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    耐火材料聲發射源信號的盲反卷恢復

    發布日期:2023-02-24 10:31    瀏覽次數:

      1引言

    耐火材料是一種多孔、多相的微觀非均質材料,廣泛應用于各類工業窯爐及高溫容器件的內襯結構中,是高溫工業熱工裝備中不可或缺的重要材料,同時是高溫爐襯結構中最薄弱的易損環節之一[1-2] 。

    聲發射(AE)是一種常見的聲學物理現象,是由于材料受到內部或外部作用力時,其內部應力到達極限,導致應變能快速釋放產生瞬態彈性波或應力波現象[3]。作為一種損傷識別方法,主要通過分析聲發射信號的波形和參數來對損傷狀態進行判斷,波形分析主要是通過研究信號的頻域分布,提取反映信號源的動態特征[4];聲發射參數主要有:上升時間、計數、能量、幅值、質心頻率、峰值等,通過對這些參數的分布進行聚類分析來判斷材料損傷情況。

    聲發射信號是聲發射源信號經過媒介傳播后由聲發射傳感器拾取的信號,在傳播過程中會發生波的反射、衰減和失真,導致接收到信號發生波形失真、飽和限幅等;失真的聲發射信號會讓我們誤判聲發射源位置和材料的損傷狀態。文獻[5]在研究混凝土疲勞損傷時定義:RA=上升時間/峰值,AF=計數/持續時間,文獻[6]在研究混凝土聲發射波形影響因素時,發現隨著傳播距離增大,平均頻率變小而上升角變大,說明直接分析聲發射信號不能準確判斷損傷狀態。文獻[7]在研究混凝土聲發射信號失真時,傳播距離增加幾厘米上升角增大(3~4)倍,平均頻率能量會降低 30%。

    目前還沒有辦法直接獲得聲發射源信號,方法大多是對失真的信號進行補償恢復,文獻[8]在研究同軸電纜信號在傳輸過程的衰減時,結合黑箱模型和系統模型利用信號在電纜中傳輸的衰減特性,對電纜的出口信號反補重建入口信號。文獻[9]在研究超聲信號在人體組織中傳播衰減時,建立指數衰減的數學模型,采用頻率抽樣法設計頻率衰減補償濾波器,取得一定效果。為減弱耐火材料聲發射源信號在傳播路徑上的失真,盡可能地恢復真實聲發射源信號,實現對損傷的定量描述,假設聲發射信號的傳播路徑為線性穩定系統,采用斷鉛信號模擬具有沖擊特性的聲發射源信號,用盲目反卷方法對不同傳播距離的斷鉛信號進行分析研究,對不同傳播路徑的沖擊響應進行估計,設計預測濾波器,對耐火材料聲發射信號恢復進行實驗研究。

    2實驗設計

    2.1 實驗裝置及材料

    實驗裝置簡圖,如圖 1 所示。材料表面每隔 60mm 采用0.5mmHB 鉛芯折斷模擬具有沖擊特性的聲發射信號,傳感器為 R15 諧振探頭,共振頻率 150kHz,采樣頻率為 1MHz,聲發射數據與波形采集由聲發射軟件 AEWin 與數據采集系統 PCI-2 完成,由傳感器采集經增益為 40db 前置放大器處理并儲存于數據采集系統中,采集門檻設置為 40db 避免噪聲干擾。傳播路徑為碳鎂質耐火材料,為燒結鎂砂、石墨和樹脂結合劑為原料,通過壓力試驗機壓制成型。

     

    2.2 不同傳播距離的聲發射信號研究
    在圖 1 所示 A、B、C 的位置折斷鉛芯的聲發射信號的時域波形及其頻譜圖,如圖 2 所示。由圖 2 發現,同距離的聲發射信號時域和頻域都有不同,表現為距離近的信號高頻成分較多,距離越遠高頻成分越少,同時低頻段的信號分布也有區別,位置 C 的高頻和低頻成分都較豐富,這是由于其距離聲發射接收器最近,受傳播距離影響最小,因此較接近真實聲發射源信號。
     
     
    3 傳遞通道的盲卷模型
    3.1 耐火材料聲發射信號的卷積模型
    聲發射傳播過程中受到多因素耦合作用結果,這個過程的卷模型可以簡化的表示為傳播路徑示意圖,如圖 3 所示。
     
     
    3.3 階次的判斷
    Burg 方法采用最小化正向和反向兩個誤差的和來預測預測濾波器的系數,假定濾波器階次為 20,分別由各位置信號設計濾波器預測誤差輸出,如圖 5 所示。
     
     
    由上圖可知,階次達到 8 時,預測誤差已經變的很小,可以將濾波器階次選為 8 階。
    3.4 傳播路徑沖擊響應的頻響估計
    盲反卷算法可對聲發射源信號的傳播路徑的沖擊函數進行估計,用盲卷算法的對位置 A、B、C 傳播路徑的沖擊響應函數分別進行估計,如圖 6 所示。
     
     

    由圖 6 發現,由于聲發射源對傳感器接收位置的不同,因此頻響曲線存在差異,這是由于信號在傳播過程中,高頻成分衰減較低頻快的緣故,所以對于距離最遠的位置 A,對信號低頻成分保留的較多,而高頻成分則保留的較少;此外頻響曲線在 150kHz有一個峰值,這是由于聲發射探頭諧振作用的結果,所以 150kHz的頻率成分存在失真。

    4 聲發射信號恢復

    4.1 聲發射信號的盲反卷恢復

    在圖 1 所示 A、B、C 位置折斷鉛芯的聲發射信號經盲卷恢復后時域波形及頻譜,如圖 7 所示。

     

     
     

    由圖 7 發現,經過盲反卷估計后,頻譜在全頻段的分布,尤其是高頻成分得到一定恢復;此外降低了諧振探頭在 150kHz 左右對聲發射信號的共振作用導致的失真。

    4.2 耐火材料聲發射信號的盲反卷恢復

    實驗信號來自耐火材料三點彎曲試驗,用微機控制電子萬能試驗機對材料進行載荷控制加載,加載率 625N/s,用聲發射采集系統對聲發射信號進行采集。采集的聲發射信號及頻譜,如圖8(a)所示。聲發射信號經盲卷恢復后的時域波形及其頻譜,如圖8(b)所示。

    由圖 8 發現,聲發射信號同樣在全頻段得到一定程度恢復,同時削弱了聲發射探頭在 150kHz 對信號的產生共振引起的失真。
     5結論
    聲發射信號是表征材料損傷狀態的重要依據,針對聲發射信號經由傳遞通道過程中的失真問題,設計實驗裝置,采用盲反卷方法對聲發射信號進行了研究,通過盲反卷算法對聲發射源信號各個位置的傳播路徑沖擊響應函數進行了估計,并對聲發射信號濾波恢復;實驗表明,該方法很好的辨識了傳遞通道未知的系統,恢復了聲發射信號在傳遞過程中丟失的高頻成分,同時削弱了聲發射探頭對信號產生共振而引起的失真現象,為材料損傷狀態的準確評估提供了參考。但此方法對信號和系統的分析都只是一個估計,且聲發射源信號不能直接獲取,恢復的信號無法與真實的源信號對比分析。接下來的研究工作將壓電陶瓷模擬輸入可控的具有沖擊特性的聲發射信號,對此方法進行進一步研究。
    參考文獻
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    2010(9):33-34.)
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