射传感器。声发射传感器通常采用压电材料和光纤制成，采用压电材料的称为压电材料声发射传感器，采用光纤材料的称为光纤声发射传感器。

压电材料具有独特的压电效应，即在受到机械应力时会产生电荷，反之，在受到电场作用时会发生形变。声发射传感器利用压电材料的这一特性，将弹性波引起的机械形变转化为电信号。常见的压电材料声发射传感器由压电晶片、外壳、电极等组成。压电晶片通常采用锆钛酸铅（PZT）等材料，具有较高的灵敏度和稳定性。当弹性波作用到压电晶片上时，晶片发生形变，产生电荷，通过电极将电荷引出，形成电信号。

光纤声发射传感器利用光纤的传感特性，通过检测光纤中光信号的变化来反映弹性波的作用。当弹性波作用于光纤时，会引起光纤的折射率、长度等参数的变化，进而导致光信号的相位、强度或频率发生变化。光纤声发射传感器通常由光源、光纤、光检测器等组成。光源发出的光经过光纤传输，当弹性波作用于光纤时，光信号发生变化，光检测器接收变化后的光信号，并将其转化为电信号。

二、声发射信号特征参数

声发射信号包含多个特征参数，每个参数都从不同角度反映了信号的特性。

幅度（Amplitude）

指声发射信号波形中的最大电压峰值 ，通常以分贝（dB）为单位来衡量。幅度越大，表示声发射事件释放的能量越强，材料内部的变化越剧烈。如在金属材料的断裂过程中，裂纹快速扩展时产生的声发射信号幅度就会明显增大。

能量（Energy）

声发射信号的能量正比于声发射波形的面积 ，可以通过对信号进行积分运算得到。能量参数反映了声发射源释放能量的总量，是评估材料损伤程度的重要指标。可以把它想象成一个电池储存的电量，电量越多，说明材料内部发生的变化越激烈，损伤可能越严重。在复合材料的损伤监测中，当纤维断裂和基体开裂时，会释放出大量能量，声发射信号的能量值也会随之显著增加。

振铃计数（Ring-down Count）

是指声发射信号超过某一设定门限阈值的次数 。每超过一次阈值，振铃计数就增加一次。振铃计数可以反映材料内部微观结构变化的频繁程度，计数越多，表明材料内部的活动越频繁，可能存在较多的微裂纹扩展或位错运动等现象。在混凝土结构的疲劳试验中，随着加载次数的增加，内部微裂纹不断发展，振铃计数也会逐渐增多。

持续时间（Duration Time）

是指声发射信号从开始到结束的时间长度 。持续时间的长短与材料内部的变化过程密切相关。对于突发型声发射信号，持续时间较短，通常与快速的裂纹扩展、脆性断裂等事件有关；而连续型声发射信号的持续时间较长，一般与缓慢的塑性变形、流体泄漏等过程相关。在管道泄漏检测中，泄漏初期，由于泄漏量较小，声发射信号的持续时间可能较短；随着泄漏的发展，持续时间会逐渐变长。

上升时间（Rise Time）

是指声发射信号从触发阈值上升到最大幅值所需要的时间 。它可以反映材料内部裂纹的扩展速度，。上升时间越短，说明裂纹扩展速度越快，材料内部的能量释放越迅速，可能预示着更严重的损伤。在金属材料的冲击试验中，当材料受到高速冲击时，裂纹瞬间产生并快速扩展，声发射信号的上升时间会非常短。

参数与信号特性的关联

这些特征参数与声发射信号特性紧密相连，通过对它们的分析，能更深入地了解材料内部的状态变化 。

幅度与信号强度

幅度直接体现了声发射信号的强度，不同类型的声发射源产生的信号幅度差异较大。例如，材料的脆性断裂会产生高幅度的声发射信号，因为在脆性断裂过程中，材料内部的应力集中迅速释放，产生强烈的弹性波；而塑性变形产生的声发射信号幅度相对较小，因为塑性变形是一个较为缓慢的过程，能量释放相对较为分散 。在陶瓷材料的拉伸试验中，当陶瓷发生脆性断裂时，声发射信号的幅度会急剧上升，远远高于塑性变形阶段的信号幅度。

能量与损伤程度

能量参数与材料的损伤程度呈正相关关系 。材料损伤越严重，内部释放的能量就越多，声发射信号的能量也就越高。在航空发动机叶片的疲劳监测中，随着叶片疲劳损伤的积累，裂纹逐渐扩展，声发射信号的能量会不断增加，通过监测能量参数的变化，我们可以及时发现叶片的疲劳损伤程度，提前采取维护措施，保障发动机的安全运行。

振铃计数与微观结构变化

振铃计数反映了材料内部微观结构变化的频繁程度 。当材料内部存在大量的微裂纹扩展、位错运动等微观结构变化时，会产生多次声发射事件，导致振铃计数增加。在金属材料的冷加工过程中，由于位错的大量运动和增殖，会产生频繁的声发射信号，振铃计数也会相应增多，通过对振铃计数的分析，我们可以了解金属材料在冷加工过程中的微观结构变化情况，优化加工工艺。

持续时间与变化过程

持续时间能够区分不同的声发射信号类型和材料内部的变化过程 。突发型声发射信号的持续时间短，对应着材料内部突然发生的、快速的变化事件；连续型声发射信号的持续时间长，与材料的缓慢变化过程相关。在木材的干燥过程中，由于水分的逐渐蒸发，木材内部会发生缓慢的收缩变形，产生连续型声发射信号，其持续时间较长；而当木材受到外力撞击，突然产生裂纹时，会发出突发型声发射信号，持续时间很短。

上升时间与裂纹扩展速度

上升时间与材料内部裂纹的扩展速度密切相关 。快速扩展的裂纹会使声发射信号的上升时间较短，因为裂纹在短时间内迅速扩展，能量快速释放；而缓慢扩展的裂纹对应的上升时间较长。在桥梁结构的健康监测中，如果检测到声发射信号的上升时间突然变短，可能意味着桥梁内部出现了快速扩展的裂纹，需要立即进行进一步的检测和评估，以确保桥梁的安全。

三、特征参数分析方法

单参数分析

单参数分析是对声发射信号的某一个特征参数进行单独分析，通过观察该参数随时间或其他变量的变化情况，来初步了解声发射源的特性和材料的状态变化。

在金属材料的拉伸试验中，可以重点关注声发射信号的幅度参数 。随着拉伸载荷的逐渐增加，材料内部开始出现位错运动和微裂纹萌生，这些微观变化会产生声发射信号。当微裂纹开始扩展时，声发射信号的幅度会突然增大。通过绘制幅度随时间变化的曲线，我们可以清晰地看到幅度在某些时刻的突变，这些突变点就对应着材料内部较为剧烈的变化，比如裂纹的快速扩展。这种单参数分析方法简单直观，能让我们快速捕捉到材料状态变化的一些关键信息，为我们后续的深入分析指引方向。

多参数关联分析

多参数关联分析把多个单参数的信息碎片组合起来，还原出更完整、准确的材料内部变化图像 。这种分析方法不再局限于单个参数，而是考虑多个特征参数之间的相互关系，通过建立参数之间的关联图、散点图等方式，挖掘隐藏在参数背后的深层次信息。

关联图分析法是多参数关联分析中常用的一种方法 。在复合材料的损伤监测中，我们可以将声发射信号的幅度、能量和振铃计数这三个参数关联起来进行分析。当复合材料受到外力作用时，内部的纤维断裂和基体开裂会产生不同特征的声发射信号。如果我们只看幅度参数，可能无法准确判断损伤的类型和程度。但通过绘制幅度 – 能量 – 振铃计数关联图，就会发现不同损伤类型对应的参数分布区域是不同的。

纤维断裂产生的声发射信号往往具有较高的幅度和能量，同时振铃计数也相对较多；而基体开裂产生的信号在幅度和能量上可能相对较低，振铃计数也较少。通过这种关联分析，我们可以更准确地识别复合材料内部的损伤模式，判断损伤的严重程度，为材料的性能评估和寿命预测提供更可靠的依据。

分布图与经历图分析

分布图和经历图分析从时间和空间的维度，帮助人们更全面地了解声发射信号的特性和材料内部的变化过程 。

分布图分析

主要是研究声发射信号的某个特征参数在空间上的分布情况 。在大型桥梁结构的健康监测中，我们在桥梁的不同部位布置多个声发射传感器，收集声发射信号。通过分析信号幅度在桥梁不同位置的分布图，可以直观地看到哪些区域的声发射活动较为频繁，幅度较大。如果在桥梁的某个特定部位，如桥墩与桥梁主体连接部位，声发射信号幅度的分布图显示出明显的高值区域，这就可能意味着该部位存在应力集中或潜在的裂纹，需要重点关注和进一步检测。

经历图分析

侧重于展示声发射信号的特征参数随时间的累积变化过程 。以金属材料的疲劳试验为例，我们绘制声发射信号的能量累积经历图。随着疲劳加载次数的增加，材料内部的损伤不断积累，声发射信号的能量也会逐渐累积。从能量累积经历图中，我们可以清晰地看到能量的增长趋势，以及在某些关键阶段能量的突然增加。当疲劳裂纹开始快速扩展时，能量累积曲线会出现一个陡峭的上升段，这表明材料内部的损伤正在加速发展。

经历图分析能够跟踪材料在整个受力过程中的声发射变化历程，就像观看一部记录材料损伤发展的 “时间影片”，为预测材料的剩余寿命提供重要线索。

参数分析在材料检测中的应用

在材料科学领域，声发射信号特征参数分析方法，能够帮助人们深入了解材料的内部状况，及时发现潜在的缺陷。以金属材料检测为例，在金属材料的疲劳试验中，通过对声发射信号的参数分析，可以清晰地揭示材料内部的损伤发展过程 。

当金属材料受到循环载荷作用时，内部会逐渐产生微裂纹，这些微裂纹的萌生和扩展会产生声发射信号。在疲劳试验初期，微裂纹刚刚开始形成，此时声发射信号的幅度较小，能量较低，振铃计数也相对较少 。随着疲劳试验的继续进行，微裂纹逐渐扩展并相互连接，形成更大的裂纹，声发射信号的幅度和能量会逐渐增大，振铃计数也会显著增加。通过对这些参数的实时监测和分析，我们可以准确地判断金属材料的疲劳损伤程度，预测材料的剩余寿命 。

在航空发动机的涡轮叶片制造过程中，对叶片材料进行严格的声发射检测至关重要 。在叶片的加工过程中，可能会由于加工工艺不当等原因，在材料内部留下微小的裂纹或缺陷。利用声发射信号特征参数分析方法，在叶片进行模拟工况测试时，对声发射信号进行实时监测和分析。如果检测到声发射信号的幅度突然增大，能量也显著增加，且振铃计数增多，这就表明叶片材料内部可能存在裂纹扩展等缺陷，需要及时对叶片进行进一步的检测和修复，以确保发动机的安全可靠运行 。

参数分析在工业监测中的应用

在工业生产中，各种大型设备的稳定运行对于生产的连续性和安全性至关重要。声发射信号特征参数分析方法在工业设备监测中发挥着关键的故障预警作用。

以石油化工行业的大型储罐为例，储罐长期储存易燃易爆的石油产品，一旦发生泄漏等故障，后果不堪设想 。通过在储罐表面布置声发射传感器，实时监测储罐在运行过程中产生的声发射信号，并对信号的特征参数进行分析。当储罐内部出现腐蚀导致的微小裂纹时，裂纹的扩展会产生声发射信号，此时信号的幅度、能量等参数会发生变化。通过设定合理的参数阈值，当监测到的参数超过阈值时，系统会立即发出警报，提示工作人员储罐可能存在故障，需要及时进行检查和维修 。这样可以在故障发生的早期阶段就被发现，避免故障的进一步扩大，有效保障了工业生产的安全和稳定 。

在风力发电领域，风力发电机的叶片长期在复杂的自然环境中承受巨大的风力载荷，容易出现疲劳裂纹等故障 。利用声发射信号特征参数分析技术，对运行中的风力发电机叶片进行实时监测。当叶片出现裂纹扩展时，声发射信号的参数会发生明显变化，通过对这些变化的分析，可以准确判断裂纹的位置和扩展程度，提前预测叶片可能发生的故障，为叶片的维护和更换提供科学依据，提高风力发电的可靠性和经济性 。