信号处理方法：突发型声发射与连续型声发射的混合信号处理

1.信号类型

按照示波器上所观察到的声发射信号波形形态，可以将声发射信号分为突发型和连续型两种类型。突发型是指在时域上可分离的、有明显上升和下降形态的声发射信号，也就是常说的三角波。在实际检测中所有的声发射应力波均在瞬间产生，如断续的裂纹扩展和纤维断裂等，其导致的声发射信号独立来看均呈现突发形态。当材料中声发射频度增高而造成在时域上不可分离的程度时，信号就以持续不断的连续型形态显示出来，如塑性变形和泄漏声发射信号。当高幅度的突发信号和低幅度的连续声发射信号同时出现，就会出现突发型声发射和连续型声发射两者叠加的现象，称之为混合型声发射。例如，纤维增强复合材料在进行声发射检测时，当载荷逐渐增大后就出现这种混合型声发射。图3.1-11为突发型声发射信号波形，图3.1-12为连续型声发射信号波形，图3.1-13为突发与连续信号的混合。

图3.1-11 突发型声发射信号波形

图3.1-12 连续型声发射信号波形

对于不同的信号类型，需要不同的采集设备和信号处理方法。早期的通用型系统，多以突发型信号检测为主，而仅在一些专用检测仪中设有连续信号检测功能。近年来的通用系统对不同的信号类型均可采集。

2.信号特征参数

声发射信号特征通常用信号波形特征参数来表征。信号波形特征参数一般是通过主信号处理器上的特征提取电路获得的。声发射信号特征参数主要包括：撞击到达时间、撞击（事件）计数、幅度、振铃计数、能量计数、上升时间、持续时间、平均信号电平和有效值电压等，在提取这些特征的同时一般还同时记录输入仪器中的外变量的当前值。这些数值连同采集撞击信号的通道号、检测门槛值等组成一个数据集用来描述该撞击信号。连续型声发射信号由于没有明显的信号起始和结束，因而一般用固定采样时间内的振铃计数、平均信号电平和有效值电压来表征。声发射信号特征参数示意如图3.1-14所示。

图3.1-13 突发与连续信号的混合

图3.1-14 声发信号特征参数

常用声发射信号特征参数的含义和用途见表3.1-5。

表3.1-5 声发射信号特征参数

3.外变量

外变量指声发射检测过程中的外部环境参数，如试验历程时间、载荷、位移、温度、疲劳周次等。这些数值来自于外部环境，但属于表征撞击信号的数据集。外变量常和声发射信号特征参数一起进行相关分析，用来表征声发射的活动性。

4.分贝幅度

分贝幅度是以1μV为参照的未经放大的声发射信号幅度的对数表示，是声发射信号峰值幅度的一种表征方法。分贝幅度单位为dB，按照如下公式计算：(www.xing528.com)

式中 dB_AE——分贝幅度；

V——未经放大的传感器输出或前置放大器输入端的声发射信号峰值电压（μV）；

V_ref——参考电压，V_ref=1μV。

分贝幅度值与传感器输出端或前置放大器输入端信号电压之间的关系见表3.1-6。

表3.1-6 分贝幅度值与传感器输出端（或前置放大器输入端）电压对照参考值表

5.声发射信号特征参数采集的影响因素

（1）检测门槛检测门槛值高低是影响声发射信号特征参数采集的最主要因素。在声发射信号特征参数中，上升时间、持续时间、振铃计数、能量计数等参数的表征均取决于门槛电平与信号的交点位置，因而门槛值的高低会对这些参数值的大小带来直接的影响，相反对于幅值型的信号特征参数，如信号峰值幅度、平均信号电平值、信号有效值电压等参数值表征则没有影响。

如图3.1-15所示，不同的检测门槛值T₁、T₂（T₂＞T₁）与声发射信号波形具有不同的交点。以振铃计数为例，从图中不难发现，在T₁门槛下的振铃计数为9个，而在T₂门槛下时减少为3个。同样的变化也可以在持续时间、振铃计数、能量计数中发现。对于不同的参数这种影响的程度也不尽相同，相比较而言门槛值对能量计数的影响远小于对振铃计数的影响。

图3.1-15 门槛值对声发射信号特征参数采集的影响

A—信号峰值点 T₀—信号零电平线 a、b—门槛T₁与信号波形的第一个交点和最后一个交点 a′、b′—门槛T₂与信号波形的第一个交点和最后一个交点

由此可以看出，为了保证信号特征参数值采集的一致和准确，应对检测仪器的门槛值精度作出相应的要求，在一些检测标准中规定：“在仪器使用温度范围内，门槛值变化不大于±1dB”。由于检测门槛类型会间接影响门槛值的大小，一般针对突发信号检测时，同一阵列的各检测通道应采用相同的检测门槛类型和检测门槛值。

（2）增益在声发射检测系统中由于不能直接测量传感器输出端或者前置放大器输入端的声发射信号峰值电压，从而不能直接利用分贝幅度计算公式对信号幅度进行计算，只能通过间接的方式获得。在检测系统的主信号处理器中将最终放大后的信号峰值电压（单位μV）代入分贝幅度计算公式（3.1-4）中的V进行计算，然后将计算值减去前面各级放大器的分贝增益值，从而得到信号分贝幅度值。

从此计算过程可以看出，在实际检测系统中，电子器件的电压范围可能会对信号分贝幅度真实性产生影响。例如，由于放大器最大输入电压的限制，可能会让大于该限定值的信号在放大器的输出端产生畸变，即信号幅度没有被线型放大甚至产生消波。一个峰值电压为120mv的信号经过一个电压范围为±10V、分贝增益40dB的放大器，则放大器的输出信号峰值电压就是10V，而不是12V。这样，系统计算出的信号分贝幅度为100dB，而真实的信号分贝幅度为101.58dB。不同分贝增益与采集信号的最大幅度的关系见表3.1-7。增益对信号峰值幅度的这种影响在平均信号电平（ASL）和有效值电压（RMS）的采集上也有相同体现。

表3.1-7 分贝增益与采集信号最大幅度的关系

注：传感器输出1μV为0dB。