闫风影

（山东省安泰化工压力容器检验中心， 山东 济南 250014）

声发射是材料自身出现损伤时发出的瞬态弹性波，在压力容器检测的方法中，声发射检测技术以其在实时监测上的优势被广泛研究[1,2]。但由于声发射信号在介质中的传播特性还不很清楚，声发射检测容易受到外界噪声的影响，声发射信号的分析方法还不很成熟等因素的影响，声发射检测技术在现场的应用受到很大局限[3,4]。

实际得到的声发射信号是振动在介质中传播过程的反射、透射、波形变换、传感器的谐振等多种因素合成的结果，呈现复杂的波形[5,6]。瞬时频率用以反映不同时刻声发射信号中所蕴含的频率成分，且信号的频率信息不随信号的衰减所变换[7]，可以更加真实地反映出声发射信号在板介质中传播的一些信息。

1 瞬时频率的运用

1.1 瞬时频率的特点

瞬时频率反映了信号频率随时间的变化，与傅里叶变化得到的频域图相比，它可以形象地显示出信号每个时刻对应频率成分，计算公式如下：

式中：θ(t) -信号的瞬时相位；t -信号的传播时间

但是对没有任何限制条件的信号计算其瞬时频率，得到的结果可能并不正确。对于平均值为零、局部对称的信号而言，定义的瞬时频率才具有物理意义[7,8]。所以采用瞬时频率对信号进行分析，首先需要对信号进行预处理，使得到的信号符合上述条件。

1.2 信号的经验模态分解

经验模态分解（EMD）是以信号自身出发，将时域信号按频率尺度分解为一组固有模态函数（imf），根据所分析信号的自身特点，可以自适应地选取特定频带的固有模态函数，得到的固有模态函数需要满足下面两个条件[9,10]：

(1)每个固有模态函数的数据集合中，极值点数之和与零点总数之和必须相等或者相差为1；

(2)选取固有模态函数的局部极大值曲线连接产生上包络，同样选取局部极小值曲线连接构成下包络，要求上下包络的均值为零。

上述两点保证了对固有模态函数进行瞬时频率分析可以得到正确的结论。信号的局部特征保留在各个固有模态函数中，得到的固有模态函数不但具有很好的调制性，而且自适应性良好，具体实现步骤如图1。

2 实验装置

实 验 采 用 的 钢 板 尺 寸 为1 0 0 0 m m×1 0 0 0 m m×9 m m，材质为低碳钢Q245R，具体实验布置如图2所示。钢板正中心（中心○）放置型号为WSA的模拟声发射源激励传感器，中心频率340kHz，接收装置是型号为R15-ARPHA的传感器（右侧7个○），以凡士林为耦合剂。前5个传感器距离分别为2cm，后面传感器间隔均为6cm。

图1 EMD分解流程图

图2 实验布置图

3 采用瞬时频率对声发射信号进行分析

3.1 声发射信号的经验模态分解

声发射信号在传播过程中受到周围环境、介质内部等影响，混入噪声信号，运用经验模态分解对接收到的信号进行预处理，其一可以将信号分解为携带有不同信息、且符合下一步瞬时频率计算需要的固有模态函数，其二可以对信号进行初步的去噪处理。对接收到的声发射信号进行经验模态分解，得到的固有模态函数时域图见图3。

图3 4cm处传感器接收信号的固有模态函数时域图

第一个矩形框中为4cm处传感器接收到的原始声发射信号的时域图，后面七个矩形框中是原始信号的前7个固有模态函数时域图。第一个固有模态函数几乎与原信号相同，包含了原信号的大部分信息。对上述信号进行频域分析，确定后面固有模态函数的具体成分。

图4 4cm处传感器接收信号的固有模态函数频域图

从频域图中可以发现：得到的第一个固有模态函数充分包含了声发射源的信息，频率在340kHz左右，后面固有模态函数频率多分布在低频段，划分为噪声信号，选取第一个固有模态函数继续进行后续瞬时频率的分析。

3.2 声发射信号的瞬时频率分析

选取第一个固有模态函数进行瞬时频率分析，得到的瞬时频率图中主要存在以下两种不同的图形：

图5 声发射信号的imf1瞬时频率图

图5(a)中信号瞬时频率的图像呈现锯齿状，分布比较均匀；图5(b)中信号瞬时频率的图形类似于正弦分布，曲线比较平滑。

对不同位置传感器接收到的声发射信号进行上述分析，发现上述两种瞬时频率图形占据不同的比例，具体如图6。

图6 不同接收位置处声发射信号imf1的瞬时频率图

图6(a)图为8cm处传感器接收到信号进行经验模态分解，得到第一个固有模态函数的瞬时频率图，采样点在315附近以前是图5(a)中锯齿状图形，采样点315附近以后是图5(b)中类正弦图形。图6(b)为26cm处传感器接收到信号的分析，得到的瞬时频率图全部是图5(b)中类正弦图形。进一步将4cm处传感器接收到的声发射信号进行经验模态分解，分别比较第一个固有模态函数的时域图和瞬时频率图，有如下对应关系：

图7 4cm处传感器接收声发射信号imf1的时域图

图8 4cm处传感器接收声发射信号imf1的分段瞬时频率图

通过对比发现，当信号的幅值大约超过0.2V时，瞬时频率图中会呈现图5(a)锯齿状图形，当信号的幅值低于0.2V时，信号的瞬时频率会呈现图5(b)类正弦的图形。

3.3 声发射信号在介质中传播模式的推测

弹性波在介质中可以通过横波、纵波、板波、表面波等几种不同的传播模式传播，在传播过程遇到界面反射，还会存在波形之间的转换。各种不同模式的波以不同的波速、波程和时序在传感器处叠加被接收到。通过上述分析，可以将传感器处接收到波的叠加结果分为两类：一类是瞬时频率波形呈现为图5(a)锯齿状图形，它对应于信号时域分析中幅值超过0.2V的位置；另一类是瞬时频率波形呈现为图5(b)类正弦的图形，它对应于信号时域分析中的幅值低于0.2V的位置。

4 结论

声发射检测技术处于快速发展的阶段，声发射源分析、声发射信号的传播以及声发射信号的处理是目前研究较多的三个方面。经验模态分解是以信号自身出发，将时域信号按频率尺度分解，得到携带原信号部分信息的单分量固有模态函数，固有模态函数的特点也符合信号瞬时频率分析的要求。并根据瞬时频率图和信号时域图的对比发现，不同幅值下，信号的瞬时频率分布呈现不同的图形，并对不同图形的来源做出了大胆的推测。

在此，仅在研究和应用的基础上对声发射信号传播过程进行了有限的分析，希望能有助于该检测技术的研究发展。

◆参考文献

[1] 李伟，李颖，王少凡，等. FRP复合材料容器水压爆破声发射特性分析[J].压力容器，2012，29(5)：15-19.

[2] 戴光，邱枫，张颖，等. 基于风险腐蚀速率的储罐底板腐蚀声发射量化评价方法研究[J].压力容器，2012，29(11)：52-56.

[3] 黄贤武，郑筱霞. 传感器原理与应用[M].成都：电子科技大学出版社，1999.

[4] 李孟源. 声发射检测及信号处理[M].北京：科学出版社，2010.

[5] 耿荣生，沈功田，刘时风. 声发射信号处理和分析技术[J].无损检测，2002，24(1)：23-28.

[6] 何泽云，关卫和，周宗海，等. 在用压力容器声发射评价技术进展[J].压力容器，1992，(3)：29-33.

[7] 陈平，李庆民，赵彤. 瞬时频率估计算法研究进展综述[J].电测与仪表，2006，43(7)：1-7.

[8] Huang W,Shen Z,Huang NE,et al.Engineering analysis of biological variables: an example of blood pressure over 1 day[J].Proceedings of the National Academy of Sciences, 1998,95(9):4816-4821.

[9] 王婷. EMD算法研究及其在信号去噪中的应用[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010.

[10] Li H,Yang L,Huang D.The study of the intermittency test filtering character of Hilbert-Huang transform[J].Mathematics and Computers in Simulation,2005,70(1):22-32.