CN102680579A - 基于声发射传感器阵列的混凝土内部缺陷检测方法 - Google Patents

基于声发射传感器阵列的混凝土内部缺陷检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于声发射传感器阵列的混凝土内部缺陷检测方法。它避开常用的超声波法、地质雷达法、X射线法和红外线成像法采用的主动检测方法导致的局限性，利用被动的声发射无损检测技术，通过声发射检测仪依次对混凝土板内部缺陷的声发射信号进行传播速度、波长计算，利用波束形成技术对声发射信号进行方位估计，最后用双六角型声发射阵列对混凝土内部缺陷进行定位。基于声发射检测技术及阵列波束形成技术，整个混凝土内部缺陷定位过程简单快速，定位精度高，可以对大型混泥土结构实现实时动态检测，在结构的诊断、保养和维护方面起到了重要作用。

Description

基于声发射传感器阵列的混凝土内部缺陷检测方法
技术领域
本发明涉及声发射无损检测技术领域，尤其涉及一种基于声发射传感器阵列的混凝土内部缺陷检测方法。
背景技术
随着国民经济的快速发展，以混凝土为主要建筑材料的民用基础设施快速增加，随着服役时间的增长及环境等自然因素的长期作用，这些基础设施结构的安全性和使用功能必然退化，为了保障人民生命安全及减少经济损失，对其进行结构健康检测是非常必要的。
常用的超声波法、地质雷达法、X射线法和红外线成像法能够进行混凝土结构内部缺陷检测，但具体实施起来有一定的局限性，且这几种方法都属于主动检测，检测缺陷所用的都是反射波的信息，而非缺陷本身信息，不能够获取缺陷的更多特征，也无法获取缺陷的实时动态变化。声发射检测法弥补了这一缺点，声发射作为一种被动的无损检测技术，可以实时动态的检测混凝土结构内部缺陷损伤程度，简便快捷地估计混凝土的结构性质及力学性能，鉴别声发射源的类型，同时实现内部缺陷的定位与测量，对结构的诊断、保养和维护起到了重要作用。
波束形成技术又称空域滤波，是阵列信号处理的一个主要方面，实质是将一定几何形状排列的多元基阵元输出，经过延时、加权、求和等运算处理，来形成预定方向上的指向性方法。波束形成的概念从早期的空域滤波演变而来，主要是对特定方向的有用信号形成波束，以衰减其他方向上的干扰信号。当传感器阵列里提取有用的信息是从一定方向上到达的空间传播信号的内容时，可以把所有传感器上的信号以一种方式进行加权并组合，使期望方向上到达的信号通过相长干涉而加强，使其它方向上到达的信号由于相减干涉而减弱。若未知期望信号从哪个方向到达阵列，可以对整个可能角度空间进行扫描，即对各个角度做波束形成，可得波束形成输出相对于方位角的相位谱图，根据谱峰值估计期望信号的方位，利用两个阵列就可以确定入射信号的位置。
此发明把声发射技术、阵列波束形成技术和双阵列定位方法结合起来，实现了对混凝土内部缺陷的定位，是一种简便有效的混凝土内部缺陷检测方法。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种基于声发射传感器阵列的混凝土内部缺陷检测方法。
基于声发射传感器阵列的混凝土内部缺陷检测方法的步骤如下：
步骤一：利用声发射检测仪对大型混凝土结构进行健康检测，获取混凝土板内部缺陷的声发射信号，对其进行时频分析，通过时差法来测定混凝土结构内部缺陷声发射信号的传播速度
Figure 2012101776383100002DEST_PATH_IMAGE004
。利用小波变换确定混凝土中声发射信号的频率，通过时差法来测定混凝土结构内部缺陷声发射信号的传播速度，从而可得混凝土结构中声发射信号的波长为：
Figure 2012101776383100002DEST_PATH_IMAGE008
                             （1）
Figure 2012101776383100002DEST_PATH_IMAGE010
表示声发射信号在混凝土中的传播速度，
Figure 2012101776383100002DEST_PATH_IMAGE012
表示声发射信号在混凝土中的频率。
对空间窄带信号来说，阵元间的信号传播时延可以用简单的相移来表示。令一平面波点源窄带信号以球面角入射到基阵， 
Figure 2012101776383100002DEST_PATH_IMAGE016
和
Figure 2012101776383100002DEST_PATH_IMAGE018
分别为信号到达的垂直仰角和水平方位角。基阵由
Figure 2012101776383100002DEST_PATH_IMAGE020
个阵元组成，假设各阵元的空间位置为
Figure 2012101776383100002DEST_PATH_IMAGE022
，则
Figure 2012101776383100002DEST_PATH_IMAGE024
，。
则阵元间传播时延可以表示为
                      
Figure 2012101776383100002DEST_PATH_IMAGE028
                   （2）
其中是信号在介质中的传播速度，
Figure 2012101776383100002DEST_PATH_IMAGE032
是一个单位向量，表示信号的传播方向。
                    
Figure 2012101776383100002DEST_PATH_IMAGE034
                 （3）
上式中的负号是考虑了
Figure 438564DEST_PATH_IMAGE032
的方向。
定义波数（wavenumber）
Figure 2012101776383100002DEST_PATH_IMAGE036
为
         
Figure 2012101776383100002DEST_PATH_IMAGE038
              （4）
其中
Figure 2012101776383100002DEST_PATH_IMAGE040
是对应于频率
Figure 2012101776383100002DEST_PATH_IMAGE042
的波长。所以有
Figure 2012101776383100002DEST_PATH_IMAGE044
            （5）  
定义：
                    （6）
Figure 2012101776383100002DEST_PATH_IMAGE048
称为阵列的导向向量。平面波和阵列在一个平面内，此时
Figure 860099DEST_PATH_IMAGE016
=90°，波数
Figure 2012101776383100002DEST_PATH_IMAGE050
只与
Figure 702154DEST_PATH_IMAGE018
角相关，所以又用
Figure 2012101776383100002DEST_PATH_IMAGE052
表示。
步骤二：利用波束形成技术对混凝土内部声发射信号进行方位确定。
（1）设计一个六角形阵列对混凝土结构内部缺陷声发射信号做波束形成，阵列波束形成输出：
                                         （7）
（2）对信号入射的整个角度空间扫描，利用MVDR自适应波束形成算法构造 MVDR波束形成的加权向量为：
         
Figure 2012101776383100002DEST_PATH_IMAGE056
               （8）
得到MVDR波束形成的方位谱：
Figure 2012101776383100002DEST_PATH_IMAGE058
                    （9）
式（7）、（8）和（9）中
Figure 2012101776383100002DEST_PATH_IMAGE060
为加权向量， 
Figure 2012101776383100002DEST_PATH_IMAGE062
为入射信号。上标H表示共轭转置，表示阵列输出的协方差矩阵，
Figure 2012101776383100002DEST_PATH_IMAGE066
表示阵列导向向量，表示信号入射阵列的角度。方位谱图中的方位谱峰值对应的方位角值为信号的入射方向。
步骤三：利用双六角形声发射阵列对混凝土内部缺陷进行定位
布置两个六角声发射传感器阵列，混凝土内部缺陷声发射源位置与两个阵列中心点可组成一个三角形，两阵列间的距离是已知的，两个阵列可分别测得声发射源相对于它们的方向，根据正弦定理可得，混凝土内部缺陷声发射源相对于阵列的距离，结合已得到的方位，即可确定混凝土内部缺陷声发射源的位置。混凝土内部缺陷声源S极坐标表示：
Figure 2012101776383100002DEST_PATH_IMAGE070
           （10）
Figure 2012101776383100002DEST_PATH_IMAGE072
为阵列1和阵列2的中心直线距离， S与传感器阵列1的中心连线与
Figure 591361DEST_PATH_IMAGE072
的夹角为
Figure 476141DEST_PATH_IMAGE016
，S与传感器阵列2的中心连线与
Figure 743174DEST_PATH_IMAGE072
的夹角为
Figure 2012101776383100002DEST_PATH_IMAGE074
。此表达式中取阵列2中心为极坐标原点，阵列2中心到阵列1中心方向为极坐标正向。
本发明的有益效果：本发明提出的混凝土内部缺陷检测方法是基于声发射阵列波束形成技术的方法，操作简单，具有很高的灵敏度，可对大型混凝土结构进行在线实时检测。
附图说明
图1 时差法测声发射信号速度的原理图；
图2 是球面坐标系统示意图；
图3 是六角阵平面几何示意图；
图4 是阵列1测向的方位谱图（方向90°）；
图5 是阵列2测向的方位谱图（方向30°）；
图6 是双六角阵定位示意图。
具体实施方式
本发明所采用的声发射检测仪及声发射传感器是由美国PAC公司研制的。
基于声发射传感器阵列的混凝土内部缺陷检测方法的步骤如下：
步骤1：在混凝土甲板上用铅笔断芯断裂实验模拟声发射结构内部缺陷的声发射信号，如图1所示，在S点断铅笔芯，传感器1和传感器2之间的距离为d。断芯时使用直径为0.5 mm 的HB铅笔，铅笔芯伸出约2.5 mm，与混凝土甲板成30°。通过时差法来测定混凝土结构内部缺陷声发射信号的传播速度，声发射信号在混凝土板内的传播速度c为：
                                  （11）
d为传感器间的距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE078
、分别为声发射检测仪自动记录的信号到达两传感器的时间，时间差：
Figure DEST_PATH_IMAGE082
。
对空间窄带信号来说，阵元间的信号传播时延可以用简单的相移来表示。如图2，令一平面波点源窄带信号以球面角
Figure 565243DEST_PATH_IMAGE014
入射到基阵， 
Figure 47171DEST_PATH_IMAGE016
和
Figure 102852DEST_PATH_IMAGE018
分别为信号到达的垂直仰角和水平方位角。基阵由
Figure 857181DEST_PATH_IMAGE020
个阵元组成，假设各阵元的空间位置为
Figure 905778DEST_PATH_IMAGE022
，则
Figure 491480DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure 734373DEST_PATH_IMAGE026
。
则阵元间传播时延可以表示为
                      
Figure 38316DEST_PATH_IMAGE028
                   （12）
其中
Figure 630883DEST_PATH_IMAGE030
是信号在介质中的传播速度，
Figure 336671DEST_PATH_IMAGE032
是一个单位向量，表示信号的传播方向。
                    
Figure 671837DEST_PATH_IMAGE034
                 （13）
上式中的负号是考虑了
Figure 213808DEST_PATH_IMAGE032
的方向。
定义波数（wavenumber）
Figure 666524DEST_PATH_IMAGE036
为
         
Figure 164502DEST_PATH_IMAGE038
              （14）
其中
Figure 998465DEST_PATH_IMAGE040
是对应于频率
Figure 949104DEST_PATH_IMAGE042
的波长。所以有
Figure 644659DEST_PATH_IMAGE044
            （15）  
定义：
Figure 59459DEST_PATH_IMAGE046
                    （16）
Figure 313592DEST_PATH_IMAGE048
称为阵列的导向向量。平面波和阵列在一个平面内，此时
Figure 813844DEST_PATH_IMAGE016
=90°，波数
Figure 234461DEST_PATH_IMAGE050
只与
Figure 520080DEST_PATH_IMAGE018
角相关，所以又用
Figure 695846DEST_PATH_IMAGE052
表示。
步骤2：
1）设计一个六角形阵列如图3，对混凝土结构内部缺陷声发射信号做波束形成，波束形成技术是一种形成预定方向上的指向性方法，可以使我们期望方向上的信号通过相长干涉而加强，使其它方向上的信号通过相减干涉而减弱，阵列波束形成输出公式如下：
         
Figure DEST_PATH_IMAGE084
                         （17）
2）对信号入射的整个角度空间扫描，根据阵列波束形成输出的峰值，可以估计出信号的入射方向，利用MVDR自适应波束形成算法，提高角分辨率。其设计的核心原理就是使期望方向上的信号无失真输出，而使波束形成输出的噪声方差最小。MVDR波束形成的加权向量表示如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE086
                   （18）
所以，MVDR波束形成的方位谱表示为：
Figure 994978DEST_PATH_IMAGE058
                    （19）
式（17）、（18）和（19）中，式中
Figure DEST_PATH_IMAGE088
为加权向量， 
Figure DEST_PATH_IMAGE090
为入射信号。上标H表示共轭转置，表示阵列输出的协方差矩阵，
Figure 485312DEST_PATH_IMAGE066
表示阵列导向向量，表示信号入射阵列的角度。
方位谱图表示某一信号源对其他方位波束输出功率的影响，当加权向量所对应的方向正是信号的实际入射方向时，波束输出功率最大，在方位谱图上此方向会出现一个峰值，如图4、图5所示分别表示信号的入射方向为90°和30°。根据方位谱峰值确定信号到达传感器阵列1和阵列2中心的方向角
Figure DEST_PATH_IMAGE092
和
Figure DEST_PATH_IMAGE094
。
步骤3：一个六角声发射传感器阵列只能测出混凝土结构内部缺陷声发射信号相对于阵列的方位，而不能确定其具体位置。布置两个六角声发射传感器阵列，混凝土内部缺陷声发射源位置与两个阵列中心点可组成一个三角形，两阵列间的距离是已知的，两个阵列可分别测得声发射源相对于它们的方向，根据正弦定理可得，混凝土内部缺陷声发射源相对于阵列的距离，结合已得到的方位，即可确定混凝土内部缺陷声发射源的位置。
一次实际试验如图6，声源S分别位于传感器阵列1和阵列2的
Figure 431457DEST_PATH_IMAGE092
角和
Figure 459456DEST_PATH_IMAGE094
角方向上。声源S距传感器阵列1的中心距离为h，距传感器阵列2的中心距离为m。阵列1和阵列2的中心距离为
Figure 703355DEST_PATH_IMAGE072
。取阵列2中心为极坐标原点，阵列2中心到阵列1中心方向为极坐标正向，则声源S的坐标用极坐标表示：
Figure DEST_PATH_IMAGE096
                   （20）

Claims (1)

1. 基于声发射传感器阵列的混凝土内部缺陷检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一：利用声发射检测仪对大型混凝土结构进行健康检测，获取混凝土板内部缺陷的声发射信号，对其进行时频分析，通过时差法来测定混凝土结构内部缺陷声发射信号的传播速度                                               
Figure 2012101776383100001DEST_PATH_IMAGE002
，利用小波变换确定混凝土中声发射信号的频率
Figure 2012101776383100001DEST_PATH_IMAGE004
，通过时差法来测定混凝土结构内部缺陷声发射信号的传播速度，从而可得混凝土结构中声发射信号的波长为：
Figure 2012101776383100001DEST_PATH_IMAGE006
                             （1）
表示声发射信号在混凝土中的传播速度，
Figure 2012101776383100001DEST_PATH_IMAGE010
表示声发射信号在混凝土中的频率，
对空间窄带信号来说，阵元间的信号传播时延可以用简单的相移来表示，令一平面波点源窄带信号以球面角
Figure 2012101776383100001DEST_PATH_IMAGE012
入射到基阵， 
Figure 2012101776383100001DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure 2012101776383100001DEST_PATH_IMAGE016
分别为信号到达的垂直仰角和水平方位角，基阵由
Figure 2012101776383100001DEST_PATH_IMAGE018
个阵元组成，假设各阵元的空间位置为
Figure 2012101776383100001DEST_PATH_IMAGE020
，则
Figure 2012101776383100001DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 2012101776383100001DEST_PATH_IMAGE024
，
则阵元间传播时延可以表示为
                      
Figure 2012101776383100001DEST_PATH_IMAGE026
                   （2）
其中
Figure 2012101776383100001DEST_PATH_IMAGE028
是信号在介质中的传播速度，
Figure 2012101776383100001DEST_PATH_IMAGE030
是一个单位向量，表示信号的传播方向，
                    
Figure 2012101776383100001DEST_PATH_IMAGE032
                 （3）
上式中的负号是考虑了
Figure 871422DEST_PATH_IMAGE030
的方向，
定义波数（wavenumber）为
         
Figure 2012101776383100001DEST_PATH_IMAGE036
              （4）
其中
Figure 2012101776383100001DEST_PATH_IMAGE038
是对应于频率
Figure 2012101776383100001DEST_PATH_IMAGE040
的波长，所以有
            （5）  
定义：
Figure 2012101776383100001DEST_PATH_IMAGE044
                    （6）
Figure 2012101776383100001DEST_PATH_IMAGE046
称为阵列的导向向量，平面波和阵列在一个平面内，此时=90°，波数
Figure 2012101776383100001DEST_PATH_IMAGE048
只与
Figure 141615DEST_PATH_IMAGE016
角相关，所以又用
Figure 2012101776383100001DEST_PATH_IMAGE050
表示；
步骤二：利用波束形成技术对混凝土内部声发射信号进行方位确定
（1）设计一个六角形阵列对混凝土结构内部缺陷声发射信号做波束形成，阵列波束形成输出：
            
Figure 2012101776383100001DEST_PATH_IMAGE052
                             （7）
（2）对信号入射的整个角度空间扫描，利用MVDR自适应波束形成算法构造 MVDR波束形成的加权向量为：
                        （8）
得到MVDR波束形成的方位谱：
Figure 2012101776383100001DEST_PATH_IMAGE058
                    （9）
式（7）、（8）和（9）中
Figure 2012101776383100001DEST_PATH_IMAGE060
为加权向量， 为入射信号，上标H表示共轭转置，
Figure 2012101776383100001DEST_PATH_IMAGE064
表示阵列输出的协方差矩阵，
Figure 2012101776383100001DEST_PATH_IMAGE066
表示阵列导向向量，
Figure DEST_PATH_IMAGE068
表示信号入射阵列的角度，方位谱图中的方位谱峰值对应的方位角值为信号的入射方向；
步骤三：利用双六角形声发射阵列对混凝土内部缺陷进行定位
布置两个六角声发射传感器阵列，混凝土内部缺陷声发射源位置与两个阵列中心点可组成一个三角形，两阵列间的距离是已知的，两个阵列可分别测得声发射源相对于它们的方向，根据正弦定理可得，混凝土内部缺陷声发射源相对于阵列的距离，结合已得到的方位，即可确定混凝土内部缺陷声发射源的位置，混凝土内部缺陷声源S极坐标表示：
Figure DEST_PATH_IMAGE070
           （10）
Figure DEST_PATH_IMAGE072
为阵列1和阵列2的中心直线距离， S与传感器阵列1的中心连线与
Figure 885361DEST_PATH_IMAGE072
的夹角为
Figure 557520DEST_PATH_IMAGE014
，S与传感器阵列2的中心连线与
Figure 6956DEST_PATH_IMAGE072
的夹角为
Figure DEST_PATH_IMAGE074
，此表达式中取阵列2中心为极坐标原点，阵列2中心到阵列1中心方向为极坐标正向。
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