基于小波包分析的声发射信号界面的衰减研究

    声发射技术(Acoustic Emission简写AE)作为一种新的无损检测方法,广泛应用于材料的性能研究[1, 2]、刀具[3]和压力容器[4]等的过程监测以及汽轮机中的磨损监测[5]等。应用声发射技术对设备进行无损检测时,主要有两个方面的影响因素,一个是背景噪声的干扰;另一个是波传播过程中发生衰减、反射、模式转换等使接收到的信号与声发射源信号存在差异。噪声的存在影响波形分析的可靠性,而波的传输特性是设备无损检测的基础。因而在应用声发射技术进行检测之前,必须研究波在设备上的传输特性。大量的研究表明[5-7],声发射信号的传播特性主要受到传输距离、结构的连续性以及复杂性等因素的影响,导致采集信号发生较大的失真。

    在很多应用场所中,由于结构及运行等原因,不能直接在声发射源产生的部件上采集信号,而是通过不连续界面传输后在不同的部件上采集,因而研究声发射信号在界面上的传输特性是有必要。Gang[8]对界面间构件的材料及耦合剂对波衰减特性进行研究,本文主要研究两构件相对尺寸对信号传输的影响,利用小波包技术分析信号在不同频率范围内的衰减特性。

    1 小波包分析

    小波包分析是一种精细的多分辨率分析方法。针对二进离散小波变换仅仅分解低频子带(近似部分),而对高频子带(细节部分)不再分解,小波包在全频带对信号进行多层次频带划分,对没有细分的高频部分进一步分解。小波包包含不同分辨率不同时窗的信号信息。每个小波包对应不同频带,一些小波包包含重要的息,而有些频带则包含无用信息。

    对采集的AE信号,根据方程:

   进行i层小波包分解,其中p(i,j)表示第i层的第j个小波包的小波包系数, i=0,1,2,,, j=0,1,,,2i-1, t=1,2,,,2I-i;I=log2N;N为t的个数;G、H为小波分解滤波器,H与尺度函数Ui(t)有关,G与小波函数Wi(t有关。

    对分解后的小波包系数进行重构,提取各频带范围的信号,以Si0表示p(i,0)的重构信号,Si1表示p(i,1)的重构信号,其他依此类推。对第i层的所有结点进行分析,总信号可以表示为:

S =Si0+Si0+,+Sij+,+Si,2i-2+Si,2i-1(2)

    第i层中各个频带信号对应的能量Eij为:

    其中xjk表示重构信号Sij的离散点的幅值,N为数据点总数。

    2 实验

    本实验测试结构不连续对信号衰减的影响,主要考虑构成不连续界面的两类构件的相对尺寸比对信号传输的影响。进行两组接合界面衰减实验,一组是构件相对尺寸相似(尺寸比U1),另一组是构件相对尺寸较大(尺寸比>10)。

    前一组实验在同种材料的不锈钢柱体叠加成的试验台上进行。此实验由一个传感器完成,传感器安装在试验台的顶部,断铅位置分别位于离界面两侧1 cm处,即图2中的P1和P2点。由于两个断铅点之间的距离较短,且信号在均匀材质的结构中衰减比较小,因而认为两个断铅源中由于距离的衰减的差异相对界面衰减来说可以忽略。