СПОСОБ ЧАСТОТНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
METHOD OF FREQUENCY CONVERSION OF ACOUSTIC EMISSION SIGNALS

Изобретение относится к неразрушающему контролю методом акустической эмиссии (АЭ) для выявления фазовых превращений, развивающихся трещин и пластического деформирования, течи, процессов соударения и трения в технических устройствах различного назначения и при контроле параметров технологических процессов.
Техническим результатом изобретения является возможность воспроизведения динамиком в звуковом диапазоне смеси сигналов АЭ, шумов и помех, изначально принятых в ультразвуковом диапазоне частот, неслышимых человеком.
Известен способ (патент RU 2344415) контроля качества нагруженных узлов трения, для чего проводится фильтрация сигналов АЭ, спектральный анализ, выделение амплитуд наиболее информационных частот спектров, перемножение вектора диагностических признаков на вектор коэффициентов и формирование интегральной регрессионной функции качества, значение которой сравнивают с эталонными значениями диагнозов.
Недостатком является достаточно сложная постобработка, включающая спектральный анализ, определение априори неизвестных наиболее информативных частот, расчет вектора диагностических признаков и оценка коэффициентов с последующим построением интегральной регрессионной функции качества, а также требуется значительный объем экспериментальных данных для построения базы эталонных значений диагнозов.
Известен способ двухчастотного анализа сигналов АЭ, используемый для контроля пластического деформирования и процесса разрушения (А.В. Егоров, С.И. Матвеев. Двухчастотный анализ сигналов АЭ при пластической деформации и разрушении алюминиевых сплавов. - Известия алтайского государственного университета, вып. №1/2009, 4 с.). Основные информативные характеристики сигналов АЭ определяются на основе метода детектирования, что является недостатком способа, т.к. теряется информация о спектральном составе сигналов.
Известен способ установления связи между временными развертками спектров сигналов АЭ и механизмами деформирования с использованием амплитудного распределения сигналов АЭ (Лепендин А.А. Метод акустической эмиссии при исследовании пластической деформации и разрушении пористых металлических материалов: диссертация кандидата физико-математических наук - Барнаул, 2007. - 114 с.). Амплитудному распределению присущ недостаток - сложность выделения единичного импульса в случае частичного временного перекрытия нескольких импульсов.
Известен способ обнаружения полезных сигналов АЭ на фоне шумов, использующий адаптивный алгоритм прямой идентификации для восстановления формы сигнала АЭ на основе реализации схемы многокаскадного адаптивного накопителя-обнаружителя, предназначенного для обнаружения полезного сигнала во временных рядах при отношении сигнал/шум много меньше единицы помех (Аксельрод Е.Г., Давыдова Д.Г., Кузьмин А.Н. Без помех. Помехоустойчивый метод обнаружения полезного сигнала в системах акустико-эмиссионного мониторинга опасных производственных объектов. - Журнал "Технадзор", №4 (77) апрель 2013 г.).
Недостатки: 1) значительная зависимость эффективности адаптивного алгоритма от предпроцессорной обработки смеси сигналов АЭ и шумов, реализуемая, например, с использованием перехода от временных рядов амплитуд к временным рядам мгновенной мощности с последующей цифровой селективной фильтрацией данных в том же частотном диапазоне, где спектральные отличия сигнальных и шумовых составляющих смеси сигналов являются наиболее выраженными, следовательно, это условие предопределяет наличие предварительного наличия информации о свойствах сигналов АЭ и шумов, что в свою очередь зависит от степени различия корреляционных и спектральных свойств сигнала АЭ и шумов, 2) необходимость использования в двух раздельных ПАЭ, один из которых должен быть удален от потенциальных источников АЭ, 3) при использовании одного ПАЭ алгоритм слепой адаптации позволяет выявлять только те сигналы АЭ, которые поступают с определенной периодичностью (например, при функциональном диагностировании выбоин на кольцах шарикоподшипников), что является очень редким случаем в практике использования метода и средства АЭ.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для исследования изделий методом акустической эмиссии (авторское свидетельство СССР N-1084673), выделяющее мгновенные частоты заполнения сигналов АЭ и определяющее связь частотной нестационарности с амплитудой огибающей сигналов АЭ. Сигналы АЭ подвергаются амплитудному и частотному детектированию, формируется пороговое напряжение, с помощью которого селектируются сигналы, действующие на выходе амплитудного детектора. Вычисляются параметры сигналов АЭ, в том числе суммарная энергия за время наблюдения, среднее значение частоты импульсов АЭ, девиация частоты в пределах импульсов. Недостатком устройства является использование частотного детектирования, приводящего к потере информации о спектральном составе сигналов АЭ.
На рис. 1 представлена схема осуществления предлагаемого способа, где (1) - сигнал АЭ, (2) - преобразование Фурье, (3) - изменение массива частот, (4) - обратное преобразование Фурье, (5) - звуковой динамик.
4
6
Сущность предлагаемого способа: 1) обычно изначально принятые сигналы АЭ являются смесью собственно сигналов АЭ и различного рода шумов и помех; 2) изначальный сигнал АЭ подвергается Фурье-преобразованию, в результате которого осуществляется декомпозиция сигнала АЭ на частоты и амплитуды, то есть выполняется обратимый переход от временного пространства в частотное пространство; результатом декомпозиции являются три одинаковых по размеру массива данных (массив амплитуд, частот и фаз); обычно диапазон частот изначальных сигналов АЭ, используемый для практических целей, составляет от 10 Гц до 10 Гц, что лежит примерно на два порядка выше частот, воспринимаемых человеческим ухом; 3) в массиве данных частот изначального сигнала АЭ значения частоты изменяют (уменьшают примерно на 2 порядка) таким образом, чтобы частотный диапазон сгенерированного сигнала АЭ оказался в диапазоне звуковых частот, слышимых человеком; 4) затем с использованием измененного массива частот и неизмененных массивов амплитуд и фаз производится обратное Фурье-преобразование с целью создания сгенерированного сигнала АЭ, представляющего собой функцию амплитуда - время; 5) сгенерированный сигнал АЭ передается на воспроизводящий динамик для прослушивания в звуковом (слышимом человеком) диапазоне частот смеси сигналов АЭ, шумов и помех, изначально зарегистрированных в ультразвуковом диапазоне частот.