声发射检测中背景噪声对线定位精度影响研究

张维刚，黄永福，叶荣耀，袁昌明

（1.中国计量学院 质量与安全工程学院，浙江 杭州 310018；2.福建出入境检验检疫中心，福建 福州 350003）

声发射检测的最终目的是得到对声发射源的描述，其主要内容是源的位置、源的性质和源的严重性程度［1］.声发射源的性质普遍受到科技人员的重视，而声发射检测的定位研究比较滞后.对于突发信号的声发射源的定位，传统的时差定位方法得到最广泛的应用［2］.然而很多定位参数停留在较为粗糙的经验阶段，比如定时参数（PDT／HDT／HLT）、门槛值参数、传感器间距设置等，都给工程实际带来诸多不便.如何提高声源的定位精度和最大限度减少漏定位和伪定位，是声发射检测和评定的关键.很多文献中提到门槛值对定位的影响，一般认为在能够有效地拟制噪声干扰的前提下，可以设定较低的门槛值［3，4］.重庆大学的欧阳利军在进行混凝土结构声发射检测参数设置研究时，通过模拟加载和断芯试验确定了适合混凝土中心拔出试验检测环境的门槛值，这种方法能够使得声发射仪采集到高信噪比的信号［5］.其试验机空载时的背景噪声达到35dB，远高于仪器的本底噪声.当被测件的结构较复杂时，可能由于衰减过大，而使某种模态的声发射波低于检测门槛值而无法触发传感器.因此，检测过程中需要测量构件的衰减曲线，以便对定位结果进行补偿［6］.

门槛值是声发射检测必须考虑的关键参数之一.目前，国内对不同噪声环境下，门槛值的取值问题和定位之间关系的研究较少.本次研究中半消声室的噪声平均为28.8dB，几乎等同于检测系统的本底电子噪声，可以理想地认为此时周围环境噪声对声发射信号的影响为零.在此环境下获得定位信号同高噪声环境下的信号显然有对比的价值，它们相关的变化规律对工程实际的门槛值设置有一定指导意义.

本次实验拟研究在不同的背景噪声下，仅改变门槛值的大小，观察模拟源实际位置同仪器测量位置之间的差异，从而定量研究门槛值在不同环境噪声下的取值问题.研究包括：半消声室中提取本底噪声信号、滤除本底噪声后的摩擦信号及模拟断铅信号，分析他们之间的频谱分布特征；随后，分别在半消声室、普通实验室、和施工噪声较大的建筑工地进行模拟源断铅实验，研究门槛值改变对定位的影响.

1 实验系统与仪器设备

1.1 仪器设备与参数设置

实验仪器为美国物理声学公司的MICRO SAMOS－Ⅱ型声发射检测系统.传感器为 R15Ⅰ－AST型，频峰值156.25kHz.波速按照材料声学特性矩阵自动测试，分别在两传感器间测量三次取平均值.检测参数见表1.通道灵敏度校准按照压力容器检测规程规定每通道对模拟源响应的幅度值与所有通道的平均幅度值之差不大于4dB.实验采用Φ0.5mm硬度 HB，铅芯伸出长度约2.5mm，与管道表面30°左右夹角［7］.测量数据见表2

表1 采样参数设置Table 1 Sampling parameters setting

表2 耦合测试表Table 2 Coupling test table

1.2 实验系统组成

声发射实验中常采用国际上通用的Nielsen－Hsu断铅法模拟裂纹的产生.研究表明，固体材料断裂时的声发射信号类似于Nielsen－Hsu断铅信号［8］.频带集中在100～150kHz之间.考虑到碳钢管上的断铅信号可能是宽频带，而传感器的谐振频率在100～400kHz之间，传感器对这个频段信号响应最佳，所以能够对断铅信号实现有效捕捉.实验选取2000mm长，管径25mm，壁厚3mm的碳钢管为研究对象，两传感器间距1800mm，以传感器2作为坐标原点.测点1和测点2距离传感器2为100mm和900mm.实验系统，如图1.

1.3 三种实验环境

图1 声发射检测系统简图Figure 1 AE detection system figure

实验选取半消声室、普通实验室和建筑施工现场作为实验场地.采用杭州爱华公司的AWA5633D型声级计进行环境噪声测量.半消声室是把地板作为反射面，以模拟半自由场空间的房间.实测噪声平均值28.8dB.检测对象放置在半消声室地面，主要的噪声源是从地面传来的人员行走振动及摩擦噪声.普通实验室实测噪声平均50.5dB，建筑工地实测噪声平均83.1dB.

2 背景噪声的类型与信号提取

噪声一直是声发射检测中最为突出的影响因素，具有复杂多变的特点.结构材料、形状、波速、应力等因素对定位的影响可以在实际加压前通过模拟声源得到一定的修正.噪声因为其突发性会严重干扰真实的声发射信号.例如伺服控制的液压试验机加载时，伺服阀的动作可能产生频率较高的噪声，足以淹没有用的声发射信号.总体来说噪声来源可以分为三种类型：系统本底电子噪声，环境噪声和结构噪声.

2.1 系统本底电子噪声与信号提取

系统本底噪声是由于电源内部滤波和前置放大器的影响带来的不可避免的电子噪声［9］.在普通实验室和半消声室两种环境下，搭建好检测系统把门槛值降到最低限10dB，打开采样开关，没有任何外在干扰情况下，幅值对时间的二维散点图产生大量撞击信号，信号幅值在26～28dB之间波动，能量小于200.两种环境都得到了此类信号.显然，这种信号和实验环境没有关系，是属于系统内部电路产生的本底噪声.从本底噪声的频谱图2上看，此信号是分布在0～500kHz之间的宽频信号，相对于横坐标的振幅小于0.02dB.

2.2 环境噪声与信号提取

图2 电子噪声频谱图Figure 2 Electrical noise spectrum figure

环境中的电台和雷达等无线电发射器、电源干扰、风、雪、周围机械振动、人的活动等都会形成检测时的环境噪声.环境噪声的提取是在半消声室中进行的.门槛值设为30dB，滤除掉本底电子噪声，然后打开采样开关，此时就会得到从地面传来的人走动的摩擦噪声.该信号能量很低，持续时间不到100μs，从摩擦信号的频谱图3上看，在100～150kHz之间相对振幅达到0.1dB，之所以在这个频段有少许信号正和传感器的频响特性相吻合.

图3 摩擦噪声频谱图Figure 3 Friction noise spectrum figure

2.3 结构噪声与断铅信号提取

压力容器、压力管道、储罐、核反应堆、机器设备等在线检测时，内部液体流动、沸腾、燃烧，容器表面的绣皮、漆皮的脱落，机械部件运动都是结构噪声的主要来源.这类噪声由于频率较低，近年流行的神经网络分析法［10］、波型分析［11］等方法可以在后期信号处理时滤除掉此类噪声.由于在实验室钢管上进行断铅实验，所以无法提取这种信号.这里选取30dB门槛值滤掉背景噪声时的断铅信号进行频谱分析.门槛30dB时的断铅信号频谱如图4.显然，这是一个典型的突发信号频谱，能量分布曲线集中，质心明显，有三个明显的频峰，出现在100～150KHz之间.

图4 断铅信号频谱图Figure 4 Leadcuting signal spectrum figure

3 门槛值在不同环境下对定位的影响

3.1 定位数据采集与处理

由于声发射本底噪声在26～27dB之间，故门槛值下限取27dB，随后依次升高两通道的门槛值，进行模拟断铅信号采集，仪器自动记录并保存不同门槛值的定位数据.当在实验室、消声室采集数据时，门槛值高于55dB之后，背景噪声已经完全滤除，此时定位数据偏差已经很大，故60dB之后停止采样.而建筑工地背景噪声有80dB左右，考虑这种环境因素的影响，门槛值放大到85dB.门槛值设置见表3.三种背景下，每个测点断铅10次.选取幅值在80dB以上的定位数据，四舍五入，取整数进行处理.半消声室数据见表4，普通实验室数据见表5，建筑工地见表6.

表3 门槛值设置表Table 3 Threshold value setting table

表4 半消声室（28.8dB）测量定位值Table 4 Hemi－anechoic chamber（28.8dB）measuring location value 单位：mm

表5 实验室（50.5dB）测量定位值Table 5 General laboratory（50.5dB）measuring location value 单位：mm

表6 建筑工地（83.1dB）测量定位值Table 6 Construction site（83.1dB）measuring location value 单位：mm

整个数据采集是在三种背景噪声下，改变门槛值得到的定位数据，多次测量求平均值后，得到三种背景噪声下门槛取值同测量距离之间的关系图.图5（a）是测点1处的关系图，表明随着门槛值的增大，测量位置逐渐偏近原点位置；图5（b）是测点2的关系图，显示高背景噪声环境下门槛值在65dB时偏离误差最大，随后测量误差减小，在门槛值和背景噪声接近时，出现较为准确的定位.

图5 门槛值变化同测量位置关系图Figure 5 Threshold value changing and measurement location figure

3.2 数据分析

声发射检测中经常出现的错定位、漏定位和伪定位［3］在本次实验中都有表现.主要原因在于：断铅施加的力度，角度都不完全相同，造成每次事件的撞击能量不尽相同，以致对实验结果有直接影响.另外，声波在钢管上衰减很小，钢管长度只有两米，管径较小，造成的二次反射波给实际定位带来干扰，所以本次实验中舍弃了大量的低幅值定位数据.由表4、5、6和折线图5可以看到：

1）测点1随着门槛值的升高逐渐偏离实际位置.测点2变化不明显.在65dB时出现一个较为陡峭的下降，原因在于此时数据波动剧烈，既有明显偏大的数据，也有明显偏小的数据，样本数据分布不均，导致平均数出现一个突变.

2）随着门槛值的升高和环境噪声的升高，测点1漏定位明显.测点2没有发生漏定位，但是偏离实际位置的程度在增加.

3）门槛值较低时，容易出现漏定位，而门槛值偏大时容易出现错定位.这可能与声波在钢管中传播时的端角反射及波形转换有关.

4 结 语

通过三种环境下门槛值变化的比较分析，可得到相关结论如下.

1）背景噪声对传感器附近的声源影响较大，距离AE传感器100mm处，当门槛值大于55dB时，误差达到了50%；而且背景噪声对定位区域中部的声源影响不大，误差在20%以内.所以，工程实践中应当重点关注定位区域中部撞击信号.

2）高门槛值时测量定位偏近坐标原点；低门槛值时，测量位置偏远坐标原点.

3）门槛值相对背景噪声略高时得到的定位较准确.

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