2.2 声信号分析与处理方法

2.2.1 声信号类型

在示波器上观察到的传感器输出声发射信号有两种基本类型：突发型和连续型（图2-18）。

突发型信号，指在时域上可分离的波形。实际上，所有声发射源过程，均为突发过程，如断续的裂纹扩展、复合材料的纤维断裂等。不过，当声发射频度高达时域上不可分离的程度时，就以连续型信号显示出来，如塑性变形声发射过程前期的信号、泄漏信号、燃烧信号等。在实际检测中，也会出现其混合型。

对不同的信号类型，要采用不同的信号处理方法。早期的通用系统，多以突发型信号检测为主，而在一些专用检测仪中设有连续型信号的检测功能。近年来的通用系统，已经可以同时采集两类信号了。

由于材料不同及工艺、形状尺寸差异等原因，材料中或多或少存在一定缺陷，并在一定条件下就会有声发射信号产生。同时，因为材料界面而形成传输衰减、折射效应等，以及因为产生摩擦信号、机械噪声、电磁噪声、环境噪声等共同叠加在检测信号中，这会给现场检测提出一个问题，即如何从检测到的信号中将真正有用的表征不同类型缺陷的声发射信号提取出来。

2.2.2 信号特性参数

一般认为，超过门槛的声发射信号由特征提取电路变换为几个信号特性参数。连续信号参数包括振铃计数、平均信号电平和有效值电压，而突发信号参数包括撞击（事件）计数、振铃计数、幅度、能量计数、上升时间、持续时间和时差。常用突发信号特性参数如图2-19所示。

1.声发射事件计数 （event count） 与撞击计数 （hits）

撞击（hit）是指通过门槛并导致一个系统通道累计数据的任一声发射信号。撞击计数（hits）则是系统对撞击的累计计数，可分为总计数和计数率。计数率是指单位时间的累计个数。前面已讲过声发射事件，当一个声发射事件发生时，信号通过介质传播可能被几个传感器接收并形成几个撞击，对检测系统而言，一个声发射事件是指一个或几个撞击所鉴别出来的一次材料局部变化。因此，声发射事件计数即是检测系统对鉴别出来的声发射事件的累计结果，它也分为总计数和计数率两种。声发射事件计数不仅可以反映声发射事件的总量，还可以反映声发射事件的频度，主要用于声发射源的活动性和定位集中度的评价。同样，撞击计数也可以反映声发射活动的总量和频度，通常用于声发射活动性评价。

2.振铃计数 （count，ring-down count）

振铃计数是最通用的声发射评估技术。当一个事件撞击传感器时，它使传感器产生振铃。所形成的超过阈值的电信号的每一振荡波均记为一个振铃计数。振铃计数就是越过门槛信号的振荡次数，可分为总计数和计数率。

振铃计数的引入使信号处理简化，适宜于表征突发声发射和连续声发射两类信号，又能粗略反映信号强度和频度，因而广泛用于声发射活动性评价。但同样的信号在门槛不同时振铃计数会不同，若将门槛提高，振铃计数会有所减少，而且受门槛髙低偏差而变化较大。

3.幅度 （amplitude）

幅度是声发射信号的重要参数，与事件的大小有直接的关系，不受门槛的影响，直接决定事件的可测性。常用于信号源的类型鉴别，强度及衰减的测量。

4.有效值电压和平均信号电平

有效值电压（RMS）是采样时间内信号电平的均方根值，以V表示，与声发射的大小有关。其测量简便，不受门槛的影响，适用于连续型信号，以及主要用于连续型声发射活动性评价。

平均信号电平（ASL）是采样时间内信号电平的均值，以dB表示。提供的信息和应用与RMS相似，对幅度动态范围要求高而时间分辨率要求不高的连续型信号尤为有用。也用于背景噪声水平的测量。

5.持续时间 （duration）

持续时间是事件信号第一次越过门槛至最终降至门槛所历经的时间间隔，以μs表示。它与振铃相关，近似于振铃计数与传感器每一次振荡时间周期的乘积。与振铃计数十分相似，但常用于特殊波源类型和噪声的鉴别。

6.能量计数 （energe）

能量计数是事件信号检波包络线下的面积，可分为总计数和计数率。能量计数可以反映事件的相对能量或强度，对门槛、工作频率和传播特性不甚敏感，可取代振铃计数，也用于波源的类型鉴别。

7.其他声发射参数

1）上升时间（risetion）：是事件信号第一次越过门槛至最大振幅所历程的时间间隔，以μs表示；表示信号超过门槛水平到峰值所经过的时间。因易受传播的影响而其物理意义变得不明确，有时用于机电噪声鉴别以滤除机械噪声和电子噪声。

2）时差：同一个声发射波到达各传感器的时间差，以μs表示。可以根据时差大小、传感器间距和传播速度计算出声发射波源的位置，进而可以预测缺陷位置作进一步检测分析。

3）外变量：试验过程外加变量，包括历程时间、载荷、位移、温度及疲劳周次等。不属于信号参数，但属于撞击信号参数的数据集，可以用于声发射活动性分析，以了解试验过程中外变量的变化与声发射参数的相互关系。

常用信号特性参数的含义和用途见表2-2。

2.2.3 噪声的排除

1.声发射噪声的类型

噪声来源类型包括机械噪声和电磁噪声。机械噪声是指由于物体间的撞击、摩擦、振动所引起的噪声；而电磁噪声是指由于静电感应、电磁感应所引起的噪声。

2.噪声的来源

声发射检测过程中常见的电磁噪声来源：①由于前置放大器引起的不可避免的本底电子噪声；②因检测系统和试件的接地不当而引起地回路噪声；③因环境中电台和雷达等无线电发射器、电源干扰、电开关、继电器、电动机、焊接、电火花、打雷等引起的电噪声。

声发射检测过程中常见的机械噪声来源主要有三个方面：摩擦引起的噪声、撞击引起的噪声、流体过程产生的噪声。即：①摩擦噪声，加载装置在加载过程中的由于相对机械滑动引起的声响，包括试样夹头、施力点、容器支架、螺钉、裂纹面的闭合与摩擦等；②撞击噪声，包括雨、雪、风沙、振动及人为敲打；③流体噪声，包括高速流动、泄漏、空化、沸腾、燃烧等。

3.噪声的排除方法

噪声的鉴别和排除，是声发射技术的主要难题，现有许多可选择的软件和硬件排除方法。有些需在检测前采取措施，而有些则要在实时或事后进行。噪声的排除方法、原理和适用范围见表2-3。