編輯推薦
適讀人群 :本書適宜從事無損監測的專業人士參考。 無損檢測技術是控製産品質量、保證設備安全的重要手段之一,而聲發射技術作為新型無損檢測技術,對於在綫實時監測具有非常廣闊的應用前景。本書對於聲發射技術進行瞭詳細的闡述和分析,對於各種迴收信號的收集與處理進行瞭詳細的分析和對比,並以復閤材料為例,對於信號處理和算法的研究與設計進行瞭詳細的論述。
內容簡介
《聲發射信號處理算法研究》簡要介紹瞭聲發射無損檢測技術的原理、構成以及基本應用操作,詳細介紹瞭聲發射係統的設計、降噪、信號智能分析和對比以及定位算法的設計與應用。
本書適宜從事聲無損檢測的技術人員參考。
作者簡介
於金濤,博士,副教授,碩士生導師,黑龍江省儀器儀錶協會理事,現任哈爾濱商業大學計算機與信息工程學院電子信息工程專業教研室主任。主要研究方嚮為:無綫傳感器網絡、故障檢測、聲發射信號處理。曾赴美留學一年,從事信號處理方麵的研究。主持完成省黑龍江省自然科學基金項目1項,主持完成廳局級項目2項,主要參與國傢自然科學基金項目3項、參與省部級項目多項。近幾年,在國內外期刊和會議上發錶論文20餘篇,其中SCI檢索收錄2篇,EI檢索收錄13篇。
內頁插圖
目錄
第1章緒論1
1.1概述1
1.2無損檢測技術分析3
1.3聲發射檢測技術研究現狀及分析5
1.3.1聲發射檢測技術概念5
1.3.2聲發射信號采集處理係統6
1.3.3聲發射信號分析技術8
1.3.4聲發射信號去噪技術12
1.3.5聲發射源定位技術13
1.3.6聲發射信號特徵參數提取技術17
1.3.7聲發射源識彆技術19
1.4存在主要問題21
第2章聲發射信號傳播特性實驗研究23
2.1引言23
2.2諧波小波包分析原理24
2.2.1二進諧波小波原理24
2.2.2廣義諧波小波原理31
2.3聲發射信號傳播特性分析36
2.3.1聲發射波的傳播原理36
2.3.2聲發射信號傳播實例分析37
2.3.3聲發射參數衰減結果43
2.3.4聲發射信號衰減的諧波小波包分析46
2.4本章小結51
第3章聲發射信號去噪算法研究52
3.1引言52
3.2小波閾值去噪原理53
3.2.1閾值函數選擇及閾值優化55
3.2.2小波基函數的確定57
3.3經驗模態分解及去噪原理59
3.3.1經驗模態分解原理59
3.3.2經驗模態分解的濾波特性60
3.3.3經驗模態分解去噪原理62
3.4經驗模式分解及小波結閤去噪原理64
3.4.1IMF-Wavelet去噪原理64
3.4.2EMD-Wavelet去噪原理65
3.4.3Wavelet-EMD去噪原理65
3.5去噪效果評價65
3.6仿真實驗及分析66
3.6.1標準信號去噪實驗66
3.6.2模擬AE信號去噪實例分析71
3.7本章小結73
第4章聲發射信號智能定位算法研究74
4.1引言74
4.2基於最小二乘支持嚮量迴歸的聲發射源綫性定位方法75
4.2.1最小二乘支持嚮量迴歸原理76
4.2.2基於粒子群算法的LS-SVM迴歸的參數優化77
4.2.3利用LS-SVM迴歸進行聲發射源綫性定位81
4.2.4聲發射源綫性定位實驗分析83
4.3基於多輸齣支持嚮量迴歸的聲發射源平麵定位方法86
4.3.1單輸齣支持嚮量迴歸原理87
4.3.2多輸齣支持嚮量迴歸原理及算法88
4.3.3多輸齣支持嚮量迴歸算法仿真驗證90
4.3.4聲發射源平麵定位實驗與分析92
4.4本章小結99
第5章聲發射信號識彆算法研究100
5.1引言100
5.2基於諧波小波包分解的聲發射信號特徵提取101
5.2.1特徵評價方法102
5.2.2諧波小波包分解特徵提取步驟103
5.2.3諧波小波包分解頻帶確定104
5.3基於支持嚮量多分類器的聲發射源類型識彆105
5.3.1支持嚮量機分類原理106
5.3.2支持嚮量機多分類器設計109
5.3.3支持嚮量機模型參數優化111
5.4仿真分析及實驗驗證115
5.4.1基於小生境粒子群算法的SVM參數優化驗證115
5.4.2壓斷實驗116
5.4.3諧波小波包分解特徵提取驗證120
5.4.4支持嚮量多分類器聲發射源類型識彆驗證122
5.5本章小結125
參考文獻127
前言/序言
損檢測技術是控製産品質量、保證設備安全運行的重要手段之一。隨著我國現代化建設事業的迅猛發展,損檢測理論研究和技術應用有瞭很大提高。我國相繼建立瞭若乾重點機構研究損檢測新技術、新方法、新理論,製定不同行業的損檢測規範、行業標準和國傢標準。損檢測技術在保證産品質量和工程可靠性上,在國傢重大工程安全運行和係統壽命評估方麵發揮著越來越重要的作用。
在實際生産及使用過程中,想要完全避免材料或構件的各種損傷是不切實際的。因此,要定期的對部件進行檢測,及時修復和替換受損或不穩定的部件,以保證結構在整個使用壽命期的安全。對於檢測,傳統觀念采取的是在發現問題後進行修補的方法,要求在發現危及安全的缺陷後立即進行修復。而新的損檢測觀念是預測並管理,要求能對可能發生的缺陷、故障進行預報,從而能在某一閤適時間段內采取措施。這樣纔能在保證産品或結構安全的前提下,取得最大的經濟效益。
隨著現代工業和科學技術的發展,聲發射(AE)技術的發展使這種新型的動態損檢測技術成為瞭可能。作為新興的動態損檢測技術,聲發射技術剋服瞭傳統損檢測技術的很多缺點。聲發射檢測技術是損檢測中的一種新方法,它可以提供連續的狀態信息,適閤於設備在綫監控及早期破壞預警。通過聲發射傳感器采集聲信號,再利用計算機信號處理係統對采集的聲信號進行分析、轉換、處理,以此為原理構成檢測係統基於聲發射技術的裂紋檢測,通過監測構件裂紋生長過程中釋放的能量,需對構件施加激勵,能夠檢測損傷的位置、類型及其變化過程。在使用中,隻需要在構件閤適的位置安裝聲發射傳感器,非常有利於部件的實時在綫檢測。利用聲發射技術進行監測,可以在部件疲勞試驗中及時地檢測到損傷的産生、損傷的位置及損傷類型等信息,因此研究聲發射檢測技術,改進和提高部件損傷檢測的效率和精度,對準確評估部件壽命及安全性是非常有意義的,而聲發射檢測技術的關鍵是聲發射信號的處理算法。因此,本書不僅對相關的檢測技術進行瞭原理和檢測方法方麵的介紹,同時著重對復閤材料試件聲發射信號處理算法進行瞭研究,相應的也介紹瞭一些常用的損檢測技術,注意反映當前國內外損檢測領域的最新動態和最研究成果,具體研究內容如下。
①通過斷鉛模擬實驗,研究瞭聲發射信號在復閤材料上的傳播特性。對碳縴維材料試件和蜂窩材料試件進行瞭傳播特性斷鉛試驗,並且利用諧波小波包分析瞭聲發射信號在各個頻帶上的衰減特性。
②研究瞭基於經驗模式分解和小波閾值去噪相結閤的聲發射信號去噪算法。在分析瞭經驗模式分解去噪和小波閾值去噪優缺點的基礎上,將二者結閤,提齣瞭IMF-Wavelet去噪方法,EMD-Wavelet去噪方法和Wavelet-EMD去噪方法,實驗結果錶明,相比於經驗模式分解和小波閾值方法,EMD-Wavelet和Wavelet-EMD方法對於聲發射信號去噪效果在信噪比高和信噪比低的情況下都比較穩定。
③研究瞭基於最小二乘支持嚮量迴歸的聲發射源綫性定位算法和基於多輸齣支持嚮量迴歸的聲發射源平麵定位算法。針對LS-SVM迴歸綫性定位器的參數選擇問題,設計瞭基於小生境粒子群算法的LS-SVM迴歸參數優化選擇方法。利用斷鉛模擬實驗數據對LS-SVM迴歸綫性定位器和M-SVR平麵定位器進行瞭測試,並且與神經網絡定位器的結果進行瞭比較,驗證瞭支持嚮量機定位器在定位精度上的優勢。
④研究瞭基於諧波小波包分解和支持嚮量多分類器的聲發射源類型識彆算法。研究基於特徵類間距離與類內距離的特徵評價方法,給齣特徵評價指標。利用特徵評價指標選擇瞭適閤聲發射源類型特徵提取的諧波小波包分解頻帶。研究基於層次支持嚮量多分類機的聲發射源識彆方法,利用聚類算法來設計多分類器的拓撲結構,利用小生境粒子群算法對多分類機中的各個兩分類機進行模型參數優化。最後利用碳縴維材料壓斷試驗數據,驗證瞭特徵提取及聲發射源類型識彆方法的有效性和實用性,結果錶明,諧波小波包特徵提取方法有效地提取瞭聲發射類型特徵,在計算效率和特徵區分度上均優於傳統小波包特徵提取方法,模型優化後SVM多分類器具有更好的整體性能,有效地解決瞭聲發射源識彆的小樣本問題。
由於作者水平有限,書中不足之處請讀者指正。
於金濤
2017.5.8
《靜默的傾訴:探索物理世界的無形語言》 在我們習以為常的物質世界中,一切似乎都沉寂而穩定。然而,隱藏在日常錶象之下,物體在承受壓力、形變、甚至是內部結構發生微小變化時,會悄無聲息地釋放齣一種獨特而微妙的能量——聲發射。這種能量以電磁波的形式傳播,攜帶瞭關於材料內部狀態、損傷程度和演化過程的寶貴信息。正如一個物體在承受壓力時的“呻吟”,聲發射信號正是物理世界在嚮我們“傾訴”它所經曆的“故事”。 本書旨在揭開聲發射現象的神秘麵紗,深入探索其産生機製、信號特性以及如何通過先進的信號處理技術,將這些微弱的“呢喃”轉化為具有深刻洞察力的知識。我們並非專注於某一種特定的材料或某一種特定的應用,而是緻力於構建一個普適性的認知框架,幫助讀者理解聲發射信號的本質,並掌握分析和解讀這些信號的核心方法。 第一章:聲發射的起源——物理世界的微小震動 在本章中,我們將追溯聲發射現象的根源。從材料力學的基本原理齣發,我們將探討物體在受到外力作用時,內部應力場的變化如何導緻微觀層麵的斷裂、滑移、形變甚至相變。這些微觀事件會瞬間釋放齣能量,形成微小的應力波,並以超聲波的速度在介質中傳播。我們將詳細闡述聲發射産生的幾種典型機製,例如: 微裂紋的萌生與擴展: 在材料內部,微小的缺陷或晶界可能會在應力集中下率先産生微裂紋。這些裂紋的生成、生長和閤並,是聲發射信號最主要的來源之一。我們將分析不同類型的裂紋(如張性裂紋、剪切性裂紋)産生的聲發射信號在能量、頻率和時域上的差異。 位錯的運動與交互: 在金屬等晶體材料中,位錯是引起塑性變形的基本單元。位錯的運動、塞積、攀移以及位錯之間的交互作用,都會産生能量釋放,從而形成聲發射信號。我們將探討位錯運動的動力學過程及其與聲發射信號的關係。 相變與脫粘: 在某些材料中,如陶瓷、復閤材料,內部相變的發生或者界麵處的脫粘,也會伴隨能量的釋放,産生可檢測的聲發射信號。我們將介紹這些非裂紋源聲發射的特點。 我們將不僅僅停留在理論層麵,還會通過實例說明,例如在金屬拉伸實驗中,隨著載荷的增加,會觀察到不同階段的聲發射活動,這些活動與宏觀力學行為緊密關聯。 第二章:聲發射信號的“語言”——波形、頻譜與時域特徵 聲發射信號並非簡單的“聲音”,它是一種復雜的時域波形,包含瞭豐富的時間和頻率信息。在本章,我們將深入剖析聲發射信號的各個維度,教你如何“聽懂”它的“語言”。 時域特徵: 幅值(Amplitude): 這是衡量聲發射事件能量大小的最直觀指標。我們將討論幅值與聲發射源的強度、距離以及傳播路徑的影響。 上升時間和衰減時間(Rise Time and Decay Time): 這些參數反映瞭聲發射信號的瞬態特性,與聲發射源的性質以及傳播介質的阻尼有關。 持續時間(Duration): 信號的持續時間提供瞭聲發射事件發生過程長度的信息。 撞擊數(Hits): 在單位時間內被檢測到的聲發射事件數量,常用來衡量損傷的活躍程度。 能量(Energy): 對信號幅值平方在一段時間內進行積分,可以得到更全麵的能量信息,能更準確地反映事件的強度。 頻域特徵: 頻譜(Spectrum): 通過傅裏葉變換,我們可以將時域信號轉換到頻域,分析信號中包含的頻率成分。不同的聲發射源會産生具有特定頻率分布的信號。例如,微裂紋的擴展可能産生高頻信號,而宏觀斷裂則可能産生更寬的頻帶。 中心頻率(Centroid Frequency)和帶寬(Bandwidth): 這些參數可以幫助我們對聲發射信號進行分類和識彆。 其他重要特徵: 信號的形狀(Waveform Shape): 即使幅值和頻率相近,信號的波形細節也可能因源機製的不同而有所差異。我們將介紹如何通過分析波形形狀來區分不同的損傷模式。 事件的關聯性(Event Correlation): 在多傳感器陣列中,不同傳感器接收到的信號到達時間差(Time of Arrival, TOA)可以用來定位聲發射源。我們將介紹如何利用事件的關聯性來確定損傷的位置。 通過對這些時域和頻域特徵的細緻分析,我們將能夠更準確地識彆和錶徵聲發射事件,為後續的損傷評估奠定基礎。 第三章:數據處理的藝術——從噪聲中提取真相 聲發射信號極其微弱,常常淹沒在各種環境噪聲之中。如何有效地從紛繁復雜的背景中“淘金”,提取齣有價值的聲發射信號,是信號處理的關鍵所在。本章將詳細介紹一係列行之有效的信號處理技術。 濾波技術: 帶通濾波(Bandpass Filtering): 根據聲發射信號的典型頻率範圍,選擇閤適的濾波器,去除低頻的機械振動噪聲和高頻的電磁乾擾。 陷波濾波(Notch Filtering): 用於濾除特定頻率的周期性乾擾,例如電力綫路的工頻乾擾。 自適應濾波(Adaptive Filtering): 能夠根據實時噪聲特性動態調整濾波參數,特彆適用於噪聲環境復雜多變的場景。 閾值檢測(Thresholding): 固定閾值法: 設置一個固定的閾值,隻有當信號幅值超過該閾值時,纔被認為是聲發射事件。我們將討論如何選擇閤適的固定閾值,以平衡漏檢和誤判。 動態閾值法(如RMS閾值): 根據背景噪聲的統計特性動態調整閾值,提高檢測的魯棒性。 降噪方法: 小波去噪(Wavelet Denoising): 利用小波變換的多分辨率特性,將信號分解到不同尺度,分彆處理,能夠有效地去除噪聲同時保留信號細節。 經驗模態分解(Empirical Mode Decomposition, EMD)與集閤經驗模態分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition, EEMD): 這些方法能夠將信號分解為一係列具有不同頻率和振幅的固有模態函數(Intrinsic Mode Functions, IMF),並通過選擇性地重構IMF來去除噪聲。 特徵提取與降維: 主成分分析(Principal Component Analysis, PCA): 用於降低信號的高維特徵空間,提取齣最具代錶性的特徵,減少計算量,同時避免信息損失。 獨立成分分析(Independent Component Analysis, ICA): 旨在從混閤信號中分離齣相互獨立的信號源,在分離混閤的聲發射信號和噪聲方麵具有潛力。 本章強調的是,信號處理並非簡單的“套公式”,而是需要根據具體的聲發射源特性、測量環境以及應用目標,靈活選用和組閤不同的處理技術,以達到最佳的分析效果。 第四章:定位與成像——“聲”臨其境的損傷診斷 僅僅檢測到聲發射信號還不夠,知道“何時何地”發生損傷,對於實際應用至關重要。本章將介紹如何利用聲發射信號的空間信息,實現損傷的精確定位和可視化。 聲發射源定位(Source Localization): 基於到達時間差(Time of Arrival, TOA)的定位: 這是最常用的定位方法。通過在結構上布置多個聲發射傳感器,測量同一聲發射事件到達不同傳感器的精確時間差,並結閤已知材料中的聲波傳播速度,利用幾何學原理(如雙麯綫或球殼交匯)來確定聲發射源的位置。我們將詳細講解不同定位算法的原理和優缺點,如三邊測量法、四邊測量法等。 基於到達時間梯度(Time of Arrival Gradient, TOAG)的定位: 這種方法對傳感器之間的相對時間差更敏感,在某些情況下能提供更高的精度。 基於到達幅度差(Amplitude Difference, AD)的定位: 利用信號在不同傳感器上的幅值衰減差異來輔助定位。 聲發射成像(Acoustic Emission Imaging): 基於傳感器陣列的逆散射成像(Inverse Scattering Imaging): 類似於醫學成像技術,通過分析大量聲發射信號在空間上的傳播和衍射信息,反演齣損傷區域的分布情況。 聲發射掃描(Acoustic Emission Scanning): 將傳感器沿特定路徑移動,對區域內的聲發射活動進行掃描,繪製齣損傷的“熱點圖”。 損傷區域的可視化: 我們將討論如何將定位或成像結果,以直觀的圖像形式呈現,例如在結構的二維或三維模型上標記齣損傷的位置和嚴重程度。 通過這些定位和成像技術,聲發射檢測不再僅僅是“聽到”異常,而是能夠“看到”損傷的真實輪廓,為結構健康監測和壽命評估提供直接的依據。 第五章:從數據到智慧——模式識彆與損傷評估 聲發射信號的豐富信息,為我們提供瞭認識材料損傷演化的“窗口”。本章將聚焦於如何從海量數據中提取有意義的模式,並將其轉化為對損傷狀態的評估和預測。 模式識彆技術: 基於統計特徵的分類: 利用聲發射信號的時域和頻域特徵(如幅值、持續時間、能量、中心頻率等)作為輸入,訓練分類器(如支持嚮量機SVM、K近鄰KNN、決策樹等),將不同的聲發射事件(如裂紋擴展、材料屈服、孔洞形成)進行分類。 基於神經網絡的分類: 深度學習技術,如捲積神經網絡(CNN)和循環神經網絡(RNN),在處理復雜的聲發射信號時展現齣強大的能力,能夠自動學習更深層次的特徵,提高分類精度。 聚類分析(Clustering Analysis): 無監督學習方法,能夠自動將具有相似特性的聲發射事件歸為一類,有助於發現新的損傷模式或異常行為。 損傷演化分析: 損傷纍積模型: 分析單位時間內聲發射事件的數量、能量以及不同損傷模式的比例,構建損傷纍積模型,預測材料損傷的進展速度。 損傷閾值與臨界損傷: 確定與結構失效相關的聲發射信號特徵閾值,提前預警潛在的失效風險。 裂紋尖端斷裂韌性評估: 某些特定的聲發射信號特徵與材料的斷裂韌性存在關聯,可以通過分析這些特徵來評估材料的抗裂紋擴展能力。 人工智能在聲發射中的應用: 機器學習輔助診斷: 利用大量的曆史聲發射數據,訓練智能模型,能夠自動識彆異常信號,診斷損傷類型,甚至預測剩餘壽命。 深度學習驅動的特徵提取: 減少人工特徵工程的需求,讓模型自主學習最優的信號錶徵。 本章的重點在於,將聲發射信號處理的成果,轉化為可操作的信息,為結構健康監測、故障診斷和剩餘壽命預測提供科學依據,最終實現主動式的風險管理和維護。 結語:傾聽物理世界的細語,洞察萬物的內在律動 《靜默的傾訴:探索物理世界的無形語言》並非一本枯燥的教科書,它是一次思維的探險,一次對我們習以為常的物理世界進行深度“聆聽”的旅程。通過掌握聲發射信號處理的核心技術,你將能夠解鎖一種全新的感知世界的方式。從材料的微觀裂紋到宏觀結構的健康狀況,聲發射信號都在默默地講述著屬於它們的“故事”。本書旨在賦予你解讀這些故事的能力,讓你能夠洞察那些肉眼無法看見、普通聽覺無法捕捉的物理世界的內在律動。無論你是材料科學傢、工程師、還是對物理世界充滿好奇的探索者,相信本書都能為你打開一扇通往更深層次認知的大門。