CN108760890B - 一种使用信号能谱系数监测脆性材料损伤演化过程的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种使用信号能谱系数监测脆性材料损伤演化过程的方法，属于材料损伤检测技术领域。其步骤为：①在待监测脆性材料上布置声发射传感器，采集声发射信号；②根据声发射信号的波形特征选取小波基；③对声发射信号进行2级小波包分解，分解成AA2，DA2，AD2和DD24个频段信号；④计算AA2频段信号的能谱系数P1；⑤以20个声发射信号为滑动窗口，按采集次序依次选取20个声发射信号为一个窗口，计算每个窗口中P1的平均值，并绘制P1随窗口数的分布图；⑥根据P1的变化状态监测所述待监测脆性材料损伤演化过程。本发明提出的方法可以定量获取材料内部细观结构变化的物理信息，实时监测脆性材料损伤演化过程。

Description

一种使用信号能谱系数监测脆性材料损伤演化过程的方法
技术领域
本发明涉及一种使用信号能谱系数监测脆性材料损伤演化过程的方法，属于材料损伤检测技术领域。
背景技术
脆性材料中往往存在着大量弥散的初始微裂纹，微裂纹损伤是脆性材料破坏的显著特征。微裂纹的萌生、扩展和汇合将导致材料逐渐劣化直至最终的破坏失效。材料的变形与破坏是一种能量耗散的不可逆过程，能量变化贯穿于材料变形破坏的整个过程。脆性材料中裂纹在萌生和扩展演化时，局部源快速释放能量产生瞬态弹性波，即声发射现象，声发射也称为应力波发射。声发射技术作为一种物理检测方法可以实时获取材料内部细观结构变化的物理信息。因此，声发射技术在脆性材料损伤检测领域具有广阔的应用前景。
不同的损伤模式对应的声发射信号具有不同的频率特征。声发射信号的小波包特征能谱系数能够有效地表征声发射信号的频率信息，在定量声发射分析方面扮演着重要作用。已有学者证实脆性材料损伤破坏过程中裂纹源的尺度与声发射信号的频率成反相关的关系。因此，基于声发射信号的能谱系数可以有效地判断裂纹的长度及危险程度，并监测脆性材料损伤演化过程。
发明内容
本发明的目的是提供一种使用信号能谱系数监测脆性材料损伤演化过程的方法，该方法可以定量获取材料内部细观结构变化的物理信息，实时监测脆性材料损伤演化过程。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种使用信号能谱系数监测脆性材料损伤演化过程的方法，具体操作步骤为：
步骤一、在待监测脆性材料上布置声发射传感器，用于实时采集待监测脆性材料损伤破坏产生的声发射信号。
所述脆性材料为陶瓷类材料、岩石和混凝土。
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。
步骤三、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2级小波包分解，声发射信号由低到高被分解成4个频段信号，分别用符号AA2，DA2，AD2和DD2表示；其中，AA2频段信号的频率范围为
Figure BDA0001617525810000021
DA2频段信号的频率范围为
Figure BDA0001617525810000022
AD2频段信号的频率范围为
Figure BDA0001617525810000023
DD2频段信号的频率范围为
Figure BDA0001617525810000024
fmax为所述声发射信号的最大频率。
步骤四、计算AA2频段信号的能谱系数，用符号P1表示；具体步骤为：
步骤4.1：用公式(1)表示AA2频段信号的小波包分解系数；用公式将(2)表示DA2频段信号的小波包分解系数；用公式(3)表示AD2频段信号的小波包分解系数；用公式将(4)表示DD2频段信号的小波包分解系数；
S1n＝{x1,n,n＝1,2,...,i/4} (1)
其中，S1n表示AA2频段信号的小波包分解系数集合；x1,n表示AA2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；
S2n＝{x2,n,n＝1,2,...,i/4} (2)
其中，S2n表示DA2频段信号的小波包分解系数集合；x2,n表示DA2频段信号的小波包分解的各个系数；
S3n＝{x3,n,n＝1,2,...,i/4} (3)
其中，S3n表示AD2频段信号的小波包分解系数集合；x3,n表示AD2频段信号的小波包分解的各个系数；
S4n＝{x4,n,n＝1,2,...,i/4} (4)
其中，S4n表示DD2频段信号的小波包分解系数集合；x4,n表示DD2频段信号的小波包分解的各个系数；
步骤4.2：用公式(5)表示AA2频段信号的能量，用符号E1表示；用公式将(6)表示DA2频段信号的能量，用符号E2表示；用公式(7)表示AD2频段信号的能量，用符号E3表示；用公式将(8)表示DD2频段信号的能量，用符号E4表示；
Figure BDA0001617525810000031
Figure BDA0001617525810000032
Figure BDA0001617525810000033
Figure BDA0001617525810000034
步骤4.3：通过公式(9)得到AA2频段信号的能谱系数P1；
P1＝100*(E1/(E1+E2+E3+E4)) (9)
步骤五、在步骤四的操作基础上，以20个发射信号为滑动窗口，按采集次序依次选取20个声发射信号为一个窗口，计算每个窗口中P1的平均值，并绘制P1随窗口数的分布图，横坐标为窗口的序号；纵坐标为对应窗口中P1的平均值。
步骤六、根据P1随窗口数的分布图中，P1的变化状态监测所述待监测脆性材料损伤演化过程。监测所述待监测脆性材料损伤演化过程的具体方法为：当窗口M之后连续10个窗口中P1的平均值大于该窗口及之前连续10个窗口中P1的平均值，则判断待监测脆性材料在M窗口由裂纹萌生阶段进入裂纹生长阶段；当窗口N，N>M，之后连续10个窗口中P1的平均值大于该窗口及之前连续10个窗口中P1的平均值，则判断待监测脆性材料在N窗口由裂纹生长阶段进入裂纹汇合阶段，裂纹汇合阶段持续到待监测脆性材料最终的破坏失效。
有益效果
本发明提出的一种使用信号能谱系数监测脆性材料损伤演化过程的方法与已有技术相比较，其优点为：可以定量获取材料内部细观结构变化的物理信息，实时监测脆性材料损伤演化过程。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中db3小波基函数图；
图2为本发明具体实施方式中小波包分解流程图；
图3为本发明具体实施方式中P1随窗口数的分布图。
具体实施方式
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。
实施例1
本实施例中，待监测脆性材料为混凝土材料，对混凝土进行三点弯破坏实验。
使用本发明提出的使用信号能谱系数监测脆性材料损伤演化过程的方法监测混凝土损伤演化过程，具体操作步骤为：
步骤一、在待监测脆性材料上布置声发射传感器，用于实时采集待监测脆性材料上的声发射信号。
步骤二、根据步骤一采集到的声发射信号的波形特征，选取db3小波基，db3小波基函数图如图1所示。
步骤三、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2级小波包分解，声发射信号由低到高被分解成AA2，DA2，AD2和DD24个频段信号，小波包分解流程如图2所示。其中，AA2频段信号的频率范围为(0,125)Hz，DA2频段信号的频率范围为(125,250)Hz，AD2频段信号的频率范围为(250,375)Hz，DD2频段信号的频率范围为(375,500)Hz。
步骤四、计算AA2频段信号的能量特征值P1；具体步骤为：
步骤4.1：用公式(1)表示AA2频段信号的小波包分解系数；用公式将(2)表示DA2频段信号的小波包分解系数；用公式(3)表示AD2频段信号的小波包分解系数；用公式将(4)表示DD2频段信号的小波包分解系数公式(1)、公式(2)、公式(3)和公式(4)中的i＝1024。
步骤4.2：用公式(5)表示AA2频段信号的能量E1；用公式将(6)表示DA2频段信号的能量E2；用公式(7)表示AD2频段信号的能量E3；用公式将(8)表示DD2频段信号的能量E4。
步骤4.3：通过公式(9)得到AA2频段信号的能谱系数P1。
步骤五、在步骤四的操作基础上，以20个声发射信号为滑动窗口，按采集次序依次选取20个声发射信号为一个窗口，计算每个窗口中P1的平均值，并绘制P1随窗口数的分布图，横坐标为窗口的序号；纵坐标为对应窗口中P1的平均值；如图3所示。
步骤六、根据P1随窗口数的分布图中，P1的变化状态监测所述待监测脆性材料损伤演化过程。监测所述待监测脆性材料损伤演化过程的具体方法为：当第17个窗口之后连续10个窗口中P1的平均值大于第17个窗口及之前连续10个窗口中P1的平均值，则判断待监测脆性材料在第17个窗口由裂纹萌生阶段进入裂纹生长阶段；当第53个窗口之后连续10个窗口中P1的平均值大于第53个窗口及之前连续10个窗口中P1的平均值，则判断待监测脆性材料在第53个窗口由裂纹生长阶段进入裂纹汇合阶段，裂纹汇合阶段持续到待监测脆性材料最终的破坏失效。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种使用信号能谱系数监测脆性材料损伤演化过程的方法，其特征在于：具体操作步骤为：
步骤一、在待监测脆性材料上布置声发射传感器，用于实时采集待监测脆性材料损伤破坏产生的声发射信号；
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；
步骤三、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2级小波包分解，声发射信号由低到高被分解成4个频段信号，分别用符号AA2，DA2，AD2和DD2表示；其中，AA2频段信号的频率范围为
Figure FDA0001617525800000011
DA2频段信号的频率范围为
Figure FDA0001617525800000012
AD2频段信号的频率范围为
Figure FDA0001617525800000013
DD2频段信号的频率范围为
Figure FDA0001617525800000014
fmax为所述声发射信号的最大频率；
步骤四、计算AA2频段信号的能谱系数，用符号P1表示；具体步骤为：
步骤4.1：用公式(1)表示AA2频段信号的小波包分解系数；用公式将(2)表示DA2频段信号的小波包分解系数；用公式(3)表示AD2频段信号的小波包分解系数；用公式(4)表示DD2频段信号的小波包分解系数；
S1n＝{x1,n,n＝1,2,...,i/4} (1)
其中，S1n表示AA2频段信号的小波包分解系数集合；x1,n表示AA2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；
S2n＝{x2,n,n＝1,2,...,i/4} (2)
其中，S2n表示DA2频段信号的小波包分解系数集合；x2,n表示DA2频段信号的小波包分解的各个系数；
S3n＝{x3,n,n＝1,2,...,i/4} (3)
其中，S3n表示AD2频段信号的小波包分解系数集合；x3,n表示AD2频段信号的小波包分解的各个系数；
S4n＝{x4,n,n＝1,2,...,i/4} (4)
其中，S4n表示DD2频段信号的小波包分解系数集合；x4,n表示DD2频段信号的小波包分解的各个系数；
步骤4.2：用公式(5)表示AA2频段信号的能量，用符号E1表示；用公式将(6)表示DA2频段信号的能量，用符号E2表示；用公式(7)表示AD2频段信号的能量，用符号E3表示；用公式(8)表示DD2频段信号的能量，用符号E4表示；
Figure FDA0001617525800000021
Figure FDA0001617525800000022
Figure FDA0001617525800000023
Figure FDA0001617525800000024
步骤4.3：通过公式(9)得到AA2频段信号的能谱系数P1；
P1＝100*(E1/(E1+E2+E3+E4)) (9)
步骤五、在步骤四的操作基础上，以A个发射信号为滑动窗口，即按采集次序依次选取A个声发射信号为一个窗口，计算每个窗口中P1的平均值，并绘制P1随窗口数的分布图，横坐标为窗口的序号；纵坐标为对应窗口中P1的平均值；
步骤六、根据P1随窗口数的分布图中，P1的变化状态监测所述待监测脆性材料损伤演化过程；监测所述待监测脆性材料损伤演化过程的具体方法为：当窗口M之后连续B个窗口中P1的平均值大于该窗口及之前连续B个窗口中P1的平均值，则判断待监测脆性材料在M窗口由裂纹萌生阶段进入裂纹生长阶段；当窗口N，N>M，之后连续B个窗口中P1的平均值大于该窗口及之前连续B个窗口中P1的平均值，则判断待监测脆性材料在N窗口由裂纹生长阶段进入裂纹汇合阶段，裂纹汇合阶段持续到待监测脆性材料最终的破坏失效。
2.如权利要求1所述的一种使用信号能谱系数监测脆性材料损伤演化过程的方法，其特征在于：所述脆性材料为陶瓷类材料、岩石和混凝土。
3.如权利要求1所述的一种使用信号能谱系数监测脆性材料损伤演化过程的方法，其特征在于：所述A为20；所述B为10。
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