声发射试验过程中避免噪音和干扰的方法

声发射试验过程中避免噪音和干扰的方法

     范围: 该技术说明评论了声发射的噪音和防护及滤波方法.
　　1. 介绍
　　虽然噪音（包括干扰）对于声发射是一个问题，有许多有效的方法防止噪音。下面将仔细描述防止噪音的方法（见2.1部分），使用几个特殊的方法（见2.2），选择最佳的降低噪音（见3部分）和Vallen AE系统的特殊功能，帮助处理噪音（见4部分）。
　　可以说第一次对照AE信号噪音必须被定义。首先信号是评价研究的对象测量结果；与信号相比，噪音对信号在任何过程或现象产生的淹没或错误，为增加信噪比，将采用下述方法：
　　◇信号与AE信号 意思是对于测量对象是独立的信号
　　◇信号中的噪音 意思是降低信号测量精度的任何影响
　　◇伪信号 通常被描述为离散数据，与测量无关
　　噪音为干扰作用，导致AE信号的错误判断或淹没AE信号，使用滤波可以排除这些影响：
　　◇撞击级联 意思是撞击连接撞击的干扰或信号重叠
　　◇事件中的事件 干涉意思是两个事件之间有效的重合
　　2. 预防噪音源的对策
　　该部分讨论的是如何处理噪音，描述了特殊的噪音类别、防噪的通用策略以及罗列几种特殊的防噪措施。
　　2.1 限制噪音的策略
　　防止噪音的策略取决于噪音的特征，要注意到每类噪音的一般影响，根据防止方法优先选择设置。
　　按下列分类，从参数中分离AE信号和噪音：
　　1. 环境 (要求屏蔽)
　　2. 信号范围(频率及幅度)
　　3. 空间范围
　　4. 产生的时间或参数
　　5. AE 信号特征.
      对于噪音与声发射源的分类，取决于测试目标，因此任何的噪音源的清单从其中区别出来的声发射。表 2.1-1列出了几个普通AE源指示器，该表仅仅为粗略的指导，在2.2部分给出了详细建议清单。
　　Table 2.1-1 区别一些普通噪音源的特性
　　强指示○-----------弱指示
      环境 频率
      幅度 空间 时间  AE 信号
      活性缺陷      ○ ● 
      泄露 ● ● ● 　 ○
      “机械”  ●      
      摩擦  ● ○ ○ ○ ○
      电子  ● ●     ●
      碰撞  ● ○     ●
      振动  ●        
      腐蚀  ●       ○
　    2.1-1 特定噪音源的实例：
　　　　活性缺陷 　　　裂纹
　　　　泄露 　　　　　阀门和流体流动
　　　　机械 　　　　　旋转震动
　　　　摩擦 　　　　　接触，移动
　　　　电子 　　　　　EMI,射频信号
　　　　冲击 　　　　　雨、风沙
　　　　震动 　　　　　交通
　　　　空洞现象 　　　两相流内部
　　表2.1-2中给出了涉及到的噪音的策略，该策略的基础是简单的，从AE信号中剔除噪音的任何方法（屏蔽AE信号）优先选择是滤波，这是因为不影响包括 累计无意义数据、增加撞击级联的风险（撞击与撞击的干扰）、事件对事件的干扰和降低系统测量精度。
　　Table 2.1-2: 防止噪音对策的顺序
　　1. 对噪音环境进行绝缘（或屏蔽）
　　2. 改变测试设置：
　　　a) 探头和系统的频率范围
　　　b) 门槛水平或类型（固定，浮动门槛）
　　3. 采用的定位范围或防护探头
　　4. 从噪音信号中选择AE信号
　　　(AE 参数特征，外部参数特征，模式识别)
　　　滤波类型： a) 前端 b) 试验中 c) 试验后
　  5. 选择时间段，了解到外部产生AE
      该表强调的是优选考虑
　　2.2 防止噪音的特殊方法
　　下面给出了30多种防止噪音的方法，这对于开始点是有用的，废止那些已经解决了的问题，有些方法仅仅应用在有限的环境中。
      表 2.2 防止噪音特殊测量
      在环境中的方法 从噪音中屏蔽/绝缘信号
      选择前放/设备 与普通的电子仪器相比，采用了不同的方法，尤其是与老型号的设备相比，AE设备的测量链进行了特殊的噪音隔离设计。有些系统设计时很少考虑底板的隔噪、串扰和滤波可能性。
      探头和前放的兼容性及安装 测量链大多数噪音灵敏区是在前放之前，探头与电缆之间的电缆必须牢靠，探头接地不良、接口松动以及太长的电缆线都是不希望的情况。
      与泵隔离  在压力试验时，可以通过缓冲器把泵和容器分离开，可以有效的隔离流体和振动噪音。 
      隔离测试区域 一般AE 及试验对一些人来说是很好奇的，应设置警戒区防止由于人和车的移动产生的噪音以及他们的安全。
      屏蔽进行的试验 雨点会产生很大的噪音，搭设棚架也是减少风的影响的一个有效方法（产生周期性的撞击）。
      保护和保养电缆 新的BNC接口的屏蔽电子噪音的效率低于100%，例如网状电缆的屏蔽效率为99%，在起初是不成问题，但是如果使用不当，尤其是超载的机械拉伸将降低电缆的屏蔽效率。
      松开部件接头 松动的接触零件，仪器是在有风时，对试件的将产生接触（撞击）噪音。可以采用简单的方法固定松动的零件，如胶带等。如果灰尘或锈产生噪音，可以除去它们。 
      分离自由的接触的表面 把软材料放置在两个摩擦面之间，噪音将被强烈的减弱。金属与金属产生很大的噪音，金属与胶带产生很小的噪音。
      在高噪音时段和区域，避免试验 对于进行的试验，可以选择从时间上避免振动（旋转机械）和电子干扰（天线、电线）的最高点，也可以在试验时采用简单方法即的关闭这些噪音源。如果试验或噪音源为移动的，检测其移动位置。
      对于实验室的试验，选择合适的卡具  在材料试验过程中，卡具用来施加力在试件上，以防止试件滑动、破坏或压碎。加一层软的材料在卡具面上（聚四佛乙烯）或试件与试件的接合面上（铝套），都能减少噪音。
      选择卡具类型 恒定力卡具（如削子卡具和水力卡具），将噪音集中在卡住的时间或在加载的早期时间；随加载增加卡具力增加（锲子卡具），会在整个试验过程中产生噪音。通过辅助手段来降低噪音，对于削子卡具，使用油减少流动噪音。
      在试验室应用中，选择加载 老的螺杆驱动机器比现代的机器（水驱动的试验机器）产生的噪音小，也许这不成问题，否则可以在加载单元与试件之间插入阻尼块。 
      信号范围的方法 选择远离噪音的监测范围
      高于最小的频率 当频率增加时，旋转和振动频率衰减很大。在有些环境中，尤其是在工厂内，通常用300 和 500 kHz 的探头代替150 kHz的探头。
      最大频率的强列反射 电子噪音典型范围是在高频，无线广播的频率为100 kHz ' 3 MHz，屏蔽它比较有效。但是不能排除，那么采用较强的滤波或低的最大频率会有帮助。
      较高门槛 增加AE门槛，随有效，但会降低检测灵敏度。
      浮动门槛 随RMS增加门槛是老的声发射方法，也会降低灵敏度和独立门槛的参数（计数和持续时间）。
      定位或到达通道 反射出AE区域
      探头顺序排除（guard) 放置一个guard 探头在已知的声发射源和感兴趣的区域之间，该方法是一个古老的排除噪音的方法，该探头承认很宽声发射允许的区域。
      探头顺序包含 当已知的特殊或临界区域正在产生AE 时，一个反guard 的情况出现，该方法基本上与guard 探头相似，然而，该AE反射一个宽范围的噪音区域集中在一个小区域内。
      定位排除 定位分析比简单的guard探头更有效，然而其结果依赖于定位质量。
      定位包含 (群集-clustering) 定位包含有两个优点：1、比探头顺序更精确；2、事件群集，即使定位不是绝对的准确，指示了信号源的重复散射。
      声发射同时到达多个探头--无效的分析 ( t=0) 下面列出了3种情况，噪音同时对于多个通道产生影响，探头的临界区域不是在探头的中心位置。1、模拟系统，产生很大的互扰（两个通道的干扰）；2、EMI也许在同一时间影响许多通道；3、从长垂直距离传播的声波将近乎于同时到达平面阵列，这种噪音会在罐底泄露检测中遇到。
      信号/参数相关性 分析/拒绝有特殊特性的信号
      前端滤波 前端滤波是在数据存储之前拒绝事件，该滤波机理可被列出。
      加载范围排除 尤其是在疲劳试验时，排除特定的载荷水平（泄载）以消除噪音源。
      包含评价区域 如果某个区域的测试是临界（高载荷、专用成分载荷），AE分析被限制在这些区域
      其它参数范围 一般载荷范围试验，依赖于什么参数输入AE参数
      起初的载荷，排除或不考虑AE（试验室试验） 载荷固定装置在开始时滑动，在材料试验中，这点被认为是，在应力应变曲线上能看到
      1-维信号参数分离 从幅度的一边，一些类型的噪音产生特殊的参数。通过长程序时间，有时可以区分泄露和摩擦。
      2-维信号相关性 有时组合两种参数，是最有效的噪音鉴别器。例如，典型的突发AE信号的计数/持续接近探头的响应；电子噪音通常产生高幅度和短持续时间的撞击；摩擦和泄露产生长持续时间和低幅度信号撞击。
      模式识别（多参数相关性） 通过提供噪音和信号的模式，模式识别根据它们相似的或与模式不同，开发了对于信号分类的准则 
      基于传播/测量源的外貌，包含/剔除信号 个别的结构独立的撞击和事件的观察，胜于严格的经验观察。例如，结构波（平板上的平板波，壳体上的波）有特殊的属性，源可以有不同的尺寸和趋向。如果值得研究时，这些方法需要更多的讨论。
      选择噪音  声发射检测中特定的噪音
      注意噪音脉冲 在测试过程中，工作不慎产生的噪音会产生突发的AE 信号（无意识的试验人员、无关的工厂操作、错误的通信等），充分的注意这些是最简单的排除噪音的方法。
      3. 最佳降低噪音的目标
　　任何目标的失败都由于几个别的问题，下面是一个或更多的寻找的问题：
　　•限制假撞击
　　•限制不准确的测量(由于信号的背静噪音)
　　•限制重复撞击/事件
　　•保存个别的撞击和噪音的特征以便区分他们
　　这些效果依赖于更多测量的基础特征：时间间隔、电压水平、测量水平（即门槛）。选择最好的工具依赖于如何使用独立的特殊效果，对于这些测量的目标水平是能够建立达到的特殊试验环境，即从这些结果中设置现实的预期环境。
　　3.1 噪音影响信号
　　对于系统来说，高信噪比通常给出了质量系数。通过RMS测量AE的连续背静噪音，因为AE门槛被用作撞击检测和确定测量的门槛量是非常重要的，门槛恰好在噪音之上，将减少门槛的影响的风险。实际上，高门槛将导致低灵敏度和少信号，使得近门槛的信号受门槛影响更大。理论上，门噪比和信门比都应该大于10。
　　也要求在所有的试验中，用相同的门槛以保证试验结果的可比性。因此，某些试验通常有特殊的门槛（大多数材料门槛为40 dBAE ，复合材料的声发射活动率较高：55 dBAE， 安静的材料为 30 dBAE）。
　　3.2 AE信号和事件的干扰
　　事件的干扰问题发生在三个方面： (1) 到达和反射的重叠， (2) 独立但是同时发生撞击的重叠，和 (3) 独立但同时发生的事件的重叠。第一个问题更容易出现的当事件的生存时间比穿过该结构所需要的时间长时；第二和第三个方面是相关的。因为事件的寿命相当于事件率的倒数时，可以计算出饱和极限。然而，当这两个参数仅仅在几个序列值之间时，可测量的重叠变的有意义。
　　对于进行的试验，两个非常有用的准备步骤是信号的衰减测试和背景噪音检查。在许多的标准中，信号衰减测试被推荐测量探头的距离从一个探头的辨别距离。该距离直接与事件的寿命和材料的声速有关，通过在增加的距离上，制造人为声发射（典型的为铅笔芯折断）信号，在考虑到门槛的情况下，确定人造源的辨别距离。这样类似的试验用于确定事件寿命和声速。背景噪音的检查能够帮助得到环境的RMS测量，了解在没有载荷的情况下，产生的任何假撞击。
  　 3.3 汇总
　　表 3.3 是基于该部分的信息的一些实际的规则的清单
      表 3.3 对于噪音和干扰情况的描述
      Desirable conditions for noise/interference-free AE monitoring
      原则 关系Desired relation 建议Recommendations
      从背景噪音限制门槛-穿过 门槛/噪音 >> 1 门槛 > rms + 15 dB
      限制由于接近门槛的信号产生的不准确 信号/门槛>>1 使用撞击或能量在参考计数或持续时间，当大多数撞击接近门槛时
      限制撞击重叠 (撞击持续) x (撞击率/通道) << 1 当撞击级联参数当撞击率 > 10/秒
      限制事件重叠 (时间寿命) x (事件率) << 1 用定位曲线绘制定位不准确度图
      限制错误事件的组合 FHC (最大时间差delta-T) >> 事件的持续时间 
      4. 使用华伦（ Vallen Systeme）系统特征限制噪音
　　AE 系统的处理噪音功能是不同的，AMS3 和 AMSY4 有许多先进的功能，使得在AE应用过程中，以最有效的可能的手段帮助处理噪音。
　　4.1 透明（内置）的功能处理噪音
　　AE用户们不必知道系统内部的背景噪音水平，但是他/她将从负责的系统生产厂商那里获得好处。华伦（ Vallen-Systeme） AMS3 型声发射仪器是有低的环境噪音，当时设计时是最好的系统， AMSY4 系统与 前放AEP4瞄准了新的目标，这些功能不是表现在表面上的，除非你使用其他厂商的系统。
　　4.2 AE 采集范围的选择
　　AMSY4系统有几个工具对用户控制 它的最佳的频率-门槛采集范围，其卓越的功能：
　　•插入滤波高通和低通模块(个别改变)
　　•软件选择两个高通中的一个滤波器
　　•用波峰系数定义门槛（固定最小水平），这将增大门槛比rms-值 x 波峰系数，如果该值大于设置的门槛时（' 浮动门槛）。
　　另外，数据采集可以通过系统的前面板的开关，选择开/关，通过打开或关闭外接接头的抑止线，最终通过外界参数PA0的电压范围，定义参数采集设置菜单。当处于某一个AE参数的范围之内时，在数据存储之前，根据拒绝的数据定义前端滤波。
　　4.3 AE 特征和定位范围的选择
　　在AMS3和AMSY4的软件中，有许多供用户选择的排除噪音功能。有两个机构允许用户进行复杂的滤波，并且以同样的数据设置并行使用（即比较几个不同的滤波排列）。这两个机构是：1、使用定位设置；2、对每一个定位设置滤波。在多图中定义和使用每个定位的设置，将被独立分析从其它所有的定位设置，每个定位设置也有其自己的滤波设置。这就意味着你以不同的滤波条件下，同时分析数据，很容易地以该方法比较不同滤波（无滤波）结果。该滤波器能够比较大量AE参数，包括下面描述的个别方法，下面介绍从AE中辨别和分离噪音的有效滤波器（有些仅仅选择软件模块）：
　　•选择guard 或组合guard 探头替换normal 探头
　　•参数的电压（载荷、应变水平、温度范围等）、循环编号
　　•多边形定位软件算法，放置附加探头
　　•通道顺序、延迟时间、事件中的撞击
　　•完善的Clustering 功能
　　•定位不准确度计算 (LUCY)
　　•AE测量值和其它滤波器的标记
　　•TRA-AE 参数扩展、相关和滤波
　　•模式识别(用VisualClass 可选软件)
　　AMSY4 的揉性数据地址（通过用户定义表格、绝对时间或数据设置）， 能被使用到任何独立的试验段，还可以加到滤波器上。
　　4.4 噪音的特征鉴别
　　AMS3和AMSY4 系统提供了许多的有用的功能，在噪音的鉴别方面：RMS测量、级联测量、定位不准确度（LUCY）和AE测量标记，它们都可以用以帮助辨别噪音。在AE噪音或干扰值得怀疑时，所有的这些在多幅图中，都可以作为AE参数绘制图。
      5. 总结
　　声发射用户使用了这些扩充的方法，将比在他/她的环境被动的接收噪音，达到较好的结果。
　　6. 进一步阅读
      Nordstrom, R., Vallen, H., "AE检测中防止噪音的方法" 23rd Conference of the European Working Group on Acoustic Emission (EWGAE), Vienna, Austria, May, 1998, 6 pages