基于广义S变换的声发射信号分析及定位
声发射源线性定位误差研究
近几年，声发射检测以其不可 替代的优点得到较为广泛的应用， 各种声发射检测仪应运而生，声发 射源定位的准确程度已成为影响声 发射检测技术发展的关键因素，到 目前为止，还没有充足的理论计算 与实际源坐标的实验对比数据，在 这里对时差线性定位的精确性进行 浅显的探讨。 1、一维源定位（又称线性定 位）原理 线性定位是指在一维空间中，确 定声发射源位置坐标的直线定位法。 传感器1#和2#，设坐标分别为 （-c，0）和（c，0），某一声源声发 射信号到达传感器时的时差为△t， 材料中的声速为v，则声发射源到两 个传感器的距离之差为： 2a=v?△t（1-1） 那么声源的位置满足以两个传 感器为焦点，以2a为顶点距离的双 曲线方程。 （1-2） 图1 声源位置确定示意图 1.1声发射源在两个传感器之间 （即x轴上），此时，y=0(-c≤x≤ c)，解方程得 x=±a 当声发射信号先到1#传感器，则 x=-a，反之，x=a。只要测出△t→ 2a=v?△t，有声源 的位置可定。 1.2如果知道声源在某一条直线 上，可通过求解方程组： 可得 或者 当信号先到达1#传感器时，将x 代入到直线方程就可以求出y的值， 声源位置可以确定。 2.实验模拟 本文实验中采用断铅模拟声发 射信号源，所用的铅笔型号为0.5/ HB;耦合剂为机油。 2.1一维X轴定位模拟 2.1.1数据采集 ①实验前将要做断铅实验的位置 确定，坐标为（17，0）， ②两个探头的坐标是（-100， 0），（100，0） 声发射源线性定位误差研究 王健王运玲 辽宁石油化工大学机械工程学院 １１３００１
用断铅试验在试件上得到的实验数据如表3。 2.1.2通过数学计算得到的结果由表中数据可得△t =1.02×10-5 S ：v =3200m/s ，由公式 得a =16.32mm 由得双 曲线方程为 数学计算声源的位置是（16.32，0）。依照此种方法，在此点模拟声发射10次，最后得声源位置坐标的平均值是（16.50，0）。 2.2一维坐标轴定位模拟2.2.1数据采集 表1 各通道参数表 ①实验前将要做断铅实验的位置确定，坐标为（-80，55），声源所在直线方程y =-0.7x ②两个探头的坐标是（-130，0），（130，0） 2.2.2通过数学计算得到的结果△t =4.8×10-5S ，v =3200m/s ， =76.8mm ， c =130mm 得双曲线方程式 （1） 直线方程y =-0.7x （2）（1），（2）方程联立得x =-89.8mm ，y=62.86mm ，依照此种方法，在此点模拟声发射10次，最后 得声源位置坐标的平均值是（89.2，62.45）。 3. 误差分析 分析结果见表4。 4、结论与思考 由误差对比及误差原因分析可知： （1）此数据说明声发射源的时差理论计算定位与实际位置有一定的出入。第一种线性定位理论与实际位置坐标吻合较好，相对误差为2.4%。第二种线性定位误差较大，坐标x 、y 的相对误差分别为11.5%、13.6%。 （2）误差的产生与传感器、通道的灵敏度、断铅模拟声发射的频率差有关，材料的不均匀、各向异性（理论计算视为各项同性）也可导致出现误差。 （3）对于线性定位，SDAES 数字声发射检测仪产生可容许误差。 （4）对其他定位方式所产生的定位误差有待进一步研究。 表2 各通道参数表 表3 一维X 轴时差定位值比较 表4 一维时差定位值比较
声发射信号处理方法分析
声发射的定义可以分为广义和狭义两 种，狭义通常认为材料受外力或内力作用， 局域源快速释放能量而产生瞬态弹性波的 现象称为声发射（Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ），简称 ＡＥ。广义的声发射认为像泄漏等外力作用 下，激发能量波在材料中传播的现象也是 一种声发射。 声发射是一种常见的物理现象，大多 数材料变形和断裂时有声发射发生。但许 多材料的声发射信号强度很弱，人耳不能 直接听见，需要借助灵敏的电子仪器才能 检测出来。用仪器探测、记录、分析声发射 信号和利用声发射信号对声发射源进行定 量、定性和定位的技术称为声发射检测技 术。其基本原理如图１所示。 声发射检测技术作为一种动态无损检 测方法已经广泛用于各种材料或结构的稳 定性评价。声发射检测的目的就是尽早地 发现声发射源和尽可能多地得到声发射源 的信息。目前，常用的声发射信号的处理方 法有特征参量法和波形分析法。 １．声发射信号的特征参量分析法 声发射信号特征参量分析法，即对声 发射信号特征参量进行处理，用声发射特 征参量描述声发射源特性的分析方法。目 前，声发射特征参量主要有声发射信号的 幅度、能量、振铃计数、事件、上升时 声发射信号处理方法分析 谢朝阳１，２ １，中南大学资安院 ４１００８３； ２，湖南工学院基础课部 ４２１００２ 间、持续时间和门槛电压等（如图２所 示）。这种声发射信号处理技术的研究主要 集中在对声发射信号的有效性分析上，主 要采用的方法有幅度鉴别、频率鉴别、空间 滤波、软件剔噪和信号的事后处理等。 参量分析法中为了能找到声发射源的 特性和内在规律，人们通常使用关联图分 析法，即将幅度、持续时间、能量、到 达时间、均方根电压值、撞击数、撞击 数率、外接参量等之间任意两个变量做关 联分析。从声发射参量的关联图中可以找 出声发射信号的变化规律，可以区分不同 特性的信号。 ２．声发射信号的谱估计方法 波形频谱分析是通过分析声发射信号 的时域或频域波形来获得信息的一种信号 处理方法。谱估计可分为经典谱估计和现 代谱估计两大类。 ２．１．经典谱估计方法 经典谱估计是以傅立叶变换为基础， 又称为线性谱估计方法。它主要包括相关 图法和周期图法以及在此基础上的改进方 法。 （１）相关图法又称为间接法。它是由随 机信号的Ｎ个观察值Ｘ（０），…，Ｘ（Ｎ－ １），估计出自相关函数Ｒ Ｎ （ｍ），然后再求 Ｒ Ｎ （ｍ）的傅立叶变换作为功率谱的估计 （２）周期图法又称为直接法。它是直接 由傅立叶变换得到的，设有限长实序列Ｘ （ｎ）的傅立叶变换为 在Ｍａｔｌａｂ的函数工具箱里，调用函 数为Ｐｅｒｉｏｄｏｇｒｍ（ｘ）。 （３）改进的直接法。直接法和间接法的 方差很大，而且当数据太长时，谱曲线起飞 加剧；数据长度太小时，谱的分辨率又不 好，所以需要改进。Ｗｅｌｃｈ提出同时使用平 均和平滑两种手段来求功率谱密度，数据 系列Ｘ（ｎ）分为Ｋ段，每段有Ｍ个样本， Ｎ＝ＫＭ。数据窗Ｗ（ｎ）在计算周期图之前 就与数据段相乘，于是定义Ｋ个修正周期 图 在Ｍａｔｌａｂ的函数工具箱里，用函数 Ｐｗｅｌｃｈ来实现Ｗｅｌｃｈ平均周期图法的功率 谱估计。 ２．２．现代谱估计方法 传统的功率谱估计方法是利用加窗的 数据或加窗的相关函数估计的傅立叶变换 计算的，具有一定的优势，如计算效率 高，估计值正比于正弦波信号的功率等。但 是同时也存在许多缺点，主要缺点就是方 差性能差、谱分辨率低。现代谱估计方法图１ 声发射基本原理图２ 常用声发射参数示意图
声发射技术发展概述
声发射技术发展概述 声发射技术发展概述 ? ?声发射和微震动都是自然界中随时发生的自然现象，尽管无法考证人们何时首次听到声发射，但逐如折断树技、岩石破碎和折断骨头等的断裂过程无疑是人们最早听到的声发射信号。可以十分肯定地推断“锡呜”是人们首次观察到的金属中的声发射现象，因为纯锡在塑性形变期间机械栾晶产生可听得到的声发射，而铜和锡的冶炼可追朔到公元前3700年。 现代的声发射技术的开始以Kaiser五十年代初在德国所作的研究工作为标志。他观察到铜、锌、铝、铅、锡、黄铜、铸铁和钢等金属和合金在形变过程中都有声发射现象。他最有意义的发现是材料形变声发射的不可逆效应即：“材料被重新加载期间，在应力值达到上次加载最大应力之前不产生声发射信号”。现在人们称材料的这种不可逆现象为“Kaiser效应”。Kaiser同时提出了连续型和突发型声发射信号的概念。 五十年代末，美国人Schofield和Tatro经大量研究发现金属塑性形变的声发射主要由大量位错的运动所引起[5], 而且还得到一个重要的结论, 即声发射主要是体积效应而不是表面效应。Tatro进行了导致声发射现象的物理机制方面的研究工作, 首次提出声发射可以作为研究工程材料行为疑难问题的工具, 并预言声发射在无损检测方面具有独特的潜在优势。 六十年代初，Green等人首先开始了声发射技术在无损检测领域方面的应用, Dunegan首次将声发射技术应用于压力容器方面的研究。在整个六十年代, 美国和日本开始广泛地进行声发射的研究工作, 人们除开展声发射现象的基础研究外, 还将这一技术应用于材料工程和无损检测领域。美国于1967
声发射信号的谱分析和相关分析
声发射信号的谱分析和相关分析 陈玉华，刘时风 耿荣生* 沈功田** (清华大学机械系，北京100084) *（北京航空工程技术研究中心， 北京100076） **（国家质量技术监督局锅检中心，北京100027） 摘要：本文主要阐述了谱分析方法和相关分析方法在声发射信号分析中的应用，给出了谱分析和相关分析的基本原理，并分别举例子做了分析讨论。 关键词：声发射；谱分析；FFT；相关分析 SPECTRAL ANALYSIS AND CORRELATION ANALYSIS FOR ACOUSTIC EMISSION SIGNAL CHEN Yuhua,LIU Shifeng (Tsinghua University,Beijing 100084,China) Abstract:A review is given to both spectral analysis and correlation analysis of acoustic emission signal. The principles of spectral analysis and correlation analysis are presented and discussed with some examples. Keywords: acoustic emission;spectral analysis;FFT;correlation analysis 材料或结构受外力或内力作用产生变形或断裂,以弹性波形式释放出应变能的现象称为声发射。声发射是一种常见的物理现象，例如岩石开裂，骨头断裂和各种固体材料断裂过程中发出的声音都是声发射信号，图1为典型的声发射信号。实际应用中，由于外界的干扰以及声发射接收系统的原因（比如传感器的频率特性等），接受得到的声发射信号中除了含有声发射信号特征信息外，还存在着大量的干扰和噪声信号。因此，要想复杂的信号中提取出需要的特征声发射信号，就需要应用一些分析手段来对信号进行处理。 图1. 典型声发射信号
声发射源的定位方法
2. 3声发射源定位方法 1.一维(线)定位 一维(线)定位就是在一维空间中确定声发射源的位置坐标,亦称直线定位法。线定位是声源定位中最简单的方法。一维定位至少采用两个传感器和单时差,是最为简单的时差定位方式,其原理见图2.3。 图2.3 —维定位法 Fig.2.3 AE 1-D localization 若声发射波源从Q 到达传感器21S S 和的时间差为t ?，波速为ν，则可得下式： t 21??=-νQS QS （2.9） 离两个传感器的距离差相等的轨迹为如图所示的一条双曲线。声发射源就位于此双曲线的某一点上。线定位仅提供波源的双曲线坐标,故还不属点定位,主要用于细长试样、长管道、线焊缝等一维元的检测。 2.二维(平面)定
图2.4 二维(平面)定位法 Fig.2.4 AE 2-D localization 二维定位至少需要三个传感器和两组时差,但为得到单一解一般需要四个传感器三组时差。传感器阵列可任意选择,但为运算简便,常釆用简单阵列形式,如三角形、方形、菱形等。近年来,任意三角形阵列及连续多阵列方式也得到应用。就原理而言,波源的位置均为两组或三组双曲线的交点所确定。由四个传感器构成的菱形阵列平面定位原理见图2.4。 若由传感器31S S 和间的时差X t ?所得双曲线为1，由传感器42S S 和间的时Y t ?所得双曲线为2，波源Q 离传感器31S S 和,42S S 和的距离分别为Y X L L 和,波速为ν，两组传感器间距分别为a 和b ，那么，波源就位于两条双曲线的交点()Y X Q , 上，其坐标可由下面方程求出： ???????????=??? ??-??? ??-?? ? ??=??? ??-??? ??-??? ??122b 2122a 222222222 22Y Y X X L X L Y L Y L X (2.10) 平面定位除了上述菱形定位方式外,常见的还有三角形定位、四边形定位、传感器任意布局定位等。传感器任意布局定位方式是用户在布置声发射传感器时不再受三角形、四边形的限制,而根据对象的实际需要随意布置传感器,而将传感器坐标位置输入计算机来定位。 3.三维(3D)空间定位
声源定位测试系统的制作方法
本技术公开了声源定位测试系统,包括电脑控制软件平台、控制器、功率放大器、扬声器、声音采集器，电脑控制软件平台和控制器通过USB数据线相连；所述控制器和功率放大器通过控制器对放大器数据线相连；所述功率放大器和扬声器通过放大器对扬声器数据线相连；所述声音采集器和控制器通过信号采集器对控制器数据线相连；它通过声源定位测试系统在整个输出过程中对声音的大小、方向，以及声音的种类和发出声音的声道和通道数量进行控制，来便于对具有声源定位技术的产品进行不同阶段和方式的技术测试，从而使声源定位技术测试更便捷、更准确。 技术要求 1.声源定位测试系统,包括电脑控制软件平台(1)、控制器(2)、功率放大器(3)、扬声器(4)、声音采集器(5)，其特征在于：所述电脑控制软件平台(1)和控制器(2)通过USB数据线(6)相连；所述控制器(2)和功率放大器(3)通过控制器对放大器数据线(8)相连；所述功率放大器(3)和扬声器(4)通过放大器对扬声器数据线(9)相连；所述声音采集器(5)和控制器(2)通过信号采集器对控制器数据线(7)相连；
当系统在声音输出状态时，先由电脑控制软件平台(1)发出的单个或多个声音控制指令转换成数字信号组通过USB数据线(6)传递至控制器(2)；再由控制器(2)对数字信号组进行分析处理和分流排序，并将分流排序的数字信号组采用单独、合并、部分叠加等不同的方式转换成新的排序的单个或多个模拟信号，且通过控制器对放大器数据线(8)分别传递给功率放大器(3)；后由功率放大器(3)将新的排序的单个或多个模拟信号进行放大且通过放大器对扬声器数据线(9)分别对应传递给扬声器(4)，最后由扬声器(4)将模拟信号分别转换成声信号并对外输出； 当系统在声音输入状态时，先由声音采集器(5)将所采集到的声音信号通过控制器数据线(7)传递给控制器(2)，然后由控制器(2)对声音采集器(5)所输入的模拟信号转化为数字信号，控制器(2)对数字信号进行分析处理并将处理过后的数字信号通过USB数据线(6)传递至电脑控制软件平台(1)，由电脑控制软件平台(1)将数字信号转换成图文数据显示。 2.根据权利要求1所述的声源定位测试系统，其特征在于：所述扬声器(4)为一台或多台。 3.根据权利要求1所述的声源定位测试系统，其特征在于：所述控制器对放大器数据线(8)为一根或多根。 4.根据权利要求1所述的声源定位测试系统，其特征在于：所述放大器对扬声器数据线(9)为一根或多根。 技术说明书 声源定位测试系统 技术领域 本技术涉及声学领域，具体涉及一种在一定的空间环境下，通过在不同的方位提供不同方式的声源来形成声源定位测试场所的体系。 背景技术
声发射源辅助定位算法的研究及应用-北京声华
声发射源辅助定位算法的研究及应用 李赫，刘时风，董屹彪 北京声华兴业科技有限公司，北京 100012 摘 要：在实际的检测应用中，由于声发射技术具有可以对缺陷进行定位这一特点，经常配合超声、磁粉等检测技术共 同完成检测。常见的时差定位方法由于其算法复杂，同时又受许多易变量的影响，经常出现假点、错点的情况，实际应 用中常常受到限制。当声发射只需用来配合完成定位任务时，针对上述缺陷，通过引入标准声发射信号发生源辅助定位， 并提出了更加简单可靠的定位算法，从而实现储罐液面、罐底等环境下的精确定位。 关键词：声发射；定位；算法；储罐 Research and Application of Acoustic Emission Source Assisted Location Algorithm Li He, Liu Shifeng, Dong Yibiao Beijing Soundwel Technology Co.,Ltd. Beijing 100012, China Abstract: In the actual inspection applications, since acoustic emission technique can locate defects during detection, it is often be used in conjunction with ultrasound, magnetic and other detection technology. The common time difference locating method have complex algorithms and is always affected by multiple variables, which leads false-points interference. When the acoustic emission is used only to determine the location, we can introduce standard acoustic emission signal source to assist locating. We have achieved precise location by our simple and reliable location algorithm successfully. Keywords: Acoustic Emission, Location, Algorithm, Tank 0 引言 声发射检测作为无损检测的一种主要用于确定声发射源的部位；评定声发射源的活性和强度；分 析声发射源的性质；确定声发射发生的时间或载荷。对声发射源的定位是通过多通道声发射检测仪来 实现，根据采集信号种类不同分为突发信号定位与连续信号定位，连续声发射信号源定位主要用于带 压力的气液介质泄漏源的定位。突发信号中又分为时差定位与区域定位，区域定位是一种处理速度快， 简单而又粗略的定位方式。时差定位是经过对各个声发射通道信号到达时间差、波速和探头间距等参 数的测量及一定算法的运算来确定声源的位置或坐标，包括平面定位、柱面定位与球面定位等。时差 定位是一种精确而又复杂的定位方式，广泛用于试样和构件的检测。但它易丢失大量的低幅度信号， 其定位精度又受波速、衰减、波形和构件形状等许多易变量的影响，因而在实际应用中也受到种种限 制[1]。 当声发射只需用来配合完成定位任务时，针对上述各种声发射定位方法所受到的限制，通过引入 标准声发射信号发生源辅助定位，标准声发射信号发生器可提供声发射信号的发出时间，各通道传感 器只需接收到信号的到达时间，通过计算即可唯一确定声发射源的位置，避免了时差定位中出现的假 点、错点等情况。 1 声发射源辅助定位算法的研究 178
基于声发射信号处理的关键技术要点研究
龙源期刊网 https://www.sodocs.net/doc/9e1833203.html, 基于声发射信号处理的关键技术要点研究 作者：史二娜肖蕾蕾 来源：《中国新通信》2013年第14期 【摘要】声发射检测技术属于一门综合技术，其涉及到的内容主要包括声学、信号处理、电学和材料学等个各个方面的知识，该技术的实用性很强，其应用背景较为广泛。本文笔者就声发射信号处理技术中的一些关键技术要点进行详细地阐述。 【关键词】信号处理独立分量分析去噪处理声发射 一、研究声发射信号处理技术的意义 在声发射检测中，常用的处理技术主要为两种，一种通过多个简化波形特征中的相关参数来表示声发射信号特征，接着对其实施分析与处理。另外一种则是记录与存储发射信号波形，并分析波形。其中简化波形特征参数的分析法，在20世纪50年代的时候应用特别广泛，使得声发射信号处理技术逐渐向商业化和标准化方向发展。其主要表现在以下几个方面：第一，通过介质将声发射信号源所产生的相关信号传播到传感器中，从而得到所需要的相关信息。其整个过程主要包括了声发射源、信号处理、波的传播以及声电传播等各方面。由于在传播过程中容易产生各种不同的噪声，这些噪声容易造成不良影响，因此必须要引进一些新型的处理技术，从而提高其后续处理精度。第二，在传播过程中，声发射信号的反射以及折射较为频繁，且传感器所接收到的相关信号较为复杂，其主要表现为一种非线性、多模态以及非平稳的信号，由于这种信号较为复杂，若利用常用的特征提取方法来进行处理，很难科学且准确地解释声发射源。因此，必须研发一种新型声发射信号特征提取方法。第三，目前我国信息处理发展的方向主要为多传感器信息的融合，近年来，随着传感器阵列测量以及多传感器的快速发展，声发射信号处理技术领域也逐渐需要加大对多传感器融合的研究。 二、声发射信号的去噪处理方法 在声发射信号处理过程中，其去噪处理是非常重要的一个环节，去噪处理方法有很多种，一般可分为使频域法、时域法和频域法。这三种方法每一种均有其不同适用范围以及应用效果，对于平稳信号，通常使用频率域分析法来进行，利用傅立叶变换来进行信号频谱特征的提取，而对非平稳信号，一般常用的方法为小波分析法，由于声发射信号属于非平稳信号，同时其信号类型也有所不同，所对应的去噪处理方式也相应有所不同。因此，对声发射信号实施传播特性分析是选取去噪处理方法的一个重要理论基础以及依据。在该基础上，所常用的两种信号去噪处理技术为矩阵束算法与小波分析法。在现代信号处理技术中，小波分析法是一种比较常见的方法，其处理过程为，首先选定一种小波基，并对信号实施N层的小波分解，通过分 解以后再其各个层系数中选择一个相应的阀值，然后进行阀值处理。通过阀值处理以后的这些系数就会通过小波重新地构建原始信号。矩阵束算法是在奇异值分解的基础上的一种滤波算法，该方法将相关性作为其依据，构建一个二维矩阵束，接着分解该矩阵，把构建的矩阵非为
信号分析与处理
信号分析与处理 第一章绪论：测试信号分析与处理的主要内容、应用；信号的分类，信号分析与信号处理、测试信号的描述，信号与系统。 测试技术的目的是信息获取、处理和利用。 测试过程是针对被测对象的特点，利用相应传感器，将被测物理量转变为电信号，然后，按一定的目的对信号进行分析和处理，从而探明被测对象内在规律的过程。 信号分析与处理是测试技术的重要研究内容。 信号分析与处理技术可以分成模拟信号分析与处理和数字信号分析与处理技术。 一切物体运动和状态的变化，都是一种信号，传递不同的信息。 信号常常表示为时间的函数，函数表示和图形表示信号。 信号是信息的载体，但信号不是信息，只有对信号进行分析和处理后，才能从信号中提取信息。 信号可以分为确定信号与随机信号；周期信号与非周期信号；连续时间信号与离散时间信号；能量信号与功率信号；奇异信号； 周期信号无穷的含义，连续信号、模拟信号、量化信号，抽样信号、数字信号 在频域里进行信号的频谱分析是信号分析中一种最基本的方法：将频率作为信号的自变量，在频域里进行信号的频谱分析； 信号分析是研究信号本身的特征，信号处理是对信号进行某种运算。 信号处理包括时域处理和频域处理。时域处理中最典型的是波形分析，滤波是信号分析中的重要研究内容； 测试信号是指被测对象的运动或状态信息，表示测试信号可以用数学表达式、图形、图表等进行描述。 常用基本信号（函数）复指数信号、抽样函数、单位阶跃函数单位、冲激函数（抽样特性和偶函数）离散序列用图形、数列表示，常见序列单位抽样序列、单位阶跃序列、斜变序列、正弦序列、复指数序列。 系统是指由一些相互联系、相互制约的事物组成的具有某种功能的整体。被测系统和测试系统统称为系统。输入信号和输出信号统称为测试信号。系统分为连续时间系统和离散时间系统。
基于MATLAB的声源定位系统
基于MATLAB的声源定位系统摘要 确定一个声源在空间中的位置是一项有广阔应用前景的有趣研究，将来可以广泛的应用于社会生产、生活的各个方面。 声源定位是通过测量物体发出的声音对物体定位，与使用声纳、雷达、无线通讯的定位方法不同，前者信源是普通的声音，是宽带信号，而后者信源是窄带信号。根据声音信号特点，人们提出了不同的声源定位算法，但由于信号质量、噪声和混响的存在，使得现有声源定位算法的定位精度较低。此外，已有的声源定位方法的运算量较大，难以实时处理。 关键词：传声器阵列；声源定位；Matlab
目录 第一章绪论 (1) 第二章声源定位系统的结构 (2) 第三章基于到达时间差的声源定位原理 (3) 第四章串口通信 (5) 第五章实验电路图设计 (8)
第六章总结 (16) 第七章参考文献 (17) 第一章绪论 1.1基于传声器阵列的定位方法简述 在无噪声、无混响的情况下，距离声源很近的高性能、高方向性的单传声器可以获得高质量的声源信号。但是，这要求声源和传声器之间的位置相对固定，如果声源位置改变，就必须人为地移动传声器。若声源在传声器的选择方向之外，则会引入大量的噪声，导致拾取信号的质量下降。而且，当传声器距离声源很远，或者存在一定程度的混响及干扰的情况下，也会使拾取信号的质量严重下降。为了解决单传声器系统的这些局限性，人们提出了用传声器阵列进行声音处理的方法。
传声器阵列是指由一定的几何结构排列而成的若干个传声器组成的阵列。相对于单个传声器而言具有更多优势，它能以电子瞄准的方式从所需要的声源方向提供高质量的声音信号，同时抑制其他的声音和环境噪声，具有很强的空间选择性，无须移动传声器就可对声源信号自动监测、定位和跟踪，如果算法设计精简得当，则系统可实现高速的实时跟踪定位。 传声器阵列的声音信号处理与传统的阵列信号处理主要有以下几种不同： （1）传统的阵列信号处理技术处理的信号一般为平稳或准平稳信号，相关函数可以通过时间相关来准确获得，而传声器阵列要处理的信号通常为短时平稳的声音信号，用时间平均来求得准确的相关函数比较困难。 （2）传统的阵列信号处理一般采用远场模型，而传声器阵列信号处理要根据不同的情况选择远场模型还是使用近场模型。近场模型和远场模型最主要的区别在于是否考虑传声器阵列各阵元因接收信号幅度衰减的不同所带来的影响，对于远场模型，信源到各阵元的距离差与整个传播距离相比非常小，可忽略不计，对于近场模型，信源到各阵元的距离差与整个传播距离相比较大，必须考虑各阵元接收信号的幅度差。 （3）在传统的阵列信号处理中，噪声一般为高斯噪声(包括白、色噪声)，与信源无关，在传声器阵列信号处理中噪声既有高斯噪声，也有非高斯噪声，这些噪声可能和信源无关，也可能相关。 由于上述阵列信号处理间的区别，给传声器阵列信号处理带来了极大的挑战。声波在传播过程中要发生幅度衰减，其幅度衰减因子与传播距离成正比，信源到传声器阵列各阵元的距离是不同的，因此声波波前到达各阵元时，幅度也是不同的。 另外，当声音信号在传播时，由于反射、衍射等原因，使到达传声器的声音信号的路径除了直达路径外还存在着多条其它路径，从而产生接收信号的幅度衰减、音质变差等不
第5章 声发射信号处理方法
第5章声发射信号处理方法 目前采集和处理声发射信号的方法可分为两大类。一种为以多个简化的波形特征参数来表示声发射信号的特征，然后对这些波形特征参数进行分析和处理；另一种为存贮和记录声发射信号的波形，对波形进行频谱分析。简化波形特征参数分析方法是自二十世纪五十年代以来广泛使用的经典的声发射信号分析方法，目前在声发射检测中仍得到广泛应用，且几乎所有声发射检测标准对声发射源的判据均采用简化波形特征参数。 5.1 经典信号处理方法 5.1.1 波形特性参数 图5.1为突发型标准声发射信号简化波形参数的定义。由这一模型可以得到如下参数： (1) 波击（事件）计数； (2) 振铃计数； (3) 能量； (4) 幅度； (5) 持续时间； (6) 上升时间； 上升时间 图5.1 声发射信号简化波形参数的定义 对于连续型声发射信号，上述模型中只有振铃计数和能量参数可以适用。为了更确切地描述连续型声发射信号的特征，由此又引入了如下两个参数： (7) 平均信号电平； (8) 有效值电压。 声发射信号的幅度通常以dBae表示，定义传感器输出1 V时为0dB，则幅值为
Vae的声发射信号的dBae幅度可由下式算出： dBae = 20 lg（Vae/1μV） 表5.1列出了常用整数幅度dBae对应的传感器输出电压值。 表5.1常用整数幅度dBae对应的传感器输出电压值dBae 0 20 40 60 80 100 Vae 1μV 10μV 100μV 1mV 10mV 100mV 对于实际的声发射信号，由于试样或被检构件的几何效应，声发射信号波形为如图5.2所示的一系列波形包络信号。因此，对每一个声发射通道，通过引入声发射信号撞击定义时间（HDT）来将一连串的波形包络画入一个撞击或划分为不同的撞击信号。对于图5.2的波形，当仪器设定的HDT大于两个波包过门槛的时间间隔T时，则这两个波包被划归为一个声发射撞击信号；但如仪器设定的HDT小于两个波包过门槛的时间间隔T时，则这两个波包被划归分为两个声发射撞击信号。 HDT T 门槛 图5.2 声发射撞击信号的定义 表5.2列出了常用声发射信号特性参数的含义和用途。这些参数的累加可以被定义为时间或试验参数(如压力、温度等)的函数,如总事件计数、总振铃计数和总能量计数等。这些参数也可以被定义为随时间或试验参数变化的函数，如声发射事件计数率、声发射振铃计数率和声发射信号能量率等。这些参数之间也可以任意两个组合进行关联分析，如声发射事件-幅度分布、声发射事件能量-持续时间关联图等。 5.1.2 分析识别技术 (1) 声发射信号参数的列表显示和分析 列表显示是将每个声发射信号参数进行时序排列和直接显示，包括信号到达时间，各个声发射信号参数、外变量、声发射源的坐标等。表 5.3为压力容器升压过程中采集到的裂纹扩展声发射信号的参数数据列表。在声发射检测前对声发射系统
信号分析方法总结
信号分析方法总结 随机信号：不能用明确的数学表达式来表示，它反映的通常是一个随机过程，只能用概率和统计的方法来描述。 随机现象的单个时间历程称为样本函数。随机现象可能产生的全部样本函数的集合，称为随机过程 振动信号的时域分析方法 时间历程 描述信号随着时间的变化情况。 平均值 ∑=- = N i i x N x 1 1 均方值用来描述信号的平均能量或平均功率 ∑=-= N i i x N x 1 22 1 均方根值（RMS ）为均方值的正平方根。是信号幅度最恰当的量度 方差表示信号偏离其均值的程度，是描述数据的动态分量∑=---=N i i x x x N 1 22 )(11σ 斜度α反映随机信号的幅值概率密度函数对于纵坐标的不对称性∑== N i i N x 1 3 1 α 峭度β对大幅值非常敏感。当其概率增加时，β值将迅速增大，有利于探测奇异振动信号 ∑== N i i N x 1 14β 信号的预处理： 1 预滤波 2 零均值化：消除数据中的直流分量 )()()(^n x n x n x - -=。 3 错点剔除：以标准差为基础的野点剔除法 4 消除趋势项
相关分析 1 自相关分析a=xcorr(x) 自相关函数描述一个时刻的信号与另一时刻信号之间的相互关系 工程上利用自相关函数检查混杂在随机噪声中有无周期性信号 2 互相关函数a=xcorr(x,y) 利用互相关函数所提供的延迟信号，可以研究信号传递通道和振源情况，也可以检测隐藏在外界噪声中的信号 振动信号的频域分析方法 1 自功率谱密度函数（自谱） 自功率谱描述了信号的频率结构，反映了振动能量在各个频率上的分布情况，因此在工程上应用十分广泛 2 互功率谱密度函数（互谱） 互谱不像自谱那样具有比较明显的物理意义，但它在频率域描述两个随机过程的相关性是有意义的。 3 频响函数 它是被测系统的动力特性在频域内的表现形式 4 相干函数 表示整个频段内响应和激励之间的相关性)(2 f yx γ=0表示不相干，)(2 f yx γ=1完全相干，即响应完全由激励引起，干扰为零。相干函数可以用来检验频响函数和互谱的测量精度和置信水平，也可以用来识别噪声的声源和非线性程度。一般认为相干值大于0.8时，频响函数的估计结果比较准确可靠。
声发射技术
西安工业大学 岩土工程测试技术读书报告 （读书报告、研究报告） 考核科目：岩土工程测试技术 学生所在院(系) ：研究生院建筑工程学院题目：岩土工程测试技术 姓名：李珅熠 学号：1507210358
一、声发射技术 研究表明，承受荷载的固体往往有热发射现象、表面电子发射现象和声发射现象。从能量的转换角度来看，当固体受到荷载以后，就如同一个能量转换器，将应变能转换成热能、电能、声能发射出去。这些能量是固体因受外力而引发的固有现象，因此，这些能量的特征和量值的大小就自然代表着固体材料内的某些属性。 当结构或者材料受外力荷载或内力作用产生变形、断裂、材料内部缺陷，或潜在缺陷在外部条件作用下改变状态时，以弹性波的形式释放出应变能的现象称为声发射。 声发射是一种常见的物理现象，各种材料声发射信号的频率范围很宽，从几Hz的次声频、20 Hz～20K Hz的声频到数MHz的超声频；声发射信号幅度的变化范围也很大，从10m的微观位错运动到1m量级的地震波。如果声发射释放的应变能足够大，就可产生人耳听得见的声音。大多数材料变形和断裂时有声发射发生，但许多材料的声发射信号强度很弱，人耳不能直接听见，需要藉助灵敏的电子仪器才能检测出来。用仪器探测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射技术，人们将声发射仪器形象地称为材料的听诊器。 二、声发射技术基本原理 材料的声发射源主要有：材料塑形变形和位错运动；裂
纹的形成与扩展。声发射的发生要具备以下两个条件：第一，材料要受外载作用；第二，材料内部结构或缺陷要发生变化。 对于材料的微观形变和开裂以及裂纹的发生和发展，就可以利用声发射来提供它们的动态信息。声发射源往往是材料灾难性破坏的发源地，由于声发射现象一般在材料破坏之前就会出现，因此，只要及时捕捉这些声发射信息，根据其特征及其发射强度，不仅可以推知声发射源目前的状态，还可以知道它形成的历史，并预报其发展的趋势。声发射信号是分析声发射性质和状态的基本依据，通常用压电传感器在试件表面接受并记录这些信号，输入仪器进行各种分析和处理。处理和分析声发射信号的特性参数有计数与计数率、能量和能量率，以及频谱和波形、多信号时差等。 声发射检测常用仪器由信号接收（传感器）、信号处理（包括前置放大器、主放大器、滤波器及各种处理方法相适应的仪器）和信号显示（各种参数显示装置）三部分组成。声发射信号是极其微弱的信号，不同类型的声发射源所发射的信号频率和幅度相差很大，而且声发射信号是上升时间短、重复速率很高的脉冲。实验表明，各种材料声发射的频率范围很宽，从次声频、声频到超声频，频率可达50MHz，而且声发射测试时常常有各种机械的、液体的和电气的噪声，其频率特性和其他特性与声发射信号十分相似。因此，一般要求声发射检测仪器应具有以下特性：第一，具有高响
基于STM32的声源定位装置
目录 1 前言 (1) 2 总体方案设计 (3) 2.1 方案比较 (3) 2.1.1 声源信号产生方案 (3) 2.1.2 声源的选择 (3) 2.1.3 坐标解算方案 (4) 2.2 方案选择 (4) 3 单元模块设计 (6) 3.1 各单元模块功能介绍及电路设计 (6) 3.1.1 555构成的多谐振荡器电路 (6) 3.1.2 电源电路设计 (7) 3.1.3 自动增益控制电路设计 (7) 3.1.4 有源二低通滤波电路 (8) 3.1.5 有源二阶高通滤波电路 (9) 3.1.6 STM32F103最小系统电路 (10) 3.1.7 液晶显示电路 (11) 3.1.8 电平转换电路 (12) 3.2 电路参数的计算及元器件的选择 (13) 3.2.1 电源电路参数的计算 (13) 3.2.2 555定时器外围元件参数的计算 (14) 3.2.3 音源坐标位置的计算 (15) 3.2.3 元器件的选择 (17) 3.3特殊器件的介绍 (19) 3.3.1 STM32F103单片机介绍 (19) 3.3.2 ILI9320液晶简介 (21) 3.3.3 VCA810简介 (24) 4软件设计 (26) 4.1软件设计开发环境介绍 (26) 4.1.1编程软件开发环境介绍 (26) 4.1.2绘图软件开发环境介绍 (27) 4.2软件设计流程图 (28) 4.2.1主程序流程图 (28) 4.2.1液晶初始化流程图 (29)
4.2.2 ADC初始化流程图 (30) 5系统调试 (32) 6系统功能、指标参数 (33) 6.1系统实现的功能 (33) 6.2系统指标参数测试 (33) 6.2.1带通滤波器的频率响应 (33) 6.2.2 555定时器构成的多谐振荡器测试 (35) 6.2.3 STM32 ADC电压采集测试 (35) 6.2.4 VCA810电路测试 (36) 6.3系统功能及指标参数分析 (38) 7结论 (39) 8总结与体会 (40) 9 谢辞 (42) 10参考文献 (43) 附录 (44) 附录一：部分原理图 (44) 附录二：部分PCB图 (45) 附录三：核心代码 (46) 附录四：实物图 (51) 附录五：外文资料翻译 (52)
信号分析方法
3.3齿轮及齿轮箱振动信号的分析方法 齿轮及齿轮箱中轴、齿轮和滚动轴承正常运行时，一般其振动信号是平稳信号，信号频率成分有各轴的转动频率和齿轮的啮合频率等，当发生故障，其振动信号频率成分或幅值发生变化，一般有以下三种特征： （1）信号是稳态的，但对应特征频率的幅值发生明显变化，振动能量有较大的变化。这类故障是以齿轮均匀磨损为代表的。 （2）信号是周期平稳信号，出现了有规律的冲击或调制现象。这类故障一般是齿轮或滚动轴承已经发生轻度或较严重的故障。 （3）信号中出现无规律的冲击或调制现象，这类故障一般是齿轮或滚动轴承已经发生严重的故障。 但是并不是说出现调制现象就一定有故障，所以就需要利用振动信号在频域和时域内进行诊断，来达到诊断故障的目的。而振动信号是齿轮故障特征信息的主要载体，目前能够通过各种振动信号传感器、放大器及其它测量仪器很方便地测量出齿轮箱的振动信号，通过各种分析和处理方法提取其故障特征信息。特征分析的结果是否正确、可靠，特征量的选择是否合理，在很大程度上决定了故障诊断的正确性。下面就介绍一些常用的齿轮振动信号常规的分析方法。 3.3.1时域统计特征 时域统计指标根据量纲和无量纲分为两个部分，一部分是常用的有量纲特征值，包括最大值、最小值、峰值、均值、均方值和方差；另一部分称为无量纲的特征分析值，包括方根幅值、平均幅值、均方幅值、峭度、波形指标、峰值指标、脉冲指标和裕度指标。在齿轮箱的状态检测和故障诊断中，要特别注意这两部分指标的综合运用，有量纲特征值一般随着齿轮箱的不同而改变，不同种类和大小的齿轮箱测量得到的有量纲特征值是没有对比性的，有时甚至同种类和大小的齿轮箱在不同工况下测量得到的有量纲特征值也不能直接进行对比。而不同种类和大小的齿轮箱测量得到的无量纲的特征分析值在一定的情况下是可以进行对比的。对于有限长度的离散时间序列1210,,,,-n x x x x ，其有量纲的统计特征值为： 最大值 }max{max i x x = 最小值 }min{min i x x = 峰峰值 min max x x x p p -=- 均值 ∑-==10 1 n i i x N x
声发射信号处理和分析技术
声发射信号处理和分析技术 摘要：介绍声发射技术发展简况、声发射信号处理面临的困难及目前所用的各种处理和分析方法。还介绍了声发射仪器的发展概况。 关键词：声发射检验；信号处理；分析；声发射仪器 声发射（AE）可以定义为物体或材料内部迅速释放能量而产生瞬态弹性波的一种物理现象，而AE信号则表示一个或多个AE事件经传感器接受并经系统处理后以某种形式出现的电信号。当材料遇到“麻烦”时，它们会“讲话”，我们可以利用声发射设备来“听”诸如裂纹扩展、纤维断裂以及材料其他形式损伤所发出的“声音”。AE 相应的弹性波并不仅局限于可听声域，在绝大多数情况下，其有效频谱范围可伸展到数兆赫甚至数十兆赫频段。所以严格地讲，声发射应当被称为应力波发射，但由于历史的原因，人们已习惯于将其称为声发射。AE的原机制是各种各样的，如固体内裂纹的形成和扩展（裂纹的传播）、塑性形变、晶体内位错的移动和位错在钉扎点上的分离、孪晶边界的移动、复合材料内基体或夹杂物的破裂、分层或纤维的断裂以及物质结构的变化（包括相变）等。不同的源机制对应不同的发射声波，因而也对应不同的AE信号。尽管引起声发射的外部原因是多种多样的，但其共同点都是由于外部条件的变化（应力、温度和电磁场等），引起物体或结构某一局部或某些部分变得不稳定并迅速释放出能量。AE是正在扩展的材料缺陷（裂纹）的指示器，没有扩展，裂纹或材料的缺陷处于静止状态，就没有能量的重新分配，也就没有声发射。换句话说，只有当物体受到了永久性形变或永久性损伤时才会产生声发射。正因为这样，AE技术是检测材料损伤，特别是早期损伤的有利工具，也是对材料或结构状态进行动态监测的重要方法。与此相适应，声发射信号处理的主要任务则应当包括AE源识别、AE源定位和损伤评价等内容。 1 声发射信号及信号处理的困难所在 与其它无损检测方法不同的是，AE信号处理技术面临的最大难题，或最大困惑首先是AE源的多样性、信号本身的突发性和不确定性。在进行超声或涡流检测时，人们可准确知道注入被检材料中信号的特征（幅度、频率和波形等），并由此可知接收信号的相应特征或相当发生的变化。而对于AE检测技术而言，情况却完全不同。不同的AE源机制可以产生完全不同的AE信号，而人们对AE源机制的认识总是受到很多条件的限制。因此，说极端一点，检测人员有时几乎不知道真正的AE信号究竟应是什么样子。其次，AE信号传输途径的影响也是一个完全不容忽视的因素，但问题在于，传输途径又与AE源位置、被检对象性质（材质、形状和几何尺寸）、声耦合剂特征以及接收传感器位置等诸多因素有关。图1可以说明这一问题。 声源S(t) 输出信号F(t) 由图1可见，AE传感器所获得的信号至少是声源、传输介质、耦合介质和换能器响应等因素的综合结果，在数学上可表示为 F（t）= S（t）* M（t）* C（t）* R（t）(1) 式中S（t）——声源的时域函数 M（t）——传输介质的脉冲响应函数（格林函数） C（t）——耦合介质的脉冲响应函数 R（t）——换能器的脉冲响应函数 * ——卷积 在频率域，上式可简化为
声发射源定位的测试方法
辽宁大学学报 自然科学版 第25卷 第1期 1998年JOU RN A L O F L IA ON IN G UN IV ER S IT Y N atu ral S ciences E d ition V o l.25 N o.1 1998 声发射源定位的测试方法 时书丽 (辽宁大学电子科学与工程系,沈阳110036) 摘 要 本文作者介绍了声发射源定位的测试方法,推导了时差测量公式,设计 了时差测量电路,总结了多通道声发射测试仪的时差测量的方法. 关键词 声发射;声发射源;源定位;时差测量. 0 引言 声发射,顾名思义就是物体发出声音的意思,它是一种常见的物理现象.例如,用力弯曲一根细竹棍儿,开始时听不到声音,随着施力的增加,就会听到噼噼啪啪的声音,这个回声就是声发射.如果再继续增加弯曲力,就会使竹棍儿在某处断裂,这个断裂处就是声发射源.这是我们亲眼所见、亲耳听到的现象.如果给一个大型构件施加压力,使其内部某处产生裂纹,而且发出声波.但是,人的眼睛看不到裂纹处,人的耳朵听不到裂纹声,这就要借助高灵敏度的声发射测试仪器去检测. 声发射检测法依据的基本原理,就是给检测对象施加压力或其它外部条件(如温度等),使检测对象中的缺陷或潜在缺陷自动发声,根据接收到来自缺陷的应力波推测缺陷的位置和大小.声发射技术的发展十分重视声发射源的研究,发展声发射源定位的技术和评价被测物体缺陷的有害度.源定位就是利用声发射信号的特点找出缺陷所在的位置,这是声发射检测的重要内容.为此,我们研制了双通道、四通道声发射信息分析测试系统,本文就其中源定位功能做以介绍. 1 声发射源的测定 确定声源的位置就要使用多通道声发射仪,每个传感器对应一个通道,传感器的任务就是把声波信号转换成电信号.利用两个以上的通道,将传感器按一定方式配置构成阵列,利用声源发出的声波到达几个传感器的时间差确定声发射源的位置. 下面利用两个传感器组成线阵列,测定两传感器连线范围内的物体缺陷所在的位置,如图1中的(a)所示.在一个棒状物体两端B、C两点上各放置一个传感器T1、T2,它们的 本文1997年8月28日收到