一种基于瞬时频率的木结构损伤声发射无损检测方法技术

一种基于瞬时频率的木结构损伤声发射信号辨识与应力无损检测方法，步骤如下：(1)以木结构规格材为研究对象，安装相应的传感器建立木材弯曲损伤的声发射采集系统，得到木材损伤过程的声发射信号；(2)对采集到的声发射信号进行滤波和小波分解，实现原始信号的预处理。(3)将小波重构后的信号进行EMD分解，获得用于Hilbert变换的声发射波形。(4)依据声发射重构波形的频域特性，确定不同声发射事件的特征频率。(5)通过瞬时频率统计不同类型声发射事件的数量，并计算相应的事件发生密度，最后利用声发射事件发生密度及其变化情况评价木材损伤过程中的应力状态。本发明专利技术简单易行，该方法可对木结构建筑的内部损伤进行实时动态的损伤监测与识别。

An Acoustic Emission Nondestructive Detection Method for Wood Structure Damage Based on Instantaneous Frequency

【技术实现步骤摘要】
一种基于瞬时频率的木结构损伤声发射无损检测方法
本专利技术涉及工业生产中的损伤识别
，特别是涉及一种基于瞬时频率的木结构损伤声发射无损检测方法。
技术介绍
目前，以木结构规格材为核心修建的大型场馆已逐渐受到推广，当下木结构建材在许多公司和工厂以及制造产业中得到了普遍地重视。在我国，利用木材建造的房屋以及娱乐场所约占75％，与此同时，我国周边国家，如泰国、缅甸和老挝等东南亚国家相继实行木结构建筑，如体育馆、游泳馆以及医院等。现阶段，木结构建筑已成为近年来炙手可热的关注点，因此有必要对木结构内部缺陷进行实时有效的状态监测与应力无损检测。木材作为一种天然可再生资源，由于内部结构复杂且易受外部环境影响，在加工处理过程中，常因受内力和外力的作用而产生形变及开裂，从而降低木材的力学性能。同时木材个体差异显著，即使表面纹理一致的规格材，其内部也可能因某种缺陷而表现出完全不同的力学特性，并且在规格材搬运和使用过程中，也会因环境作用而使得材料的性能发生变化。根据木制规格材外表面应力、应变的发生，多数情况下采用应变测定仪进行恒定，然而类似于此方法的陈旧标定手段并不能及时探查由木材内部应力变化所产生的变形与破坏。由此可见，急需一种既不破坏木材本身的结构，又能实时观察其内部有无发生裂变的无损检测方法。与其他固体材料相比，木材是一种具有弹塑性的各向异性生命体，在生产制备和优化工序中其物理、化学性能将发生很大程度的改变，甚至会由于外界环境的改变而造成木材内部能量的无规则运动，从而造成局部应力集中严重时将产生裂纹。此类由环境变化造成的内部局部应力集中的现象是导致木材塑形变形的直接因素，不但降低了材料的寿命，甚至会造成部分建筑的不可逆毁坏。因而，动态获取木材应力应变状态是监测木材损伤状态、预防失效的关键所在。
技术实现思路
为了解决以上问题，本专利技术提供一种基于瞬时频率的木结构损伤声发射无损检测方法，，旨在实现木结构建筑的从特征提取到损伤识别阶段的全程动态检测，该方法可为大型木结构建筑横梁的损伤监测提供一种可解决的有效方案，为达此目的，本专利技术提供一种基于瞬时频率的木结构损伤声发射无损检测方法，包括以下步骤，其特征在于：步骤1、预先选定干燥且无明显缺陷的木结构规格材作为实验对象，采集被测试件在三点弯曲实验下产生的声发射信号；步骤2、对采集到的声发射信号进行高通滤波和小波分解与重构，实现原始信号的降噪处理；步骤3、对小波降噪后的声发射信号采用EMD算法将其分解为一系列IMF信号，并将与原信号相关性最大的IMF信号作为最终的AE信号；步骤4、通过希尔伯特Hilbert变换获得AE信号的瞬时频率；步骤5、根据不同AE信号的频率范围，统计AE事件的数量，并计算每个时刻的AE事件密度，从而判断木材试件弯曲损伤过程的应力状态。作为本专利技术进一步改进，步骤1中的声发射采集设备包括高速数据采集卡、单端谐振传感器以及前置放大器。作为本专利技术进一步改进，步骤2的具体步骤为：步骤2.1，采用切比雪夫I型高通滤波器滤除22kHz以下的声发射传感器信号，其中滤波器的阻带边缘频率设为22kHz，通带边缘频率设为24.5kHz；步骤2.2，对于滤波后的AE信号，通过小波分解与重构进行降噪处理，在小波变换中，设f(x)为平方可积函数，并对函数空间为L2(R)进行分析，即步骤2.3，选择基本小波函数ψ(x)，对原始信号进行多分辨分析，则式中：a为伸缩因子，a>0；b为平移因子，b可正可负；符号<>为内积；*表示共轭，式(1)称为连续小波变换，其等效的频域表达式为步骤2.4，通过分辨率分析将信号f(x)分解成不同的频带，即式中为信号f(x)中频率低于的成分；而怎为信号f(x)中频率介于2-J与2-(j-1)之间的成分，上式中的系数可由C0推导，即其中φ(x)为尺度函数，ψ(x)为小波基函数，尺度函数与小波基函数决定了低通滤波器H和高通滤波器G。作为本专利技术进一步改进，步骤3的具体步骤为步骤3.1，采用EMD对重构声发射信号进行分解，得到反映信号在每个时刻固有特性的IMF分量；步骤3.2，根据IMF分量与原信号的相关性来确定声发射信号的影响，即将相关性最强的IMF分量作为主分量用于判断和统计声发射事件。作为本专利技术进一步改进，步骤4的具体步骤为：步骤4.1，为了获得声发射信号的瞬时频率，对步骤3.2中所得的IMF分量进行Hilbert变换。对于任意连续函数X(t)，其Hilbert变换Y(t)可定义为步骤4.2，根据步骤4.1中的公式，可构造解析信号Z(t)为Z(t)＝X(t)+iY(t)＝a(t)eiθ(t)其中，a(t)＝[X2(t)+Y2(t)]1/2，由a(t)和θ(t)来定义信号Z(t)的幅值与角度。步骤4.3，使用θ(t)的时间导数来定义信号的瞬时频率，即作为本专利技术进一步改进，步骤5的具体步骤为步骤5.1，根据事先确定的断裂声发射信号和形变声发射信号的频率范围，分别统计不同声发射事件的数量；步骤5.2，以60ms为间隔信号计算声发射事件发生的密度，最终将所有小段信号的计算结果拼接成完整的声发射事件密度变化曲线；步骤5.3，通过分析声发射波形与密度曲线，判断材料由应力引起的微观和宏观变化，从而得出材料损伤辨识的结论。本专利技术一种基于瞬时频率的木结构损伤声发射信号辨识与应力无损检测方法，有益效果：本专利技术的技术效果在于：1)本专利技术针对木结构在线损伤监测的需求，提出的声发射技术能够客观反映材料由应力引起的微观和宏观变化，提取反映材料故障特征的声发射信号。2)本专利技术在采集试件损伤声发射信号的基础上，通过切比雪夫I型高通滤波器和小波分析对信号进行预处理，在对信号消噪的同时增强信号的故障特征。3)本专利技术对小波重构后的声发射信号采用EMD算法将其分解为一系列IMF分量，并将与原信号相关性最大的IMF作为最终的声发射信号，再利用Hilbert变换获取信号的瞬时频率，从而判断声发射事件是否发生并统计相应的数量，进而得到声发射事件的密度。4)本专利技术得到木材损伤过程主要由断裂与弹性形变两种声发射信号组成，采用声发射事件密度能够确定木材内部的应力状态，实现木结构损伤类型的有效监测。附图说明图1为本专利技术的流程图；图2为本专利技术木材三点弯曲实验声发射信号采集系统示意图；图3为本专利技术三点弯曲试验的扰度和时间随载荷的变化曲线；图4为本专利技术木材弯曲损伤实验的原始声发射信号典型阶段波形图；图5为本专利技术形变声发射信号与断裂声发射信号的小波重构波形及频谱；图6为本专利技术对重构后声发射信号通过EMD分解，并采用Hilbert变换与瞬时频率法统计的不同类型声发射事件的密度分布图。具体实施方式下面结合附图与具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述：本专利技术提供一种基于瞬时频率的木结构损伤声发射信号辨识与应力无损检测方法，旨在采用声发射技术评价木材损伤过程中的应力状态，实现木结构的在线损伤监测。图1为本专利技术的流程图。下面结合流程图对本专利技术的步骤作详细介绍。步骤1，预先选定干燥至绝干状态且无明显缺陷的云南松试件，采集被测试件在三点弯曲实验下产生的声发射信号；步骤2，对采集到的声发射信号进行高通滤波和小波分解与重构，实现原始信号的降噪处理；步骤3，对小波降噪后的声发射信号采用EMD算法将其分解为一系列IM本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于瞬时频率的木结构损伤声发射无损检测方法，包括以下步骤，其特征在于：步骤1、预先选定干燥且无明显缺陷的木结构规格材作为实验对象，采集被测试件在三点弯曲实验下产生的声发射信号；步骤2、对采集到的声发射信号进行高通滤波和小波分解与重构，实现原始信号的降噪处理；步骤3、对小波降噪后的声发射信号采用EMD算法将其分解为一系列IMF信号，并将与原信号相关性最大的IMF信号作为最终的AE信号；步骤4、通过希尔伯特Hilbert变换获得AE信号的瞬时频率；步骤5、根据不同AE信号的频率范围，统计AE事件的数量，并计算每个时刻的AE事件密度，从而判断木材试件弯曲损伤过程的应力状态。

【技术特征摘要】
1.一种基于瞬时频率的木结构损伤声发射无损检测方法，包括以下步骤，其特征在于：步骤1、预先选定干燥且无明显缺陷的木结构规格材作为实验对象，采集被测试件在三点弯曲实验下产生的声发射信号；步骤2、对采集到的声发射信号进行高通滤波和小波分解与重构，实现原始信号的降噪处理；步骤3、对小波降噪后的声发射信号采用EMD算法将其分解为一系列IMF信号，并将与原信号相关性最大的IMF信号作为最终的AE信号；步骤4、通过希尔伯特Hilbert变换获得AE信号的瞬时频率；步骤5、根据不同AE信号的频率范围，统计AE事件的数量，并计算每个时刻的AE事件密度，从而判断木材试件弯曲损伤过程的应力状态。2.根据权利要求1所述的一种基于瞬时频率的木结构损伤声发射无损检测方法，其特征在于：步骤1中的声发射采集设备包括高速数据采集卡、单端谐振传感器以及前置放大器。3.根据权利要求1所述的一种基于瞬时频率的木结构损伤声发射无损检测方法，其特征在于：步骤2的具体步骤为：步骤2.1，采用切比雪夫I型高通滤波器滤除22kHz以下的声发射传感器信号，其中滤波器的阻带边缘频率设为22kHz，通带边缘频率设为24.5kHz；步骤2.2，对于滤波后的AE信号，通过小波分解与重构进行降噪处理，在小波变换中，设f(x)为平方可积函数，并对函数空间为L2(R)进行分析，即步骤2.3，选择基本小波函数ψ(x)，对原始信号进行多分辨分析，则式中：a为伸缩因子，a>0；b为平移因子，b可正可负；符号<>为内积；*表示共轭，式(1)称为连续小波变换，其等效的频域表达式为步骤2.4，通过分辨率分析将信号f(x)分解成不同的频带，即式中为信号f(x)中频率低于的成分；而怎为信号f(x...

【专利技术属性】
技术研发人员：李杨，许飞云，胡建中，贾民平，彭英，黄鹏，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32