港口起重机箱型梁模型声发射信号参数分析法研究

张希强

(上海海事大学物流工程学院，上海 201306)

声发射信号的参数分析法虽然存在很多缺陷，但是迄今为止它仍然是声发射信号分析中比较有效的方法之一。它通过几个声发射的特征参数来表示其信号特征，并以此达到对信号进行分析和识别的目的。

1 声发射参数及定义

图1 是常用声发射参数的定义示意图［1］，常见声发射信号的特征参数如下［2］:

(1)振铃计数:在声发射信号采集过程中，当信号幅值超过事先设定的阀值电压时将出现一个脉冲，该脉冲就是振铃计数的触发信号。超过阀值电压的每个震荡波就是一个振铃计数。

(2)事件计数:在声发射源有活动时，声发射信号首次越过门槛电压起，在一定时段无新的振铃信号产生，这个过程就是一个事件。事件计数常用于声发射信号活跃性及定位集中度的评价。

(3)幅度:在声发射信号所有时间历程中的最大振幅值称为幅度，单位为dB，反应了信号强度的大小及衰减快慢程度，其大小决定信号的可检测性。

图1 常用声发射参数的定义示意图Figure 1 Schematic sketch of familiar acoustic emission parameters definition

(4)能量:能量是指检测信号包络线所包围的面积，分为计数率及总计数，它表征声发射事件的相对强度及能量。

(5)上升时间:声发射信号从首次大于阀值电压到最大振幅时所经历的时间长度称为上升时间。可以利用声发射信号上升时间来鉴别及滤除机械或电子干扰噪声。

(6)脉冲持续时间:声发射信号从首次大于阀值电压到首次小于阀值电压所经历的时间长度称为持续时间。其大小与阀值电压有关，可以用于噪声鉴别。

2 应用实例

2.1 实验系统介绍

实验中信号分析设备为美国物理声学公司(PAC)的数字声发射仪器(采用MICRO SAMOSAC 系统主机，搭配PCI-2 工业型采集卡)、实验试件为箱型梁模型、信号采集设备为声发射传感器(型号:DP151)，其他附件包括千斤顶及相关信号传输线等。箱型梁加载实验示意图见图2 所示。

试验中箱型梁模型所用钢材为Q235 钢，为了在试验台上加载方便，模型尺寸根据起重机箱型梁比例加工成400 mm×133 mm×170 mm 大小，材料厚度为4 mm。实物图如图3 所示。牌号Q235 碳素结构钢的元素成分及其力学性能见表1。

图2 箱型梁加载实验示意图Figure 2 Schematic sketch of box girder load test

图3 箱型梁加载前后的情况Figure 3 Various situation of box girder before and after load

2.2 箱型梁实验结果及参数分析

(1)声发射信号振铃计数特性

由图4a 振铃计数分布图可知，振铃计数范围也较宽，大约在1～2 250 左右，振铃计数历程图(图4b)中主要振铃计数分布为1～100，试件开始加载阶段振铃计数较多。

(2)声发射信号幅值特性

根据图5 所显示的信号幅值特性图，我们发现在刚开始加载的一段时间出现的撞击信号较多，产生了大量声发射信号，因此其幅值也比较大。在加载过程中对试件进行保载，从幅值历程图中我们发现在保载时段无声发射信号出现。随着继续对试件加载，在某些时段又出现大量声发射信号;这可能是由于试件加载过程中经历了弹性变形，塑性变形以及裂纹扩展阶段的缘故。从幅值分布图中我们发现40 dB～50 dB 的声发射信号最多;同时从幅值历程图中可知声发射幅值多数分布在刚开始加载时段。

(3)声发射信号能量特性

根据图6 声发射信号能量分布图可知，信号的能量范围分布很广，大约在1～1 350 之间，主要能量分布为1～40。从能量历程图所反映的特性发现，声发射信号能量主要累计在刚开始加载的一段时间内，而随着时间推移越来越少;这与前面的幅值特性图所反映的特征是相吻合的。

(4)声发射信号上升时间特性

通过图7 上升时间特性图所示上升时间范围大约为1 μs～6 300 μs，主要上升时间分布范围为1 μs～300 μs。

表1 Q235 碳素结构钢的化学成分及力学性能［3］Table 1 Chemical compositions and mechanical properties of Q235 carbon steel

图4 声发射信号振铃计数特性图Figure 4 Characteristic chart of acoustic emission signal ring count

图5 声发射信号幅值特性图Figure 5 Crest characteristic chart of acoustic emission signal

图6 声发射信号能量特性图Figure 6 Energy characteristic chart of acoustic emission signal

图7 声发射信号上升时间特性图Figure 7 Rise time characteristic chart of acoustic emission signal

图8 声发射源持续时间特性图Figure 8 Continuous time characteristic of acoustic emission source

(5)声发射信号持续时间特性

图8 是声发射持续时间特性图。由持续时间特性图可知，持续时间范围大约为1 μs～31 000 μs，主要持续时间分布范围为1 μs～2 500 μs。

通过以上各个参数的分析，总结出箱型梁声发射信号特性参数特征及范围，见表2。

表2 箱型梁声发射信号特性参数特征及范围Table 2 Property parameter feature and scope of box girder acoustic emission signal

3 结论

通过前面的对比分析表明，试件在开始加载阶段声发射事件非常活跃，其中40 dB～50 dB 的声发射信号最多。在保载时段声发射事件几乎不存在，这与著名的Kaiser 效应［4］的结论是一样的。在材料发生弹性形变阶段，声发射信号活跃程度最高，而且能量相比其他形变阶段也最大。总之，利用声发射信号相关参数分析方法可以直观的分析出信号的特性，在声发射技术的发展和以后的研究过程中有着不可替代的作用。

［1］沈功田，耿荣生，刘时风.声发射信号的参数分析方法［J］.无损检测，2002，2:72-75.

［2］李孟源，尚振东，蔡海潮，董冠强.声发射检测及信号处理［M］.北京:科学出版社.2010.

［3］郑峰.常用金属材料手册［M］.北京:化学工业出版社.2005.5.

［4］He Yan-Jiang，Qi Ming-Xia，Luo Hong-Mei.AE based fault diagnosis of rolling bearings by use of ICA and SVM.Zhendong yu Chongji/Journal of Vibration and Shock.2008，27(3):150-153.