一、断铅实验的目的

铅笔芯断裂产生的声发射信号是非常典型的突发型声发射信号，具有信号稳定、频谱宽、可重复性强、易于实现的特点，是良好的模拟声发射源，常用于声发射传感器的标定。由于声发射信号本身属于非平稳信号，包含的有用信号经常被干扰，通过对断铅声发射信号的分析，分离干扰信号与有用信号，探究断铅声发射信号的时域、频域等特征。

二、断铅实验

使用直径为 0.5mm 的 HB 铅笔，铅芯伸长量为 2.5mm，每次断铅时保证铅芯与试件表面夹角为 30°，并采用磁性夹具固定声发射传感器。WSa 声发射传感器（工作频率 100~1000KHz）和试件之间涂有耦合剂，目的是减少声发射信号在传感器和试件界面处过度散射和衰减。用铅笔在距离声发射传感器 30mm 位置倾斜 30 度角缓慢按压铅笔铅使其断裂，采集发出的声发射信号。AEwin 采集系统主要参数设置如表 2.2。

三、断铅声发射信号

1、断铅信号小波分析

声发射信号是一种典型的非平稳信号，其中包括的各种有用信息往往被干扰。小波变换可以将信号在不同的尺度上进行分解与重建，实现在不同频率段上对应时域波形进行分析提取信号特征，因此采用小波变换对断铅声发射信号进行分析。

选用 db10 基本小波对采集到的断铅声发射信号进行四层小波分解并重建。s为原始信号，d1,d2,d3,d4 分别为第 1,2,3,4 层的细节信号包含各层高频信息，a4 为第 4 层的近似信号包含低频信息。a4,d4,d3,d2,d1 重构信号包含的频率范围分别为：0-31.25KHz，31.25-62.5KHz，62.5-125KHz，125-250KHz，250-500KHz。

1、断铅声发射信号-056

声发射传感器 30mm 处采集的断铅信号-056 经小波分解与重构后信号的波形与频谱如图 4.1、4.2,4.3。从图 4.2 中 s（原始信号的频谱）幅值 240mV，可以看出断铅声发射信号的频率主要集中在 10-110KHz 之间，频率峰值为 29KHz、69KHz、87KHz。图 4.1 中 d1 信号波形幅值 148mV，频率主要分布在200-500KHz，峰频 250KHz、453 KHz。d2 信号波形幅值 71mV，频率主要分布在 85-300KHz，峰频 164KHz、249 KHz。d3 信号波形幅值 85mV，频率主要分布在 50-110KHz，峰频87KHz。d4 信号波形幅值 176mV，频率主要分布在 22-80KHz，峰频 33KHz。a4 信号波形幅值 228mV,频率主要分布在10-50KHz，峰频 29KHz。

断铅实验缓慢压断铅笔芯的过程中出现接触摩擦，因此声发射信号中应包含断铅声发射信号和接触摩擦信号以及笔头与铸铁板的撞击，如图 4.2。图 4.1a中 d1 信号波形幅值为 148mV，相对于原信号的幅值较小，相对应的图 4.1b 中 d1的频谱幅值不足0.2mV，该层可能为高频率接触摩擦信号；图 4.1a 中 d2 信号波形幅值分别为 71mV 仅为原始信号幅值的三分之一，相对应的图 4.1b 中 d2 的频谱幅值也非常小（0.2mV），应该为高频率接触摩擦信号；图 4.1a 中 d3 信号波形幅值分别为 85mV 接近为原始信号幅值的三分之一，相对应的图 4.1b 中 d3 的频谱幅值较大（2mV），应该为接触摩擦信号与断铅声发射信号混合的信号；图 4.1a中 d4 信号波形幅值分别为 176mV 接近为原始信号幅值，相对应的图 4.1b 中 d4的频谱幅值较大（4.4mV），应该主要包含断铅声发射信号；图 4.1a 中 a4 信号波形幅值分别为 176mV 接近为原始信号幅值，相对应的图 4.1b 中 a4 的频谱幅值较大（6.5mV），应该为断铅声发射信号；

如图 4.3 为断铅声发射原始信号-056STFT 时频谱，可以看出信号频率沿时间轴分为三个阶梯。第一阶梯为高频段（200-500KHz）主要出现在原始信号的初始时刻，该时刻铅笔芯还未断裂，主要发生了接触摩擦，从这里可以看出 d1、d2 为接触摩擦信号的准确性。第二阶梯 50-110KHz，铅笔芯断裂时刻开始以断铅声发射信号为主，可以看出 d4 主要为断铅声发射信号的准确性。第三阶梯，为低频段 10-40KHz 左右持续时间很长符合断铅声发射信号衰减的过程，是断铅信号。如图 4.3 为断铅声发射原始信号-056STFT 时频谱，可以看出信号频率沿时间轴分为三个阶梯。第一阶梯为高频段（200-500KHz）主要出现在原始信号的初始时刻，该时刻铅笔芯还未断裂，主要发生了接触摩擦，从这里可以看出 d1、d2 为接触摩擦信号的准确性。第二阶梯 50-110KHz，铅笔芯断裂时刻开始以断铅声发射信号为主，可以看出 d4 主要为断铅声发射信号的准确性。第三阶梯，为低频段 10-40KHz 左右持续时间很长符合断铅声发射信号衰减的过程，是断铅信号。

四、结论

采用小波变换的方法将断铅声发射原始信号分解为不同频率段，联合不同频率段的时域波形与频谱对应分析，能够实现将断铅声发射信号与接触摩擦信号分离，提取出包含更多断铅声发射信息的信号，对进一步提取断铅声发射特征排除了更多干扰信号，能够提高提取的特征值的准确性。

2、断铅声发射信号-231（待续）

声发射传感器 30mm 处采集的断铅信号-231 经小波分解与重构后信号的波形与频谱如图 4.1、4.2,4.3。从图 4.2 中 s（原始信号的频谱）可以看出断铅声发射信号的频率主要集中在 10-100KHz 之间，频率峰值为 29KHz。图 4.1 中 d1 信号波形幅值109mV，频率主要分布在 200-500KHz，峰频 250KHz、450 KHz；d2信号波形幅值 61mV，频率主要分布在 80-360KHz，峰频140KHz、250 KHz；d3信号波形幅值 62mV，频率主要分布在 35-180KHz，峰频 89KHz；d4 信号波形幅值96mV，频率主要分布在 24-80KHz，峰频33KHz；a4 信号波形幅值 129mV,频率主要分布在 10-42KHz，峰频 29KHz。