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材料在受到机械载荷作用变形破坏时，会发出响声，引起人耳的听觉反应。由声学可知，声音可分为次声、可听声和超声。可听声的频率为20Hz~20kHz。频率超出或低于这个范围就不能引起人耳的听觉。 声发射(Acoustic Emission，简称AE)不同于可听声。沧州欧谱它是材料或结构的某个局部区域或整体受外力或内应力作用发生塑性变形或破坏之际，将其内部所储蓄的应变能以瞬态弹性波的形式迅速释放出的一种物理现象。当材料或结构受力时，首先发生弹性变形，此变形是以弹性应变能储存在材料中，使其内部存在微观结构的缺陷，导致了局部应力集中，造成不稳定的应力分布。当这种不稳定应力分布状态下的应变能积累到一定程度时，不稳定的高能状态一定要向稳定的低能状态过渡，材料出现快速相变、裂纹等现象，并在此过程中释放应变能。其中，部分由表面能量吸收以产生新裂痕表面;部分增加塑性变形区域;部分以弹性应力波的形式快速向外释放出来。这种能量释放现象称为声发射。与普通声振动信号相比，声发射具有较宽的频率范围，从次声频、声频到超声频整个频率范围，信息量更大，具有很高的应用价值。它是材料缺陷(如裂纹)正在扩展的指示器，是检测材料损伤，特别是早期损伤的有力工具，因此，多年来许多国内外专家学者一直在致力于此方面的研究。 声发射研究工作始于1950年。德国和美国的学者专家对此做出巨大贡献。1964年美国通用动力公司将声发射技术首次运用于生产现场。相隔一年美国的Dunegan公司就推出了声发射商用仪器。这标志声发射技术的研究进入了一个新的天地中。今天声发射仪器已由单通道发展到多通道，由简单的信号处理发展到计算机进行声发射源定位和波形分析、源特征分析、模式识别等等，声发射技术已进入广泛的应用阶段。 我国从1973年起开始声发射的研究工作。二十多年来，声发射技术在研究、应用的深度和广度上都有了较大的发展，从最初的仅限于压力容器、金属疲劳和断裂力学等方面的应用，发展到目前的金属材料、复合材料、岩石和磁声发射等领域，覆盖了航空、航天、铁路运输、工业制造过程监测、建筑、石油化工、电力等几乎所有工业领域。声发射仪器已研制出了单通道、八通道、三十二通道等各种型号。八十年代末之后，由于计算机技术和各种信号处理软件开始出现，以波形分析为基础的声发射技术得到应用和发展，在声发射信号处理方面，神经网络和小波分析技术也取得了一定的进步。 1、声发射信号处理技术 声发射信号可分为突发型和连续型两种。如果信号的单个脉冲不可分辨，则叫连续型声发射。 它由一系列低幅值和连续信号组成，对应变速率极为敏感，主要与材料的位错钉扎和交叉滑移等塑性变形有关。如果信号由区别于背景噪声的脉冲组成，且时间上可分开，就叫突发型声发射。它是由高幅值、不连贯、持续时间为微秒级的信号组成，主要与材料中的堆跺层错的形成和机械孪晶以及裂纹的形成和断裂过程有关。大量研究表明，声发射技术的研究主要集中在声发射信号处理技术和声发射仪器的发展上。 1.1声发射信号处理方法 通常，采集和处理声发射信号的方法有两大类：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;另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。后者为广泛使用的典型方法。 与其他无损检测不同的是，由于声发射源的多样性、信号本身的突发性和不确定性、声发射信号传输途径的不稳定性以及声发射信号的微弱性和干扰噪声的多样性，声发射传感器输出的电信号波形十分复杂，接收到的信号变成一个变形波，已非原始波形。为此，在声发射技术发展史上，各种可能的信号处理方法都曾被尝试过。常用的声发射信号处理方法有波形分析技术、特征参数分析等。 波形分析方法包括经谱分析方法、小波分析方法、人工神经网模式识别分析方法等。特征参数分析所记录的信号量大，检测仪器分析的实时性强，因而是目前声发射检测时所使用的主要方式。常用的声发射信号特征参数有：事件计数、事件计数率和总计数、振铃计数、幅度和幅度分布等。声发射事件是指一个声发射脉冲所激发产生的一个阻尼振荡波形。单位时间内的事件数，称为事件计数率。一段时间内的事件总数，称为事件总计数或总事件数。事件计数反映声发射事件的总量和频度，用于源的活动性和定位集中度评价。振铃计数为超过阈值信号和振荡次数。振铃计数与事件数的区别在于没有延时，为幅值大于阈值电压的数目。一个事件可以有若干次振铃计数。一般说来，在阈值电压相同的条件下，事件能量越大，幅值衰减到阈值电压以下所需的时间越长，振铃计数越多。幅度为信号波形的最大振幅值，通常用dB表示，常用于波源的类型识别、强度及衰减的测量。信号特征参数分析方法可以确定声发射源的强度和活动程度。 1.2声发射计测系统的发展 通常声发射测量系统由传感器、放大器和分析系统三部分组成。其基本原理为：声发射以压力波、应力波形式激励离开发声源一段距离的传感器，压电传感器将应力波信号输入前置放大器，经过放大归一化处理转换成电信号，输入高频和低频滤波器，然后输入信号分析仪进行处理( 如AE计数率的计算、RMS值的计算及其他频谱分析)。 自1965年首次推出声发射商用仪器以来，其硬件技术的更新发展可分为三个阶段： 第一阶段(1965年-1983年. 是参数式声发射仪器的发展。它包括发射传感器、前置放大器、模拟滤波技术以及特征提取硬件技术的完善与发展。该阶段声发射仪器的可靠性不能令人满意，这也使得应用技术的发展较缓慢。 第二阶段(1983年-1994年. 是参数型数字式声发射系统的发展。以美国物理声学公司(PAC)1983年开发的参数型数字式声发射系统SPARTAN AT为代表。它采用PC机的插板方式，只要把用于声发射信号采集的DSP(数字信号处理器)卡插入ISA(PC/AT)总线，配一台性能良好的PC机，构成2-256通道)AE检测系统。DSP卡包括两个独立的AE 通道，由DSP进行管理，DSP从主机取得程序和设置命令，在硬件提取传统AE特征参数的同时，还可计算出附加的波形特征( 频率特征、信号波形特征、组合特征等. 。沧州欧谱该阶段声发射仪器的可靠性大大提高，声发射应用技术由此得到了发展。 第三阶段(1994年至今. 是全波形声发射仪器的问世。全波形声发射仪基本结构是在DSP卡的全数字式声发射基础上去掉DSP，改用高速计算机总线PCI，直接高速地将经AD转换后的全数字全波形声发射数据送到功能强大的计算机，由计算机软件完成参数生成、波形分析及声源定位等任务。这种全数字全波形声发射仪器最大限度地应用了现代电子和计算机的高速数据采集和高速软件处理技术，使得多通道声发射波形采集和分析不再困难，同时保留了参数声发射仪器的全部功能，为声发射技术研究和应用提供了良好的工具。代表性的全波形式声发射仪器有德国VALLEN公司的)AMSY4、美国数字波公司(DWC)的FDW声发射探伤仪及PAC公司的MISTRAS2001等。 2、木工刀具磨损 木工刀具在切削过程中，因机械的、化学的和热的等方面作用，金属材料不断地从刀具刃口附近消失，改变了刀具刃口的几何形状，即产生了磨损。木工刀具的磨损是相对缓慢的过程，通常分为三个阶段，即初期磨损阶段，正常磨损阶段和急剧磨损阶段。三个阶段属于不同的磨损状态，各状态间的界限有一定的模糊性和重叠性。对自动化加工系统而言，刀具磨损量的检测不一定要精确，只要知道其在一定的磨损范围内即可。已有研究表明，当刀具磨损达到一定程度时，刀具的有效前角和后角相应变小，导致切屑变形区域和切削平面木材层应力分布和变形发生变化，从而影响到声发射的产生。而且明显地发现切削力加大，切削温度升高，切屑颜色改变，甚至产生振动。 2.1刀具磨损的检测方法 常用的检测刀具磨损的方法可分为直接检测法和间接检测法。直接检测法即直接测量后刀面磨损带中间部分的平均磨损量;间接检测法则是通过测量与刀具磨损有关的物理量如切削力、声发射等，并建立这些物理量与刀具磨损的对应关系，从而实现对刀具磨损的间接检测。间接检测法常用的是选取切削分力的比值及比值的变化作为判别特征量，一旦这两个特征量超过某一阈值，即可认为刀具已经磨损。但在实际检测时，由于振动和随机噪声的干扰，采用该方法判断刀具磨损容易出错，造成误判;而且由于刀具的正常磨损与异常磨损之间的界限具有一定不确定性，因此预先确定阈值较为困难，必须根据经验和进行较多试验后才能确定，且在不同的场合阈值并不稳定。小波分析方法是一种刀具磨损检测方法，它是利用对刀具磨损时各种信号的奇异性进行分析，建立了其( 指数与刀具磨损状况的对应关系，通过实测声发射信号( 指数的大小来判断刀具的磨损状况，实现对刀具的磨损检测。奇异性指数和刀具磨损的对应关系若信号在某点有突变或某阶导数不连续，则称信号在此处有奇异性，一般用((+,-指数) 简称( 指数* 来描述信号!) 的奇异性程度。设有非负整数，如果存在常数则称在。其含义为信号次多项式相比较，光滑程度是多少。( 指数给出了信号)在点可导性的精确信息。如果一个函数在某一点是连续可导的，那么它这一点至少是1 的，则该信号无奇异性;若则8 次多项式，由式可知点存在突变;如果)( 指数小于1，则为的奇异点。因此( 指数有着明显的物理意义，在刀具磨损检测中，刀具磨损越严重，相应的声发射信号变化越剧烈，则( 指数越小，当刀具折断时，声发射信号会发生突变，此时对应的指数为，如果( 指数越接近1，则说明切削越平稳，表明刀具的磨损程度越轻。 3、小波分析技术 小波是八十年代末迅速发展起来的一种信号处理分析方法。在此之前常用的信号特征提取方法有时域分析法) 如差分* 和频域分析法) ，但这两类分析方法只对单纯的时域或频域内的信息有较好分辨，难以做到二者兼顾，即只对确定性平稳信号进行分析时才能取得满意的效果，而对类似于2; 这样的非平稳时变信号，却存在明显不足。小波分析就是在克服了它们的不足的基础上迅速发展起来的，其基本思想是用一族函数去表示或逼近一信号或函数，这一族函数称为小波函数。用小波函数表示的特点是其时宽与频宽的乘积很小，且在时间和频率轴上都很集中，具有良好的时频定位特性，非常适合于分析2; 这样的瞬态或时变信号。 上式说明以lg为横坐标，lgWf为纵坐标的模极大值曲线上相邻两点的斜率就是信号在奇异点处的指数的大小可直接反映信号的突变程度，指数越小，表明信号变化越剧烈，理想阶跃突变信号的指数。 4 小波分析技术应用于木工刀具磨损检测的前景 声发射检测技术最初是应用在材料力学试验时机械性能的评估和压力容器、管道裂缝泄漏的探测方面。木材加工领域内，目前仅在木材及其制品的非破坏性检测和干燥应力的监测等方面有应用。而在木材切削方面还处于试验研究阶段，且主要集中在声发射与刀具磨损的关系，声发射与工件表面加工质量的关系等方面。 研究认为木材在切削过程中存在以下几种潜在的声发射源：焊缝探伤仪http://www.hanfengtanshangyi.com切削区木材的塑性变形;切削在前刀面上的滑动;断裂屑瓣撞前刀面;产生超越裂缝时的劈裂及切屑断裂;切削平面以下木材层和后刀面的磨擦。影响切削区木材变形的因素包括切削参数、切削方向、木材材性、含水率、刀具磨损、刀具表面粗糙度等。而切削区的变形形式及程度直接影响到声发射。因此切削区木材变形的因素也影响到木材切削过程中的声发射。 在切削加工过程中，当刀具磨损时，切削区木材表面质量恶化，声发射信号振幅会随之增大。如果声发射信号突然上升或下降，则可能预示着刀具的折断。也就是说，当刀具磨损时，相应的声发射信号存在着奇异性，并且奇异性指数的大小和刀具的磨损有一种对应关系，即刀具的磨损状态决定着声发射信号变化的剧烈程度，而奇异性指数正是用来描述这种剧烈程度的一个指标。刀具磨损越严重，相应的声发射信号变化越剧烈，Lip指数就越小，当刀具折断时，声发射信号会发生突变，此时对应Lip指数为0;如果Lip指数越接近于1，则说明切削越平稳，表明刀具的磨损程度越轻。可见能够通过Lip指数对声发射信号变化剧烈程度的描述来反映刀具磨损状态。 可通过上述原理，建立有关实验模型，获取刀具磨损时声发射信号，利用小波变换方法对刀具磨损时声发射信号的奇异性进行分析，建立其Lip指数与刀具磨损状况的对应关系，通过实测声发射信号Lip指数的大小来判断刀具的磨损状况，实现对刀具的磨损检测。 |
