前言
目前為止，聲發(fā)射技術(shù)作為一種全新的無損檢測(cè)方法，在發(fā)達(dá)國家已得到廣泛應(yīng)用，我國的聲發(fā)射技術(shù)起步于70年代，通過幾十年的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，如用于壓力容器、管道的檢測(cè)，核工業(yè)、航空、航天工業(yè)重要部位的檢測(cè)等，金屬材料、復(fù)合材料及磁性材料的聲發(fā)射檢測(cè)等，也用在金屬切削中。在木材加工領(lǐng)域內(nèi)，AE早已應(yīng)用在木材及其制品的非破壞檢測(cè)及干燥應(yīng)力的監(jiān)測(cè)等方面。在木材切削方面，國內(nèi)研究雖還是一片空白，但日美等國家已做了一系列研究，并逐步在生產(chǎn)中應(yīng)用。
1、聲發(fā)射技術(shù)簡介（定義、測(cè)量、分析）
1.1木材切削中的聲發(fā)射
在產(chǎn)品加工過程中，由于加工應(yīng)力的作用，被加工工件的材料缺陷地區(qū)應(yīng)力集中，導(dǎo)致該區(qū)域能量集中。當(dāng)材料的受力達(dá)到一定程度后，使得缺陷地區(qū)開始發(fā)生微觀屈服變形，于是應(yīng)力得到松馳，多余能量以應(yīng)力波的形式向外釋放。這種在材料中傳播的應(yīng)力波就叫做聲發(fā)射(AcousticEmission，簡稱AE)。聲發(fā)射波的頻率范圍很寬，從次聲頻、聲頻直到超聲頻，可包括數(shù)Hz到數(shù)MHz；其幅度從微觀的微錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到大規(guī)模宏觀斷裂，
木材切片機(jī)在很大范圍內(nèi)變動(dòng)。
木材切削過程中，機(jī)床、刀具和工件中任何一個(gè)部件變形破壞釋放能量時(shí)都將有聲發(fā)射。與木材切削過程密切相關(guān)的聲發(fā)射源，是工件切削區(qū)木材在刀具作用下發(fā)生剪切、壓縮、彎曲變形破壞所產(chǎn)生的。所以木材切削過程存在如下幾種潛在的聲發(fā)射源：切削區(qū)木材剪切區(qū)域的塑性變形，切屑在前刀面上的滑動(dòng)，斷裂屑瓣撞擊前刀面，產(chǎn)生超越裂縫時(shí)的劈裂及切屑斷裂，切削平面以下木材層和后刀面的摩擦。因此，在木材切削過程中產(chǎn)生非常豐富的聲發(fā)射信號(hào)。
AE信號(hào)可分為突發(fā)型和連續(xù)型兩種。突發(fā)型AE信號(hào)是在表面上開裂時(shí)產(chǎn)生的，其信號(hào)幅值較大，各聲發(fā)射事件之問間隔較長，如刀具的異常磨損、破損時(shí)釋放的彈性波能量轉(zhuǎn)換成聲音傳播，主要發(fā)出非周期的AE信號(hào)。連續(xù)型聲發(fā)射信號(hào)幅值較低，事件發(fā)生的頻率較高，以致難以分為單獨(dú)事件，比如由木材的彈塑性變形和正常切削發(fā)出的AE信號(hào)等。
由于AE提供了工件、刀具等狀態(tài)變化的有關(guān)信息，故是一種良好的木材切削在線監(jiān)測(cè)手段。
1.2聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)
(1)聲發(fā)射事件
圖1是一個(gè)突發(fā)型信號(hào)的波形，經(jīng)過包絡(luò)檢波后，波形超過預(yù)置的閾值電壓形成一個(gè)矩形脈沖。如果一個(gè)突發(fā)型信號(hào)形成一個(gè)矩形脈沖叫做一個(gè)事件，這些事件脈沖數(shù)就是事件計(jì)數(shù)。單位時(shí)間的事件計(jì)數(shù)稱為事件計(jì)數(shù)率，其計(jì)數(shù)的累計(jì)則稱為事件總數(shù)。圖2是一個(gè)聲發(fā)射信號(hào)的振鈴波形，設(shè)置某一閾值電壓，振鈴波形超過這個(gè)閾值電壓的部分形成矩形窄脈沖，計(jì)算這些振鈴脈沖數(shù)就是振鈴技術(shù)。圖示的振鈴計(jì)數(shù)為5。這是對(duì)振幅加權(quán)的一種計(jì)數(shù)方法，如果改變閾值電壓，則振鈴計(jì)數(shù)也發(fā)生變化。單位時(shí)間的振鈴計(jì)數(shù)率( ring -down count rate)稱為聲發(fā)射率，累加起來稱為振鈴總數(shù)。取一個(gè)事件的振鈴計(jì)數(shù)稱為事件振鈴計(jì)數(shù)或振鈴／事件。
(2)振幅及振幅分布
振幅分布又稱幅度分布，振幅是指聲發(fā)射波形的峰值振幅。振幅及振幅分布被認(rèn)為是可以更多地反映聲發(fā)射源信息的一種處理方法。它既可以是事件計(jì)數(shù)對(duì)振幅的分布，也可以是振鈴計(jì)數(shù)對(duì)振幅的分布。振幅分布有兩種表示方法，即微分型和積分型。試驗(yàn)表明，不同的聲發(fā)射源具有不同的振幅分布譜。有隨振幅增加計(jì)數(shù)單調(diào)減少的分布譜、有高斯分布譜，但經(jīng)常遇到的是在比較寬振幅比的范圍內(nèi)，以雙對(duì)數(shù)表示為負(fù)斜率m的直線分布譜。
(3)能量
聲發(fā)射能量反映了聲發(fā)射源以彈性波形式釋放的能量。能量分析是針對(duì)儀器輸出的信號(hào)進(jìn)行
式中，V(t) -隨時(shí)間變化的電壓，R-電壓測(cè)量電路的輸入阻抗。
1.3聲發(fā)射(AE)的測(cè)量與處理
利用相關(guān)儀器檢測(cè)聲發(fā)射信號(hào)，根據(jù)信號(hào)推斷材料或結(jié)構(gòu)內(nèi)部聲發(fā)射源的位置及其產(chǎn)生機(jī)理的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，即是聲發(fā)射技術(shù)。形象地講，這是一種“聽聲”技術(shù)，即像醫(yī)生用聽診器對(duì)人體聽聲來診病一樣，通過“聽”材料內(nèi)部故障聲音（聲發(fā)射）來對(duì)構(gòu)件進(jìn)行診斷。聲發(fā)射技術(shù)是一種新興的動(dòng)態(tài)無損檢測(cè)技術(shù)，涉及聲發(fā)射源、波的傳播、聲電轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)顯示與記錄、解釋與評(píng)定等，基本原理如圖3所示。
聲發(fā)射源發(fā)出的彈性波，經(jīng)介質(zhì)傳播到達(dá)被檢物體表面，引起表面的機(jī)械振動(dòng)。經(jīng)聲發(fā)射傳感器將表面的瞬態(tài)位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。聲發(fā)射信號(hào)再經(jīng)放大、處理后，形成其特性參數(shù)，并被記錄與顯示。最后，經(jīng)數(shù)據(jù)的解釋，評(píng)定出聲發(fā)射源的特性。
聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)一般由傳感器、前置放大器、信號(hào)采集系統(tǒng)、高速總線、計(jì)算機(jī)、系統(tǒng)外設(shè)（如鍵盤、顯示器、打印機(jī)）等組成。圖4是聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)的原理框圖。
傳感器
傳感器接收聲發(fā)射信號(hào)，它的靈敏度直接影響聲發(fā)射儀器的性能。傳感器的耦合、布置及試件的聲學(xué)特性都會(huì)影響傳感器的特性。為此在進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)時(shí)測(cè)效果，傳感器和試件之間必須良好耦合，耦合劑的特性和耦合方法影響檢測(cè)效果，通常采用黃油、機(jī)油、凡士林作為耦合劑。目前，國內(nèi)多用壓電式聲發(fā)射傳感器，為接觸式。它們一般具有很小的阻尼，在諧振時(shí)具有很高的靈敏度。近幾年，國外已開始用頻率特性平坦、垂直位移靈敏、能最大限度的消除或避免諧振變形的非接觸式電容還能器。
前置放大器
前置放大器置于傳感器附近，用于放大傳感器的輸出信號(hào)。主要功能為：
a、為高阻抗傳感器與低阻抗傳輸電纜之間提供阻抗匹配；
b、抑制放大微弱輸入信號(hào)，改善信噪比；
c、通過差動(dòng)放大，抑制傳感器、電纜引進(jìn)的共模噪聲。
信號(hào)采集系統(tǒng)
此系統(tǒng)由濾波器、模擬多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、采樣／保持電路及模擬／數(shù)字( A/D)
轉(zhuǎn)換器組成。大多數(shù)金屬材料聲發(fā)射信號(hào)的頻率范圍在100KHz - 500KHz，木材及木制品聲發(fā)射信號(hào)的頻率范圍為50KHz - 200KHz。因而，聲發(fā)射檢測(cè)的頻率窗口設(shè)在這一范圍較合適。
模擬／數(shù)字( A/D)轉(zhuǎn)換器是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便計(jì)算機(jī)作信號(hào)處理。
聲發(fā)射信號(hào)處理技術(shù)所涉及的內(nèi)容十分廣泛，其技術(shù)復(fù)雜程度相差很大。總體來說，聲發(fā)射信號(hào)處理的方法可以歸納為參數(shù)分析法和波形分析法。(1)參數(shù)分析是一種較為成熟的方法，常用的聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)有：聲發(fā)射事件、振鈴計(jì)數(shù)率和總數(shù)、幅度及幅度分布、能量及能量分布、信號(hào)持續(xù)時(shí)間、信號(hào)脈沖前沿上升時(shí)間等。(2)波形分析方法是指對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的波形進(jìn)行記錄和分析，得到信號(hào)的頻譜及相關(guān)函數(shù)等。從理論上講，波形包含了事件的全部信息，波形分析應(yīng)當(dāng)能給出任何所需的信息，因而也應(yīng)是最精確的、能實(shí)現(xiàn)定量分析的方法。同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)的迅速發(fā)展，聲發(fā)射波形分析也發(fā)展成為包括頻譜分析在內(nèi)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析和分行分析等先進(jìn)的信號(hào)分析技術(shù)。 （待續(xù)）
