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技術應用
技術問答
一、斷鉛實驗的目的
鉛筆芯斷裂產生的聲發射信號是非常典型的突發型聲發射信號，具有信號穩定、頻譜寬、可重復性強、易于實現的特點，是良好的模擬聲發射源，常用于聲發射傳感器的標定。由于聲發射信號本身屬于非平穩信號，包含的有用信號經常被干擾，通過對斷鉛聲發射信號的分析，分離干擾信號與有用信號，探究斷鉛聲發射信號的時域、頻域等特征。
二、斷鉛實驗
使用直徑為 0.5mm 的 HB 鉛筆，鉛芯伸長量為 2.5mm，每次斷鉛時保證鉛芯與試件表面夾角為 30°，并采用磁性夾具固定聲發射傳感器。WSa 聲發射傳感器（工作頻率 100~1000KHz）和試件之間涂有耦合劑，目的是減少聲發射信號在傳感器和試件界面處過度散射和衰減。用鉛筆在距離聲發射傳感器 30mm 位置傾斜 30 度角緩慢按壓鉛筆鉛使其斷裂，采集發出的聲發射信號。AEwin 采集系統主要參數設置如表 2.2。
三、斷鉛聲發射信號
1、斷鉛信號小波分析
聲發射信號是一種典型的非平穩信號，其中包括的各種有用信息往往被干擾。小波變換可以將信號在不同的尺度上進行分解與重建，實現在不同頻率段上對應時域波形進行分析提取信號特征，因此采用小波變換對斷鉛聲發射信號進行分析。
選用 db10 基本小波對采集到的斷鉛聲發射信號進行四層小波分解并重建。s為原始信號，d1,d2,d3,d4 分別為第 1,2,3,4 層的細節信號包含各層高頻信息，a4 為第 4 層的近似信號包含低頻信息。a4,d4,d3,d2,d1 重構信號包含的頻率范圍分別為：0-31.25KHz，31.25-62.5KHz，62.5-125KHz，125-250KHz，250-500KHz。
1、斷鉛聲發射信號-056
聲發射傳感器 30mm 處采集的斷鉛信號-056 經小波分解與重構后信號的波形與頻譜如圖 4.1、4.2,4.3。從圖 4.2 中 s（原始信號的頻譜）幅值 240mV，可以看出斷鉛聲發射信號的頻率主要集中在 10-110KHz 之間，頻率峰值為 29KHz、69KHz、87KHz。圖 4.1 中 d1 信號波形幅值 148mV，頻率主要分布在200-500KHz，峰頻 250KHz、453 KHz。d2 信號波形幅值 71mV，頻率主要分布在 85-300KHz，峰頻 164KHz、249 KHz。d3 信號波形幅值 85mV，頻率主要分布在 50-110KHz，峰頻87KHz。d4 信號波形幅值 176mV，頻率主要分布在 22-80KHz，峰頻 33KHz。a4 信號波形幅值 228mV,頻率主要分布在10-50KHz，峰頻 29KHz。
斷鉛實驗緩慢壓斷鉛筆芯的過程中出現接觸摩擦，因此聲發射信號中應包含斷鉛聲發射信號和接觸摩擦信號以及筆頭與鑄鐵板的撞擊，如圖 4.2。圖 4.1a中 d1 信號波形幅值為 148mV，相對于原信號的幅值較小，相對應的圖 4.1b 中 d1的頻譜幅值不足0.2mV，該層可能為高頻率接觸摩擦信號；圖 4.1a 中 d2 信號波形幅值分別為 71mV 僅為原始信號幅值的三分之一，相對應的圖 4.1b 中 d2 的頻譜幅值也非常小（0.2mV），應該為高頻率接觸摩擦信號；圖 4.1a 中 d3 信號波形幅值分別為 85mV 接近為原始信號幅值的三分之一，相對應的圖 4.1b 中 d3 的頻譜幅值較大（2mV），應該為接觸摩擦信號與斷鉛聲發射信號混合的信號；圖 4.1a中 d4 信號波形幅值分別為 176mV 接近為原始信號幅值，相對應的圖 4.1b 中 d4的頻譜幅值較大（4.4mV），應該主要包含斷鉛聲發射信號；圖 4.1a 中 a4 信號波形幅值分別為 176mV 接近為原始信號幅值，相對應的圖 4.1b 中 a4 的頻譜幅值較大（6.5mV），應該為斷鉛聲發射信號；
如圖 4.3 為斷鉛聲發射原始信號-056STFT 時頻譜，可以看出信號頻率沿時間軸分為三個階梯。第一階梯為高頻段（200-500KHz）主要出現在原始信號的初始時刻，該時刻鉛筆芯還未斷裂，主要發生了接觸摩擦，從這里可以看出 d1、d2 為接觸摩擦信號的準確性。第二階梯 50-110KHz，鉛筆芯斷裂時刻開始以斷鉛聲發射信號為主，可以看出 d4 主要為斷鉛聲發射信號的準確性。第三階梯，為低頻段 10-40KHz 左右持續時間很長符合斷鉛聲發射信號衰減的過程，是斷鉛信號。如圖 4.3 為斷鉛聲發射原始信號-056STFT 時頻譜，可以看出信號頻率沿時間軸分為三個階梯。第一階梯為高頻段（200-500KHz）主要出現在原始信號的初始時刻，該時刻鉛筆芯還未斷裂，主要發生了接觸摩擦，從這里可以看出 d1、d2 為接觸摩擦信號的準確性。第二階梯 50-110KHz，鉛筆芯斷裂時刻開始以斷鉛聲發射信號為主，可以看出 d4 主要為斷鉛聲發射信號的準確性。第三階梯，為低頻段 10-40KHz 左右持續時間很長符合斷鉛聲發射信號衰減的過程，是斷鉛信號。
四、結論
采用小波變換的方法將斷鉛聲發射原始信號分解為不同頻率段，聯合不同頻率段的時域波形與頻譜對應分析，能夠實現將斷鉛聲發射信號與接觸摩擦信號分離，提取出包含更多斷鉛聲發射信息的信號，對進一步提取斷鉛聲發射特征排除了更多干擾信號，能夠提高提取的特征值的準確性。
2、斷鉛聲發射信號-231（待續）
聲發射傳感器 30mm 處采集的斷鉛信號-231 經小波分解與重構后信號的波形與頻譜如圖 4.1、4.2,4.3。從圖 4.2 中 s（原始信號的頻譜）可以看出斷鉛聲發射信號的頻率主要集中在 10-100KHz 之間，頻率峰值為 29KHz。圖 4.1 中 d1 信號波形幅值109mV，頻率主要分布在 200-500KHz，峰頻 250KHz、450 KHz；d2信號波形幅值 61mV，頻率主要分布在 80-360KHz，峰頻140KHz、250 KHz；d3信號波形幅值 62mV，頻率主要分布在 35-180KHz，峰頻 89KHz；d4 信號波形幅值96mV，頻率主要分布在 24-80KHz，峰頻33KHz；a4 信號波形幅值 129mV,頻率主要分布在 10-42KHz，峰頻 29KHz。
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