聲發射試驗過程中避免噪音和干擾的方法

???? 范圍: 該技術說明評論了聲發射的噪音和防護及濾波方法.
　　1. 介紹
　　雖然噪音（包括干擾）對于聲發射是一個問題，有許多有效的方法防止噪音。下面將仔細描述防止噪音的方法（見2.1部分），使用幾個特殊的方法（見2.2），選擇最佳的降低噪音（見3部分）和Vallen AE系統的特殊功能，幫助處理噪音（見4部分）。
　　可以說第一次對照AE信號噪音必須被定義。首先信號是評價研究的對象測量結果；與信號相比，噪音對信號在任何過程或現象產生的淹沒或錯誤，為增加信噪比，將采用下述方法：
　　◇信號與AE信號 意思是對于測量對象是獨立的信號
　　◇信號中的噪音 意思是降低信號測量精度的任何影響
　　◇偽信號 通常被描述為離散數據，與測量無關
　　噪音為干擾作用，導致AE信號的錯誤判斷或淹沒AE信號，使用濾波可以排除這些影響：
　　◇撞擊級聯 意思是撞擊連接撞擊的干擾或信號重疊
　　◇事件中的事件 干涉意思是兩個事件之間有效的重合
　　2. 預防噪音源的對策
　　該部分討論的是如何處理噪音，描述了特殊的噪音類別、防噪的通用策略以及羅列幾種特殊的防噪措施。
　　2.1 限制噪音的策略
　　防止噪音的策略取決于噪音的特征，要注意到每類噪音的一般影響，根據防止方法優先選擇設置。
　　按下列分類，從參數中分離AE信號和噪音：
　　1. 環境 (要求屏蔽)
　　2. 信號范圍(頻率及幅度)
　　3. 空間范圍
　　4. 產生的時間或參數
　　5. AE 信號特征.
????? 對于噪音與聲發射源的分類，取決于測試目標，因此任何的噪音源的清單從其中區別出來的聲發射。表 2.1-1列出了幾個普通AE源指示器，該表僅僅為粗略的指導，在2.2部分給出了詳細建議清單。
　　Table 2.1-1 區別一些普通噪音源的特性
　　強指示○-----------弱指示
????? 環境 頻率
????? 幅度 空間 時間? AE 信號
????? 活性缺陷????? ○ ●?
????? 泄露 ● ● ● 　 ○
????? “機械”? ●??????
????? 摩擦? ● ○ ○ ○ ○
????? 電子? ● ●???? ●
????? 碰撞? ● ○???? ●
????? 振動? ●????????
????? 腐蝕? ●?????? ○
　??? 2.1-1 特定噪音源的實例：
　　　　活性缺陷 　　　裂紋
　　　　泄露 　　　　　閥門和流體流動
　　　　機械 　　　　　旋轉震動
　　　　摩擦 　　　　　接觸，移動
　　　　電子 　　　　　EMI,射頻信號
　　　　沖擊 　　　　　雨、風沙
　　　　震動 　　　　　交通
　　　　空洞現象 　　　兩相流內部
　　表2.1-2中給出了涉及到的噪音的策略，該策略的基礎是簡單的，從AE信號中剔除噪音的任何方法（屏蔽AE信號）優先選擇是濾波，這是因為不影響包括 累計無意義數據、增加撞擊級聯的風險（撞擊與撞擊的干擾）、事件對事件的干擾和降低系統測量精度。
　　Table 2.1-2: 防止噪音對策的順序
　　1. 對噪音環境進行絕緣（或屏蔽）
　　2. 改變測試設置：
　　　a) 探頭和系統的頻率范圍
　　　b) 門檻水平或類型（固定，浮動門檻）
　　3. 采用的定位范圍或防護探頭
　　4. 從噪音信號中選擇AE信號
　　　(AE 參數特征，外部參數特征，模式識別)
　　　濾波類型： a) 前端 b) 試驗中 c) 試驗后
　? 5. 選擇時間段，了解到外部產生AE
????? 該表強調的是優選考慮
　　2.2 防止噪音的特殊方法
　　下面給出了30多種防止噪音的方法，這對于開始點是有用的，廢止那些已經解決了的問題，有些方法僅僅應用在有限的環境中。
????? 表 2.2 防止噪音特殊測量
????? 在環境中的方法 從噪音中屏蔽/絕緣信號
????? 選擇前放/設備 與普通的電子儀器相比，采用了不同的方法，尤其是與老型號的設備相比，AE設備的測量鏈進行了特殊的噪音隔離設計。有些系統設計時很少考慮底板的隔噪、串擾和濾波可能性。
????? 探頭和前放的兼容性及安裝 測量鏈大多數噪音靈敏區是在前放之前，探頭與電纜之間的電纜必須牢靠，探頭接地不良、接口松動以及太長的電纜線都是不希望的情況。
????? 與泵隔離? 在壓力試驗時，可以通過緩沖器把泵和容器分離開，可以有效的隔離流體和振動噪音。?
????? 隔離測試區域 一般AE 及試驗對一些人來說是很好奇的，應設置警戒區防止由于人和車的移動產生的噪音以及他們的安全。
????? 屏蔽進行的試驗 雨點會產生很大的噪音，搭設棚架也是減少風的影響的一個有效方法（產生周期性的撞擊）。
????? 保護和保養電纜 新的BNC接口的屏蔽電子噪音的效率低于100%，例如網狀電纜的屏蔽效率為99%，在起初是不成問題，但是如果使用不當，尤其是超載的機械拉伸將降低電纜的屏蔽效率。
????? 松開部件接頭 松動的接觸零件，儀器是在有風時，對試件的將產生接觸（撞擊）噪音。可以采用簡單的方法固定松動的零件，如膠帶等。如果灰塵或銹產生噪音，可以除去它們。?
????? 分離自由的接觸的表面 把軟材料放置在兩個摩擦面之間，噪音將被強烈的減弱。金屬與金屬產生很大的噪音，金屬與膠帶產生很小的噪音。
????? 在高噪音時段和區域，避免試驗 對于進行的試驗，可以選擇從時間上避免振動（旋轉機械）和電子干擾（天線、電線）的最高點，也可以在試驗時采用簡單方法即的關閉這些噪音源。如果試驗或噪音源為移動的，檢測其移動位置。
????? 對于實驗室的試驗，選擇合適的卡具? 在材料試驗過程中，卡具用來施加力在試件上，以防止試件滑動、破壞或壓碎。加一層軟的材料在卡具面上（聚四佛乙烯）或試件與試件的接合面上（鋁套），都能減少噪音。
????? 選擇卡具類型 恒定力卡具（如削子卡具和水力卡具），將噪音集中在卡住的時間或在加載的早期時間；隨加載增加卡具力增加（鍥子卡具），會在整個試驗過程中產生噪音。通過輔助手段來降低噪音，對于削子卡具，使用油減少流動噪音。
????? 在試驗室應用中，選擇加載 老的螺桿驅動機器比現代的機器（水驅動的試驗機器）產生的噪音小，也許這不成問題，否則可以在加載單元與試件之間插入阻尼塊。?
????? 信號范圍的方法 選擇遠離噪音的監測范圍
????? 高于最小的頻率 當頻率增加時，旋轉和振動頻率衰減很大。在有些環境中，尤其是在工廠內，通常用300 和 500 kHz 的探頭代替150 kHz的探頭。
????? 最大頻率的強列反射 電子噪音典型范圍是在高頻，無線廣播的頻率為100 kHz ' 3 MHz，屏蔽它比較有效。但是不能排除，那么采用較強的濾波或低的最大頻率會有幫助。
????? 較高門檻 增加AE門檻，隨有效，但會降低檢測靈敏度。
????? 浮動門檻 隨RMS增加門檻是老的聲發射方法，也會降低靈敏度和獨立門檻的參數（計數和持續時間）。
????? 定位或到達通道 反射出AE區域
????? 探頭順序排除（guard) 放置一個guard 探頭在已知的聲發射源和感興趣的區域之間，該方法是一個古老的排除噪音的方法，該探頭承認很寬聲發射允許的區域。
????? 探頭順序包含 當已知的特殊或臨界區域正在產生AE 時，一個反guard 的情況出現，該方法基本上與guard 探頭相似，然而，該AE反射一個寬范圍的噪音區域集中在一個小區域內。
????? 定位排除 定位分析比簡單的guard探頭更有效，然而其結果依賴于定位質量。
????? 定位包含 (群集-clustering) 定位包含有兩個優點：1、比探頭順序更精確；2、事件群集，即使定位不是絕對的準確，指示了信號源的重復散射。
????? 聲發射同時到達多個探頭--無效的分析 ( t=0) 下面列出了3種情況，噪音同時對于多個通道產生影響，探頭的臨界區域不是在探頭的中心位置。1、模擬系統，產生很大的互擾（兩個通道的干擾）；2、EMI也許在同一時間影響許多通道；3、從長垂直距離傳播的聲波將近乎于同時到達平面陣列，這種噪音會在罐底泄露檢測中遇到。
????? 信號/參數相關性 分析/拒絕有特殊特性的信號
????? 前端濾波 前端濾波是在數據存儲之前拒絕事件，該濾波機理可被列出。
????? 加載范圍排除 尤其是在疲勞試驗時，排除特定的載荷水平（泄載）以消除噪音源。
????? 包含評價區域 如果某個區域的測試是臨界（高載荷、專用成分載荷），AE分析被限制在這些區域
????? 其它參數范圍 一般載荷范圍試驗，依賴于什么參數輸入AE參數
????? 起初的載荷，排除或不考慮AE（試驗室試驗） 載荷固定裝置在開始時滑動，在材料試驗中，這點被認為是，在應力應變曲線上能看到
????? 1-維信號參數分離 從幅度的一邊，一些類型的噪音產生特殊的參數。通過長程序時間，有時可以區分泄露和摩擦。
????? 2-維信號相關性 有時組合兩種參數，是最有效的噪音鑒別器。例如，典型的突發AE信號的計數/持續接近探頭的響應；電子噪音通常產生高幅度和短持續時間的撞擊；摩擦和泄露產生長持續時間和低幅度信號撞擊。
????? 模式識別（多參數相關性） 通過提供噪音和信號的模式，模式識別根據它們相似的或與模式不同，開發了對于信號分類的準則?
????? 基于傳播/測量源的外貌，包含/剔除信號 個別的結構獨立的撞擊和事件的觀察，勝于嚴格的經驗觀察。例如，結構波（平板上的平板波，殼體上的波）有特殊的屬性，源可以有不同的尺寸和趨向。如果值得研究時，這些方法需要更多的討論。
????? 選擇噪音? 聲發射檢測中特定的噪音
????? 注意噪音脈沖 在測試過程中，工作不慎產生的噪音會產生突發的AE 信號（無意識的試驗人員、無關的工廠操作、錯誤的通信等），充分的注意這些是最簡單的排除噪音的方法。
????? 3. 最佳降低噪音的目標
　　任何目標的失敗都由于幾個別的問題，下面是一個或更多的尋找的問題：
　　?限制假撞擊
　　?限制不準確的測量(由于信號的背靜噪音)
　　?限制重復撞擊/事件
　　?保存個別的撞擊和噪音的特征以便區分他們
　　這些效果依賴于更多測量的基礎特征：時間間隔、電壓水平、測量水平（即門檻）。選擇最好的工具依賴于如何使用獨立的特殊效果，對于這些測量的目標水平是能夠建立達到的特殊試驗環境，即從這些結果中設置現實的預期環境。
　　3.1 噪音影響信號
　　對于系統來說，高信噪比通常給出了質量系數。通過RMS測量AE的連續背靜噪音，因為AE門檻被用作撞擊檢測和確定測量的門檻量是非常重要的，門檻恰好在噪音之上，將減少門檻的影響的風險。實際上，高門檻將導致低靈敏度和少信號，使得近門檻的信號受門檻影響更大。理論上，門噪比和信門比都應該大于10。
　　也要求在所有的試驗中，用相同的門檻以保證試驗結果的可比性。因此，某些試驗通常有特殊的門檻（大多數材料門檻為40 dBAE ，復合材料的聲發射活動率較高：55 dBAE， 安靜的材料為 30 dBAE）。
　　3.2 AE信號和事件的干擾
　　事件的干擾問題發生在三個方面： (1) 到達和反射的重疊， (2) 獨立但是同時發生撞擊的重疊，和 (3) 獨立但同時發生的事件的重疊。第一個問題更容易出現的當事件的生存時間比穿過該結構所需要的時間長時；第二和第三個方面是相關的。因為事件的壽命相當于事件率的倒數時，可以計算出飽和極限。然而，當這兩個參數僅僅在幾個序列值之間時，可測量的重疊變的有意義。
　　對于進行的試驗，兩個非常有用的準備步驟是信號的衰減測試和背景噪音檢查。在許多的標準中，信號衰減測試被推薦測量探頭的距離從一個探頭的辨別距離。該距離直接與事件的壽命和材料的聲速有關，通過在增加的距離上，制造人為聲發射（典型的為鉛筆芯折斷）信號，在考慮到門檻的情況下，確定人造源的辨別距離。這樣類似的試驗用于確定事件壽命和聲速。背景噪音的檢查能夠幫助得到環境的RMS測量，了解在沒有載荷的情況下，產生的任何假撞擊。
? 　 3.3 匯總
　　表 3.3 是基于該部分的信息的一些實際的規則的清單
????? 表 3.3 對于噪音和干擾情況的描述
????? Desirable conditions for noise/interference-free AE monitoring
????? 原則 關系Desired relation 建議Recommendations
????? 從背景噪音限制門檻-穿過 門檻/噪音 >> 1 門檻 > rms + 15 dB
????? 限制由于接近門檻的信號產生的不準確 信號/門檻>>1 使用撞擊或能量在參考計數或持續時間，當大多數撞擊接近門檻時
????? 限制撞擊重疊 (撞擊持續) x (撞擊率/通道) << 1 當撞擊級聯參數當撞擊率 > 10/秒
????? 限制事件重疊 (時間壽命) x (事件率) << 1 用定位曲線繪制定位不準確度圖
????? 限制錯誤事件的組合 FHC (最大時間差delta-T) >> 事件的持續時間?
????? 4. 使用華倫（ Vallen Systeme）系統特征限制噪音
　　AE 系統的處理噪音功能是不同的，AMS3 和 AMSY4 有許多先進的功能，使得在AE應用過程中，以最有效的可能的手段幫助處理噪音。
　　4.1 透明（內置）的功能處理噪音
　　AE用戶們不必知道系統內部的背景噪音水平，但是他/她將從負責的系統生產廠商那里獲得好處。華倫（ Vallen-Systeme） AMS3 型聲發射儀器是有低的環境噪音，當時設計時是最好的系統， AMSY4 系統與 前放AEP4瞄準了新的目標，這些功能不是表現在表面上的，除非你使用其他廠商的系統。
　　4.2 AE 采集范圍的選擇
　　AMSY4系統有幾個工具對用戶控制 它的最佳的頻率-門檻采集范圍，其卓越的功能：
　　?插入濾波高通和低通模塊(個別改變)
　　?軟件選擇兩個高通中的一個濾波器
　　?用波峰系數定義門檻（固定最小水平），這將增大門檻比rms-值 x 波峰系數，如果該值大于設置的門檻時（' 浮動門檻）。
　　另外，數據采集可以通過系統的前面板的開關，選擇開/關，通過打開或關閉外接接頭的抑止線，最終通過外界參數PA0的電壓范圍，定義參數采集設置菜單。當處于某一個AE參數的范圍之內時，在數據存儲之前，根據拒絕的數據定義前端濾波。
　　4.3 AE 特征和定位范圍的選擇
　　在AMS3和AMSY4的軟件中，有許多供用戶選擇的排除噪音功能。有兩個機構允許用戶進行復雜的濾波，并且以同樣的數據設置并行使用（即比較幾個不同的濾波排列）。這兩個機構是：1、使用定位設置；2、對每一個定位設置濾波。在多圖中定義和使用每個定位的設置，將被獨立分析從其它所有的定位設置，每個定位設置也有其自己的濾波設置。這就意味著你以不同的濾波條件下，同時分析數據，很容易地以該方法比較不同濾波（無濾波）結果。該濾波器能夠比較大量AE參數，包括下面描述的個別方法，下面介紹從AE中辨別和分離噪音的有效濾波器（有些僅僅選擇軟件模塊）：
　　?選擇guard 或組合guard 探頭替換normal 探頭
　　?參數的電壓（載荷、應變水平、溫度范圍等）、循環編號
　　?多邊形定位軟件算法，放置附加探頭
　　?通道順序、延遲時間、事件中的撞擊
　　?完善的Clustering 功能
　　?定位不準確度計算 (LUCY)
　　?AE測量值和其它濾波器的標記
　　?TRA-AE 參數擴展、相關和濾波
　　?模式識別(用VisualClass 可選軟件)
　　AMSY4 的揉性數據地址（通過用戶定義表格、絕對時間或數據設置）， 能被使用到任何獨立的試驗段，還可以加到濾波器上。
　　4.4 噪音的特征鑒別
　　AMS3和AMSY4 系統提供了許多的有用的功能，在噪音的鑒別方面：RMS測量、級聯測量、定位不準確度（LUCY）和AE測量標記，它們都可以用以幫助辨別噪音。在AE噪音或干擾值得懷疑時，所有的這些在多幅圖中，都可以作為AE參數繪制圖。
????? 5. 總結
　　聲發射用戶使用了這些擴充的方法，將比在他/她的環境被動的接收噪音，達到較好的結果。
　　6. 進一步閱讀
????? Nordstrom, R., Vallen, H., "AE檢測中防止噪音的方法" 23rd Conference of the European Working Group on Acoustic Emission (EWGAE), Vienna, Austria, May, 1998, 6 pages?