基于声发射技术的金属高频疲劳监测
对于仪器内部的电磁噪声，跟疲劳试验的外界机械噪声相比，这类噪声的幅度相对较小，而且这类噪声一般具有高斯白噪的特点，使用小波降噪方法，可以大幅度地减少这些噪声的干扰。
裂纹闭合的摩擦噪声和电磁噪声通过上述的硬件方法和小波去噪的方法基本消除，剩下的主要是机械共振产生的机械振动噪声以及销轴与试样在受交变力作用下的撞击声发射信号。从图2可见，传感器S3和S4起到警戒传感器的作用。由于机器共振产生的声发射信号，四个传感器都能接收到，而且其信号的类型和频谱特征也应基本相同，由于S3和S4是灵敏度更高的窄带谐振传感器，所以这两个传感器接收到来自机器共振声信号的幅度应大一些。机器共振信号要根据其特点：首先，其幅度一般不超过0.6伏；其次，这类信号四个传感器都能接收到，其中S3和S4的信号幅度在传播中没有明显的衰减而变小的现象，而是跟S1和S2信号幅度差不多或更大一些，这说明信号并非来自试样本身。有了这两个特征，就可以用S3和S4为参考信号，逐个对比S1和S2采集到的信号，将符合这两个特征的信号去掉，也就除去了由于机器振动产生的噪声。
销轴与试样的摩擦和撞击产生的声发射噪声信号排除是个难题。在背景噪声测量中，同样可以得到它们的声发射信号。图4给出了试样与夹具间碰撞产生信号的频谱图。从图中可以看出，信号的频率范围较宽，最大值出现在60kHz处，且低于100kHz的频率分量占相当大的一部分。而对于金属
图5 裂纹扩展的声发射信号及其频谱图
裂纹扩展信号，人们做过很多次的实验表明，其主要的频率范围在100kHz至550kHz之间，在
这个频带范围内聚积了声发射裂纹扩展信号的绝大部分能量[13]，是这类噪声信号的突破口。试样中的裂纹扩展声发射信号，从图5中看出，其频率分量主要集中于100kHz以上，而且其幅度远较低频分量信号大（对比图4）。
至此我们已经描述了各种干扰噪声的特点和减少它们影响的方法，通过处理就可以从所采集到的声发射信号中分离出噪声，获得较为"干净"的裂纹扩展声发射信号。
4试验结果分析
裂纹的扩展长度与循环时间的人工测量结果如图7所示。人工测量得出的方法是：试验前在试样的两表面以人工预制裂纹（线割2.5mm）尖端为起点，每隔0.5mm划上刻度线，试验过程中，观测人员借助放大镜读出裂纹扩展的长度值，取两表面读数的平均值为测量结果。从图可看出，在声发射信号采集40至41分钟时，开始观察到裂纹的扩展，42到67分钟之间裂纹呈缓慢地扩展状态，在67分钟左右突然出现快速扩展的趋势。
图6给出了声发射信号的撞击数率与试验时间的关联图。从图6可以看出声发射信号的变化规律与实测裂纹扩展的变化规律相类似，也就是说声发射信号的变化反映出了高背景噪声下疲劳裂纹的变化。图6中，在38到41分钟，以及65至70分钟时声发射的撞击数率有着非常明显的增大。更值得注意的是，在图6的第38分钟时，声发射撞击数率已经有了很大的变化，说明此时试样内部有大量的声发射事件发生，而在图7的相应时间点没有任何可见变化。声发射信号说明此时材料内部有微观起裂或裂纹扩展，它的发现要明显早于试样表面的宏观裂纹变化。所以说用声发射监测材料的高频疲劳是完全可行的，而且能及时反映出材料内部疲劳损伤的变化。
在引言部分讨论过，可以建立声发射参数与应力强度因子幅值之间的关联，而且提出用能量的表示方法更能反应在疲劳载荷作用下裂纹扩展的状况。为此将声发射信号分析处理后获得的声发射能量与疲劳循环次数的关系做成图8，图中曲线是由计算机采集处理的声发射信号按3.2节方法进行处理后得到的声发射能量曲线。
从图8看出，在循环次数为以前，声发射信号的累计能量很小，相对应的应该是裂纹未发生扩展的阶段（或称第一阶段），在循环次数为至之间声发射能量处于稳定的缓慢增加阶段（或称第二阶段），当循环次数超过以后，声发射能量呈现快速增加的趋势（或称第三阶段）。但声发射能量变化的拐点，总是先于人工观测到的裂纹变化，这说明声发射技术的灵敏度高，由此也可说明，用声发射技术能监测到材料内部裂纹的活动情况。同样对于本试验材料的起裂点，声发射能量上的判断为496500次循环左右，早于人工用放大镜观察到的520000次循环左右。
图7 裂纹扩展长度随循环时间的变化 图8 声发射总能量随循环次数的变化图
对于张开型疲劳裂纹扩展方式，考虑紧凑拉伸试样的几何效应和结构效应对应力强度因子的影响，其应力强度因子幅度可由相关公式计算得到[5]。我们还得到了如图8所示的声发射能量与循环次数的试验值，就可以求出式（3）中的与材料性质相关常数C3和。对于裂纹稳定扩展阶段，从上述试验的数据可计算出：C3=， =2.69。显然式（4）可以写成如下方程：(5)
5结论
本文的声发射检测和分析技术，可以应用于高频疲劳试验机上金属试样裂纹扩展的监测，而且在复杂噪声背景下能够获得真正裂纹扩展的声发射信号。将声发射信号的能量与循环次数进行关联，能得到与人工观测的裂纹扩展相同的变化规律，但声发射方法更为灵敏，可监测到材料内部的微小裂纹的扩展，而这个扩展要早于人工观察到的裂纹变化。
根据本文提出的分析技术，还得到试样的声发射能量与疲劳循环次数以及应力强度因子之间的关系式：。按此公式，通过声发射信号能量的短时监测，可以在工程上对运转中的机械装备进行疲劳裂纹扩展和剩余疲劳寿命预测，但在疲劳寿命预测方面还需做进一步的实验研究。
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