聲發(fā)射檢測及信號處理

前言

聲發(fā)射（acotlstic emission，AE）技術(shù)作為無損檢測的一門新技術(shù)，其應(yīng)用與發(fā)展已走過了近60年的歷程。GB／T 12604.4-2005／ISO12716：2001《無損檢測術(shù)語聲發(fā)射檢測》中，聲發(fā)射被定義為材料中局域源能量快速釋放而產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象。在與聲發(fā)射有關(guān)的文獻中使用的術(shù)語還有應(yīng)力波發(fā)射（stress wave emission）和微振動活動（mi-croseismic：activity）等。定義表明：聲發(fā)射波是一種彈性波，具有一定的能量；這種彈性波從時域角度看，波形具有瞬時信號的特征；它從有到無是個變化的過程，信號由零達到最大值之后，逐漸消失，但是這個過程的速度很快；信號幅值的大小和變化的快慢、波形的幾何形貌特征等不僅與材料的性質(zhì)有關(guān)，還與材料局部區(qū)域的物理形態(tài)、性質(zhì)等有關(guān)。目前，有關(guān)聲學(xué)檢測的相關(guān)資料所論述的聲振動過程的測量技術(shù)，歸納起來都是由已知聲源或振動結(jié)構(gòu)求解其聲場的過程。依據(jù)系統(tǒng)科學(xué)的觀點，把已知聲源的結(jié)構(gòu)特征作為系統(tǒng)的輸入，把檢測得到的聲發(fā)射參數(shù)作為系統(tǒng)的輸出，在聲學(xué)領(lǐng)域?qū)⑦@種由已知聲源特征求解聲場的過程稱為數(shù)學(xué)物理過程的正問題，而把由測取聲場數(shù)據(jù)反演計算出其聲源特性的過程稱為數(shù)學(xué)物理過程中的逆問題，又稱為反問題。聲發(fā)射檢測借助于聲發(fā)射傳感器、中間處理環(huán)節(jié)和信號處理分析技術(shù)，實現(xiàn)聲發(fā)射源的定位、判斷，屬于聲學(xué)工程中的逆問題范疇。從接收到的聲發(fā)射彈性波來反推原始波是十分困難的。因為，要獲得反問題的準(zhǔn)確可靠的解，需要在可能條件下，首先必須精確測得聲發(fā)射波，即在物理上聲發(fā)射檢測系統(tǒng)測取得到的必須是不失真的聲發(fā)射信號；其次，在數(shù)學(xué)上更為復(fù)雜，求取準(zhǔn)確可靠的解往往涉及非線性問題，且計算量很大；再次，當(dāng)采用數(shù)值方法計算時，還可能出現(xiàn)數(shù)值解的不穩(wěn)定和不唯一問題。但計算科學(xué)及信號處理技術(shù)的快速發(fā)展，高速計算機或?qū)Ｓ眯盘柼幚碓O(shè)備如DSP（digital singnal processor。）的出現(xiàn)，高性能、寬頻帶聲發(fā)射傳感器及測量技術(shù)的發(fā)展，為聲學(xué)工程中逆問題的研究及應(yīng)用提供了良好的條件，使得聲發(fā)射技術(shù)在工程中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

內(nèi)容概要

本書主要介紹了聲發(fā)射波檢測的物理基礎(chǔ)，聲發(fā)射信號的時域、時差域、頻域分析方法，聲發(fā)射信號不失真檢測的條件，聲發(fā)射信號的數(shù)字處理方法如自適應(yīng)濾波、貝塞爾濾波、模糊診斷、多傳感器數(shù)據(jù)融合、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和小波分析等；著重介紹了滾動軸承故障的聲發(fā)射檢測系統(tǒng)及故障信號的檢測分析方法；簡要介紹了聲發(fā)射檢測在機械加工中的應(yīng)用。    本書可作為高等院校機械學(xué)、材料學(xué)、計量學(xué)等相關(guān)專業(yè)研究生、本科生的教學(xué)參考書，也可作為從事聲發(fā)射檢測工作的工程技術(shù)人員的參考書。

書籍目錄

前言第1章  概述  1.1  聲發(fā)射現(xiàn)象  1.2  聲發(fā)射技術(shù)  1.3  金屬材料的聲發(fā)射機理    1.3.1  金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)    1.3.2  金屬材料的變形    1.3.3  金屬材料的聲發(fā)射源  1.4  聲發(fā)射技術(shù)的特點與發(fā)展    1.4.1  Kaiser效應(yīng)    1.4.2  Felicity效應(yīng)    1.4.3  聲發(fā)射技術(shù)的特點    1.4.4  聲發(fā)射技術(shù)的發(fā)展    1.4.5  聲發(fā)射檢測在機械構(gòu)件中的應(yīng)用第2章聲發(fā)射信號傳播及波形分析  2.1  聲波檢測物理基礎(chǔ)    2.1.1  聲波    2.1.2  聲發(fā)射波    2.1.3  聲發(fā)射波的傳播模式    2.1.4  聲波的幾何描述    2.1.5  波動方程  2.2  聲發(fā)射信號的時域分析    2.2.1  概述    2.2.2  信號時域特征參數(shù)  2.3  聲發(fā)射信號的相關(guān)分析    2.3.1  相關(guān)    2.3.2  自相關(guān)函數(shù)    2.3.3  互相關(guān)函數(shù)  2.4  聲發(fā)射信號的頻域分析    2.4.1  傅里葉級數(shù)和頻譜圖    2.4.2  傅里葉變換和頻譜密度  2.5  信號傳輸理論基礎(chǔ)第3章聲  發(fā)射信號的不失真檢測  3.1  概述    3.1.1  聲發(fā)射檢測系統(tǒng)的基本要求    3.1.2  線性系統(tǒng)及其主要性質(zhì)  3.2  檢測系統(tǒng)的靜態(tài)特性    3.2.1  檢測系統(tǒng)的誤差    3.2.2  檢測系統(tǒng)的靜態(tài)特性參數(shù)  3.3  檢測系統(tǒng)的動態(tài)特性    3.3.1  傳遞函數(shù)    3.3.2  頻率特性    3.3.3  瞬態(tài)響應(yīng)    3.3.4  實現(xiàn)不失真檢測的條件    3.3.5  聲發(fā)射傳感器的頻率響應(yīng)    3.3.6  負(fù)載效應(yīng)第4章  聲發(fā)射信號處理  4.1  概述  4.2  聲發(fā)射信號數(shù)字處理基礎(chǔ)    4.2.1  信號的數(shù)字化    4.2.2  DFT    4.2.3  數(shù)字式分析處理中的若干問題    4.2.4  FFT  4.3  濾波器    4.3.1  濾波的基本原理    4.3.2  自適應(yīng)濾波器    4.3.3  貝塞爾濾波器  4.4  模糊診斷    4.4.1  模糊性    4.4.2  模糊集和隸屬函數(shù)    4.4.3  模糊關(guān)系矩陣    4.4.4  常用的隸屬函數(shù)  4.5  基于參數(shù)估計的聲發(fā)射源多傳感器數(shù)據(jù)融合  4.6  神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)  4.7  小波分析第5章  聲發(fā)射檢測系統(tǒng)  5.1  聲發(fā)射傳感器    5.1.1  壓電式聲發(fā)射傳感器    5.1.2  電容式聲發(fā)射傳感器    5.1.3  其他傳感器    5.1.4  傳感器等效電路  5.2  聲發(fā)射信號的調(diào)理  5.3  基于虛擬儀器的聲發(fā)射檢測系統(tǒng)    5.3.1  虛擬儀器的基本構(gòu)成    5.3.2  虛擬儀器的分類    5.3.3  虛擬儀器的應(yīng)用程序    5.3.4  LabVIEW中的信號分析與處理工具箱    5.3.5  PCI-2聲發(fā)射檢測系統(tǒng)簡介第6章  滾動軸承故障聲發(fā)射檢測  6.1  國外滾動軸承的聲發(fā)射檢測應(yīng)用  6.2  滾動軸承的故障形式  6.3  滾動軸承的聲發(fā)射檢測理論基礎(chǔ)    6.3.1  Hertz接觸應(yīng)力理論    6.3.2  疲勞與接觸應(yīng)力  6.4  滾動軸承聲發(fā)射信號產(chǎn)生機理    6.4.1  軸承聲發(fā)射信號的產(chǎn)生    6.4.2  軸承的摩擦、磨損機理    6.4.3  貨車輪對軸承內(nèi)圈松動的聲發(fā)射  6.5  聲發(fā)射技術(shù)在滾動軸承故障檢測中的應(yīng)用    6.5.1  軸承故障檢測方法簡介    6.5.2  軸承故障檢測的基本環(huán)節(jié)    6.5.3  滾動軸承故障的聲發(fā)射檢測  6.6  滾動軸承聲發(fā)射信號處理    6.6.1  基本表征參數(shù)分析    6.6.2  統(tǒng)計特征參量分析    6.6.3  軸承故障特征頻率    6.6.4  小波能量法    6.6.5  神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聲發(fā)射信號處理第7章  聲發(fā)射檢測在機械加工中的應(yīng)用  7.1  銑削中的聲發(fā)射檢測    7.1.1  銑削中的聲發(fā)射    7.1.2  銑削中聲發(fā)射的數(shù)據(jù)處理    7.1.3  切屑形成中的聲發(fā)射    7.1.4  結(jié)論  7.2  聲發(fā)射檢測技術(shù)在磨削加工中的應(yīng)用    7.2.1  概述    7.2.2  聲發(fā)射在研磨中的特性    7.2.3  磨削監(jiān)控中的聲發(fā)射特性    7.2.4  研磨中的聲發(fā)射技術(shù)    7.2.5  接觸檢測    7.2.6  修整監(jiān)測    7.2.7  結(jié)論  7.3  聲發(fā)射在數(shù)控機床中的應(yīng)用參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：材料受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形或斷裂，以彈性波形式釋放出應(yīng)力一應(yīng)變的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射，又稱為應(yīng)力波發(fā)射、應(yīng)力波微振動等。  聲發(fā)射是一種常見的物理現(xiàn)象，如果釋放的應(yīng)變能足夠大，就可產(chǎn)生人耳聽得見的聲音。據(jù)我國史料記載，公元前1000年左右的周朝，周幽王的寵妃褒姒愛聽撕裂絹的聲音，于是周幽王下令每日進絹百匹，由專人負(fù)責(zé)撕絹以取悅愛妃，可以認(rèn)為，絹的斷裂聲是我國最早的有關(guān)聲發(fā)射的記載。無獨有偶，我國四大名著之一的《紅樓夢》也有聲發(fā)射的相關(guān)內(nèi)容，晴雯與賈寶玉吵架，氣得把手中扇子撕得粉碎，，寶玉見此情景說，“你若喜歡聽扇子裂損的聲音，那你就撕扇子聽好了”。絹和扇子的材料不同，在力的作用下斷裂過程中產(chǎn)生的應(yīng)力一應(yīng)變能已足夠大，其聲響可達到激勵人耳、取悅于人的程度。上述非金屬材料的聲發(fā)射的頻率應(yīng)屬音頻的范疇。聲發(fā)射和微振動是自然界中隨時發(fā)生的自然現(xiàn)象，如樹枝折斷產(chǎn)生的咔嚓聲響、骨頭折斷的聲音以及巖石的破碎聲無疑都是人耳能聽到的聲發(fā)射信號。錫鳴聲是人們首次聽到的金屬材料的聲發(fā)射現(xiàn)象。公元前3700年人類冶煉出純錫，純錫在塑性變形期間機械欒晶產(chǎn)生可聽得到的聲發(fā)射，因此，可以認(rèn)為錫鳴是人類最早觀察到的金屬中的聲發(fā)射現(xiàn)象。20世紀(jì)50年代初，德國人Kaiser觀察到銅、鋅、鋁、錫、黃銅、鑄鐵和純金屬或合金在變形過程中都有聲發(fā)射現(xiàn)象。近年來的研究表明，大多數(shù)金屬材料塑性變形和斷裂時均產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象。材料在應(yīng)力作用下的變形與裂紋擴展是結(jié)構(gòu)失效的重要機制，這種直接與變形和斷裂機制有關(guān)的源通常被稱為典型的聲發(fā)射源。將流體泄露、摩擦、撞擊、燃燒等與變形、斷裂機制無直接關(guān)系的另一類彈性波稱為其他聲發(fā)射源或二次聲發(fā)射源。在材料加工、處理和使用過程中，有許多因素能引起內(nèi)應(yīng)力的變化，從而產(chǎn)生聲發(fā)射信號，從發(fā)射源發(fā)射的彈性波最終傳播到材料的表面。例如，在機械加工制造及金屬切削加工過程中，工件的斷裂、工件與刀具的摩擦、切屑的變形、切削刀具的破損和工件的塑性變形等，這些豐富的聲發(fā)射信號都會以彈性波的形式最終傳播到加工系統(tǒng)的特定表面。

編輯推薦

《聲發(fā)射檢測及信號處理》由科學(xué)出版社出版。

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