第5期 张卫冬等：基于声发射信号的铝合金材料损伤表征识别 ,627· 对多台报废压力容器进行超压试验的声发射检测和 撞击(Hit)和撞击计数(Hits):撞击是指通过门 对500多台压力容器现场声发射检验数据的分析， 槛值并导致一个系统通道累计数据的任一声发射信 给出了现场压力容器检验可能遇到的多种声发射源 号：对撞击个数进行计数，称为撞击计数 的特性.Chiementin等！利用声发射技术研究了 振铃计数：振铃计数是指振铃脉冲越过门槛值 轴承故障诊断问题，证明了自适应噪声消除方法 的次数，某一特定时间内总的振铃计数称为振铃总 对识别轴承缺陷声发射信号有着重要意义.Roberts 计数，单位时间内振铃计数叫做振铃计数率 等同利用声发射传感器监测焊接钢材料裂纹扩展 能量计数：声发射信号的幅度平方后进行包络 过程，并统计解释了声发射计数率与裂纹扩展速率 检波，用包络所包围的面积就可以度量信号所包含 的关系.Leone等)运用人工神经网络方法处理声 能量的相对值，可分为总能量和能量率，能量的计 发射信号，预测复合材料的剩余强度，并成功检测 算可表示为： 到复合材料预制疲劳裂纹的位置.但是，目前对高 能量= 速列车齿轮箱体材料裂纹扩展全过程的声发射信号 ∑[（超过门橙值的点的幅值÷增益）2-阙值引. 分析较少，而且用人工智能方法对材料进行表征的 研究也并不多见 1.2试验系统 本文以高速列车齿轮箱体高强度铝合金材料 声发射检测拉伸试验系统包括材料拉伸试验 为研究对象，这种材料是在铸造铝合金A356基础 机、声发射仪和工作站.将声发射仪探头固定在试 上改进工艺，达到足够的刚度、强度、塑性及优良的 验材料上，材料拉伸试验机工作时，同步触发声发 疲劳性能，并且具有铸造性能良好、缩松倾向小的 射仪记录信号，通过工作站调整声发射仪参数并存 优点，以保证齿轮箱体的致密性和均一性，能够替 储声发射信号参数.图1为实际的声发射检测拉伸 代铸钢材料.通过搭建声发射检测拉伸试验系统， 试验系统.为了避免夹头与试样之间在加载初期滑 利用声发射技术检测齿轮箱体铝合金材料在静载拉 移而产生的噪音，没有采用夹头式加载方法，而将 伸状态下直至断裂的声发射信号，通过BP神经网 试样通过穿孔固定来减少二者之间的相对滑移.环 络算法对声发射信号所得数据进行学习，对材料在 境噪声与材料声发射信号强度不在一个分贝水平， 静载拉伸状态下各阶段（弹性、屈服、塑性和断裂） 可以通过设定阈值直接由声发射仪滤掉环境噪音 损伤过程进行表征识别，实现材料损伤状态的安全 预警.研究结果为铝合金材料损伤的无损实时表征 识别提供了方法 1声发射检测拉伸试验系统 1.1声发射技术 声发射（acoustic emission,AE)是材料中局域 源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象，也称为应 力波发射8例.声发射源即材料中直接与变形和断裂 机制有关的弹性波发射源，其实质是指声发射的物 理源点或发生声发射的机制源 声发射信号常用的分析方法为两大类：一类是 参数分析方法，利用对波形特征整理得到的声发射 参数来进行分析：另一类是波形分析法，对接收到 的声发射波形进行时频分析，从而得到对声发射波 形的处理②，由于声发射原始波形的获得存在很大 的困难，声发射波形分析技术应用受到限制，使声 图1声发射检测拉伸试验系统 发射参数分析方法在声发射号处理中一直处于主导 Fig.1 Acoustic emission and tensile test system 地位.声发射信号参数分析方法主要是基于时域分 析而言的，主要方法有基本表征参数分析、统计特 试验中，采用的高速列车齿轮箱体材料为铸造 征参量分析及相关分析9-10. 铝合金A356,从齿轮箱体材料截取三个试验件，试 本文主要使用的声发射参数如下 样尺寸参数如图2所示第 期 张卫冬等 基于声发射信号的铝合金材料损伤表征识别 对多台报废压力容器进行超压试验的声发射检测和 对 多台压力容器现场声发射检验数据的分析 , 给出了现场压力容器检验可能遇到的多种声发射源 的特性 、等 同 利用声发射技术研究了 轴承 故障诊 断问题 , 证 明了 自适应噪声消除方法 对识别轴承缺 陷声发射信号有着重要意义 等 同 利用声发射传感器监测焊接钢材料裂纹扩展 过程 , 并统计解释 了声发射计数率与裂纹扩展速率 的关系 等 运用人工神经 网络方法处理声 发射信号, 预测复合材料 的剩余强度, 并成功检测 到复合材料预制疲劳裂纹 的位置 但是 , 目前对高 速列车齿轮箱体材料裂纹扩展全过程的声发射信号 分析较少, 而且用人工智能方法对材料进行表征 的 研究也并不多见 本文 以高速 列车齿 轮箱体高强度铝合金材料 为研究对象, 这种材料是在铸造铝合金 基础 上改进工艺, 达到足够的刚度 、强度 、塑性及优 良的 疲劳性能 , 并且具有铸造性能 良好 、缩松倾 向小的 优点, 以保证齿轮箱体 的致密性和均一性, 能够替 代铸钢材料 通过搭建声发射检测拉伸试验系统, 利用声发射技术检测齿轮箱体铝合金材料在静载拉 伸状态下直至断裂的声发射信号, 通过 神经网 络算法对声发射信号所得数据进行学习, 对材料在 静载拉伸状态下各阶段 弹性 、屈服 、塑性和断裂 损伤过程进行表征识别, 实现材料损伤状态的安全 预警 研究结果为铝合金材料损伤 的无损 实时表征 识别提供了方法 声发射检测拉伸试验系统 声发射技术 声发射 , 是材料 中局域 源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象 , 也称为应 力波发射 声发射源 即材料中直接与变形和断裂 机制有关的弹性波发射源 , 其实质是指声发射 的物 理源点或发生声发射的机制源 声发射信号常用的分析方法为两大类 一类是 参数分析方法, 利用对波形特征整理得到的声发射 参数来进行分析 另一类 是波形分析法 , 对接收到 的声发射波形进行时频分析, 从而得到对声发射波 形的处理 由于声发射原始波形的获得存在很大 的困难 , 声发射波形分析技术应用受到限制, 使声 发射参数分析方法在声发射号处理中一直处于主导 地位 声发射信号参数分析方法主要是基于时域分 析而言的, 主要方法有基本表征参数分析 、统计特 征参量分析及相关分析 ”一'。 本文主要使用 的声发射参数如下 撞击 和撞击计数 撞击是指通过门 槛值并导致一个系统通道累计数据的任一声发射信 号 对撞击个数进行计数 , 称为撞击计数 振铃计数 振铃计数是指振铃脉冲越过 门槛值 的次数, 某一特定时间内总的振铃计数称为振铃总 计数 , 单位时间内振铃计数叫做振铃计数率 能量计数 声发射信号的幅度平方后进行包络 检波 , 用包络所包 围的面积就可 以度量信号所包含 能量的相对值 , 可分为总能量和能量率 , 能量的计 算可表示 为 能量 又超过「〕槛值的点的幅值、增益一`值 试验系统 声发射检测 拉伸试 验系统包括材料拉伸试验 机 、 声发射仪和工作站 将 声发射仪探头固定在试 验材料上 , 材料拉伸试验机工作时, 同步触 发声发 射仪记录信号 , 通过工作站调整声发射仪参数并存 储声发射信号参数 图 为实际的声发射检测拉伸 试验系统 为了避免夹头与试样之间在加载初期滑 移而产生 的噪音 , 没有采用夹头式加载方法 , 而将 试样通过 穿孔固定来减少二者之 间的相对滑移 环 境噪声与材料声发射信号强度不在一个分 贝水平, 可以通过设定阑值直接 由声发射仪滤掉环境噪音 图 声发射检测拉伸试验系统 试验中, 采用的高速列车齿轮箱体材料为铸造 铝合金 , 从齿轮箱体材料截取三个试验件, 试 样尺寸参数如 图 所示