一种使用声发射信号能量特征值预测脆性材料临界失稳的方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种使用声发射信号能量特征值预测脆性材料临界失稳的方法，属于 材料损伤检测技术领域。
【背景技术】
[0002] 声发射技术可W实时的监测材料的破坏过程，尽管很多学者在脆性材料的声发 射检测方面做了大量工作，但是该些研究主要集中在参数（幅值、事件数、振铃数、能量等） 分析方法上。参数分析法对于研究裂纹扩展量、材料损伤度方面有重要意义，但该方法很难 判断材料的临界失稳状态。
[0003] 声发射信号具有瞬态性和随机性，包含不同频率和模式的成分。将采集到的声发 射信号经过快速傅里叶（FFT)变换能够得到信号的频谱图，对研究脆性材料的破坏过程具 有重要意义。但FFT在变换时丢掉了时间信息，该在处理非稳态声发射信号时明显不足并 且很难定量、全面的分析信号特征。小波变换可W将单一的时域信息变换为时间-频率域 信息，并且可W将信号进行多尺度分解，在定量声发射检测方面正在扮演重要作用。脆性材 料在临界失稳破坏阶段，主要W长裂纹的扩展及汇合为主，而有学者证实了脆性材料破坏 过程中裂纹源的尺度与声发射信号的频率成相反的关系。利用该结论和声发射特征参数可 W更有效的判断裂纹的危险程度，并预测脆性材料的临界失稳状态。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是克服已有技术存在的不足，提出一种使用声发射信号能量特征值 预测脆性材料临界失稳的方法。
[0005] 本发明的目的是通过W下技术方案实现的。
[0006] 本发明提出的一种使用声发射信号能量特征值预测脆性材料临界失稳的方法，其 特征在于；其具体操作步骤为：
[0007] 步骤一、在待监测脆性材料上安装声发射传感器，用于实时采集待监测脆性材料 上的声发射信号。
[000引所述脆性材料为陶瓷类材料、岩石和混凝±。所述陶瓷类材料包括氧化侣陶瓷、氧 化错陶瓷、氮化侣陶瓷、碳化棚陶瓷、碳化娃陶瓷和棚化铁陶瓷。
[0009] 步骤二、根据步骤一采集到的声发射信号的波形特征，选取小波基。
[0010] 步骤=、使用步骤二选取的小波基，对步骤一采集到的声发射信号进行1级小波 包分解，声发射信号被分解成低频段信号和高频段信号；其中，低频段信号的频率范围为
fmay为所述声发射信号的最大频 率。
[0011] 步骤四、分别计算低频段信号和高频段信号的能量特征值，分别用符号Pi和P2表 示；具体步骤为：
[0012]步骤4. 1;用公式（1)表示低频段信号的小波包分解系数；用公式将（2)表示高频 段信号的小波包分解系数。
[001 引Sin= lxi，n，n= l，2，...，i/W (1)
[0014] 其中，Si。表示低频段信号的小波包分解系数集合；X 1,。表示低频段信号的小波包 分解的各个系数；i表示声发射信号的采样点数。
[0015] S2n=lx2，n,n=1，2,. ..，i/2} (2)
[0016] 其中，S2n表示高频段信号的小波包分解系数集合；X2,n表示高频段信号的小波包 分解的各个系数。
[0017] 步骤4. 2;用公式（3)表示低频段信号的能量，用符号El表示；用公式将（4)表示 高频段信号的能量，用符号E2表示。
[001 引
[0020] 步骤4. 3;通过公式（5)得到低频段信号的能量特征值Pi;通过公式（6)得到高频 段信号的能量特征值P2。
[0021]Pi= 100* 巧1巧1+E2)) (5)
[002引 口2= 100* 巧 2 巧1 巧2)) 化）
[0023] 步骤五、在步骤四的操作基础上，绘制低频段信号的能量特征值Pi的统计图和高 频段信号的能量特征值P2的统计图。低频段信号的能量特征值Pi的统计图的横坐标为声 发射信号的序号；纵坐标为对应声发射信号的低频段信号的信能量特征值Pi;高频段信号 的能量特征值P2的统计图的横坐标为声发射信号的序号；纵坐标为对应声发射信号的高频 段信号的信能量特征值P2。
[0024]步骤六、根据低频段信号的能量特征值Pi的统计图和高频段信号的能量特征值P2 的统计图中，Pi和P2的变化状态判断所述待监测脆性材料是否处于临界失稳状态。
[0025] 判断所述待监测脆性材料处于临界失稳状态的具体方法为；当某一声发射信号 (用符号N表示）之后连续a个声发射信号中b%的声发射信号的低频段信号的能量特征 值，大于该声发射之前所有声发射信号中b%的声发射信号的低频段能量特征值；并且，该 声发射信号之后连续a个声发射信号中b%的声发射信号的高频段信号的能量特征值，小 于该声发射之前所有声发射信号中b%的声发射信号的高频段能量特征值，则判断声发射 信号N之后的声发射信号频率降低；a>50，bG[50,100]。由于脆性材料破坏过程中裂纹 源的尺度与声发射信号的频率成反比，因此判断待监测脆性材料处于临界失稳状态，即待 监测脆性材料内的长裂纹处于快速扩展汇合阶段。
[0026] 有益效果
[0027] 本发明提出的一种使用声发射信号能量特征值预测脆性材料临界失稳的方法与 已有技术相比较，克服了声发射参数分析法和快速傅里叶变换分析法的不足，通过对材料 的破坏过程进行实时的监测，可w直观地判断裂纹扩展前的危险程度，预测材料的临界失 稳状态。
【附图说明】
[002引图1为本发明【具体实施方式】中化3小波基函数图；
[0029] 图2为本发明【具体实施方式】中低频段信号的能量特征值Pi的统计图；
[0030] 图3为本发明【具体实施方式】中高频段信号的能量特征值P2的统计图。
【具体实施方式】
[0031] 下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步说明。
[0032] 本实施例中，待监测脆性材料为Al2〇3陶瓷，对A1 2〇3陶瓷进行压缩破坏实验。
[0033] 使用本发明提出的使用声发射信号能量特征值预测脆性材料临界失稳的方法对 Al2〇3陶瓷监测，判断其处于临界失稳状态的过程为：
[0034] 步骤一、在待监测脆性材料上安装声发射传感器，用于实时采集待监测脆性材料 上的声发射信号。
[0035] 步骤二、根据步骤一采集到的声发射信号的波形特征，选取化3小波基，化3小波 基函数图如图1所示。
[0036] 步骤=、使用步骤二选取的小波基，对步骤一采集到的声发射信号进行1级小波 包分解，声发射信号被分解成低