CN105866252A - 一种用于中小型长方状箱体声发射源定位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于中小型长方状箱体声发射源定位的方法，具体作法为：在箱体六个面正中间位置布置声发射传感器，获取声发射数据；先假设损伤声发射源在某一平面上，将与该面直接相连的四个面展开到该面所在平面并建立直角坐标系；对该面进行网格划分，根据网格法找出该面上损伤声发射源位置，记下误差；以上述方法求出其它五个面上损伤声发射源位置及其误差；比较六个面的误差，找出其中的最小值，最小值对应的损伤定位点即为真实损伤位置。通过以上步骤，实现了采用六个传感器进行结构的动态损伤监测与定位，解决了目前长方状封闭箱体损伤和泄漏定位缺乏有效声发射定位算法的问题。

Description

一种用于中小型长方状箱体声发射源定位的方法

技术领域

本发明提出一种用于封闭长方状箱体结构损伤声发射源定位的方法，该方法通过逐面计算确定最短传播路径，搜索损伤声发射源的位置，进而实现损伤定位，属于声发射无损检测技术领域。

技术背景

很多工业设备为承载板或类板状(如壳体)结构，如飞机的机身、机翼和舱门、旋转翼飞机的机身和螺旋桨叶、舰船和潜艇的壳体、液体火箭燃料储罐等。此类结构发生损伤将对装备整体性能产生不良影响，甚至导致灾难性的装备损毁和人员伤亡事故。目前，虽然已有很多针对结构损伤检测的无损检测方法，包括超声波法、X射线法、计算机层析照相法、热成像法等，但这些方法都有一个共同的问题，即无法实现真正的在线动态无损检测，因此并不适用于处于正常工作状态下的设备的结构损伤监控和定位。而声发射作为一种动态无损检测技术，克服了传统无损检测技术的很多缺点，能基于声发射源发出的信号，在线评估结构内部损伤的存在、位置和扩展趋势，且对缺陷的变化极为敏感，可以检测到微米数量级的疲劳裂纹变化，在结构损伤检测领域有重要应用前景。近年来，基于声发射方法的结构损伤定位逐渐受到重视并得到广泛研究，现在己成为结构损伤检测不可或缺的方法。

所谓声发射(Acoustic Emission，简称AE)，是指材料局部因能量的快速释放而发出瞬态弹性波的现象。声发射信号来自于损伤本身，因此它携带有结构内部损伤发展的信息，利用一定的手段(如元件)将声发射源产生的弹性波转换为电信号，通过对这些电信号进行分析便可以获得与声发射源有关的信息，包括损伤位置、类型和严重程度等，实现结构的损伤检测。当结构中出现微观损伤但尚未形成宏观破坏时，声发射现象通常就已经比较明显了，因此，这种方法具有很高的检测灵敏度。与其他无损检测方法相比，声发射检测技术在动态损伤监测与定位等方面具有潜在的优势：

(1)信号来源于检测对象本身，适合作为一种动态评估方法对检测对象进行损伤评估和实时诊断；

(2)声发射检测方法对检测对象的适用性较好，对与被检对象的距离要求不高，同时对检测对象的几何形状不敏感；

(3)检测的覆盖面广，在一次试验过程中，只需要布置足够数量的传感器，就能够探测和评价整个结构中活性缺陷的状态。

时差定位法是目前声发射定位最常用的方法。该方法是基于声发射波到达不同传感器有时间差的原理来确定声发射源的位置。只有获得结构中弹性波传播的精确波速和波达时刻，才能利用此方法得到较好的定位结果。现阶段，时差定位法在传播特性比较简单的结构损伤定位中应用广泛，例如球罐、圆柱罐体的泄露定位，但针对长方状箱体损伤定位算法的研究较少，并且现有方法在信号处理时往往忽略了上下端面，将其他四个面展成平面进行定位，实际上忽视了上下两个端面声发射的传播途径，仅适用于一些特殊的箱体，如本来就没有上下两个端面的箱体，或箱体较长且端面离损伤/泄露源较远的箱体等，而并不适用于中小型箱体的声发射源定位。此处的“中小型”为一种特征，指声发射源的声发射信息能够传递到各个面，并且能被所有声发射传感器拾取到。针对中小型箱体，声发射波到达传感器的传播路径有多个通道，只有找到合适的算法，确定最短路径和到达时间，才能对其结构损伤进行有效定位。不过，目前尚未有在工程实际中有应用的算法。鉴于此，本发明提出了一种仅需要六个传感器即可实现中小型长方状箱体损伤定位的声发射方法。

发明内容

1、本发明的目的

对于中小型长方状箱体，声发射波从一个面到另一个面的传播有多个通道，当声源处于不同位置时，这些通道的长短将随之变化。所以，当声源位置未知时，由于无法确定最短的传播通道，因此难以利用时差定位法进行有效定位。鉴于此，本发明提出了一种仅需要六个传感器的中小型长方状箱体损伤的声发射定位方法，通过逐面计算确定最短传播路径，搜索声发射源的位置，实现结构的动态损伤监测与定位。本发明的提出，解决了目前长方状封闭箱体损伤定位缺乏有效声发射定位算法的问题。

2、技术方案

本发明提出的采用六个传感器用于中小型长方状箱体声发射源定位的方法，包括下列主要步骤：

步骤一：将箱体的六个面进行编号，分别为A、B、C、D、E、F；

步骤二：在待监测的箱体的六个面A、B、C、D、E、F的正中间的位置分别布置六个声发射传感器，对应的传感器编号分别为①、②、③、④、⑤、⑥，并且这六个声发射传感器的频响特性要尽量接近；

步骤三：将声发射传感器与声发射检测仪相连；

步骤四：接通电源，打开声发射信号采集仪，然后在待测箱体各个表面上进行断铅实验，观察各通道波形是否正常显示；若正常，则进行数据采集；

步骤五：先假设损伤声发射源在A面，将与A面直接相连的四个面C、D、E、F面展开到A面所在平面，建立平面坐标系，计算①、③、④、⑤、⑥声发射传感器之间的位置；

步骤六：将展开的A面按照精度要求进行网格划分；

步骤七：根据网格法找出A面上可能的损伤声发射源位置，并记下此方法计算的误差；

步骤八：重复步骤五～七，将箱体分别沿其它五个面展开，分别求出B、C、D、E、F五个面可能的损伤声发射源位置及其误差；

步骤九：比较六个面可能的损伤声发射源位置的误差，找出其中的最小值。最小值对应的面即为箱体的损伤面，其对应的损伤位置即为声发射的真实损伤位置。

其中，在步骤二中所述的“声发射传感器”是指接收声发射信号的各类声发射传感器，例如常用的压电谐振传感器或激光测振仪；

其中，在步骤三中所述的“声发射检测仪”由前置放大器、声发射信号采集仪、计算机组成；

其中，在步骤四中所述的“断铅实验”，是采用直径为0.5mm的2H石墨铅笔芯，与待监测的箱体表面呈30°左右夹角，倾斜折断；

其中，在步骤七中所述的“网格法”，是进行损伤声发射源定位的方法，该方法的作法如下：

(1)将定位的损伤声发射源面按照所需的定位精度进行网格划分；

(2)设置一个目标函数为

$F=\underset{i=2}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}|{\mathrm{\Δt}}_{i1}-(\sqrt{{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2}/v-\sqrt{{(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2}/v)|$

式中，F为定位误差，Δt_i1为测得的第i个声发射传感器和①号声发射传感器之间的时间差；x_i,y_i为第i个声发射传感器的横坐标和纵坐标，x,y为网格交点的横坐标和纵坐标，v为声发射波在板中的传播速度；

(3)求出网格的各个交点的目标函数；

(4)比较各个交点的目标函数，目标函数值最小点所在位置即为该面上可能的损伤位置。

其中，在步骤七中所述的“记下此方法计算的误差”，该误差是指步骤六中的目标函数的大小。通过以上步骤，逐面计算确定最短传播路径，搜索声发射源的位置，实现了采用六个传感器进行结构的动态损伤监测与定位，解决了目前长方状封闭箱体损伤和泄露定位缺乏有效声发射定位算法的问题。

本发明的基本原理是：对于中小型长方状箱体，声发射波从一个端面到其它端面的传播有多个通道，当声源处于不同位置时，这些通道的长短将随之变化。所以，在声源位置未知的情况下，无法确定声发射信号最短的传播通道，从而难以利用时差定位法进行有效定位。本发明先假设声发射源在某一端面上，以假定面为中心面，将与其相邻的4个面展开到假定面的平面，则该面出现的损伤声发射信号在展开平面上传播路径是确定的，解决了传播路径的问题，进而可以对该面的损伤进行时差定位。然后利用网格法的时差定位方法对每个面的损伤可能性进行分析，每个面都可以得到一个对应相对最小误差的可能损伤位置。由于真实声发射源所在面的相对最小误差值最小，通过比较各面，找出最小值对应的声发射源位置即为箱体的真实损伤位置。

3、本发明的优点

(1)本发明能实现中小型长方状无开口箱体损伤的准确定位；

(2)本发明实现方法简单，仅需在箱子的六个面布置六个声发射传感器；

(2)本发明方法无需过多的复杂信号处理，通过网格法实现损伤定位，可有效提高声发射源定位的效率和准确度。

附图说明

下面将结合附图详细描述本发明的一个示例性实施范例，以更好地理解本发明的目的、特性、优点、技术和工程价值。附图说明如下：

图1为箱体尺寸和传感器布置的示意图，黑点即为传感器的布置位置。

图2为本发明所述方法的流程图。

图3为声发射损伤定位方法示意图。其中，1-模拟声发射源位置，2-箱体，3-前置放大器，4-声发射采集仪，5-计算机。黑点①-⑥分别表示在A、B、C、D、E、F六个面上布置的传感器。

图4为箱体沿面A展开后的声发射波传播路径示意图。由图可见，当面A划分网格后，假设声发射源为任意一个网格交点，其信号传播到五个传感器将会产生五条传播路径。

图5(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分别为A、C、D、E、F五个表面上传感器接收到的信号。

具体实施方式

下面将根据示例性实施例详细地描述本发明。

本发明提出的基于声发射时差定位的箱体损伤定位方法，待监测结构为各向同性材料制成的箱体，尺寸为300mm×400mm×500mm，壁厚为5mm，如图1所示。在箱体的A表面上坐标为(200mm，280mm，500mm)的位置上进行断铅试验，模拟声发射的发生。采用该方法进行箱体的损伤定位的流程如图2所示，具体实施步骤如下：

步骤一：将箱体的六个面进行编号，分别为A、B、C、D、E、F。

步骤二：在待监测的箱体的六个面A、B、C、D、E、F的正中间的位置分别布置六个声发射传感器，对应的传感器编号分别为①、②、③、④、⑤、⑥，并且这六个声发射传感器的频响特性要尽可能接近；

步骤三：将声发射传感器通过前置放大器3与声发射信号采集仪4相连；同时将采集仪4与计算机5相连，如图3所示；

步骤四：接通电源，打开声发射信号采集仪，然后在待测箱子各表面进行断铅试验，观察各通道波形是否正常显示；若正常，则可进行数据采集；

步骤五：将箱子沿A面展开，选择A、C、D、E、F五个面中心布置的①、③、④、⑤、⑥，计算①、③、④、⑤、⑥声发射传感器之间的位置；

步骤六：将A面进行网格划分，网格大小为1mm×1mm建立箱体沿面A展开后的声发射波传播路径，如图4所示；

步骤七：各传感器接收到的信号如图5所示。根据网格法找到A面上可能的损伤点，该点到传感器③、④、⑤、⑥和传感器①的理论时差应与所测传感器间时差之间的误差最小，记录其对应的位置为(194mm，275mm)；

步骤八：重复步骤五～七，将箱子沿其它五个面展开，分别求出B、C、D、E、F五个面可能的损伤位置及其误差，如表1所示；

表1

定位结果	A面(x,y)	B面(x,y)	C面(y,z)	D面(y,z)	E面(x,z)	F面(x,z)
							最小误差(微秒)	3.383	30.867	72.473	63.700	65.972	42.097
定位点坐标(毫米)	(194,275)	(150,95)	(250,342)	(250,368)	(300,217)	(17,329)

步骤九：比较六个面可能的损伤位置的误差，发现误差的最小值所对应的表面为A表面，其定位即损伤位置的坐标为(194mm，275mm)，由于A面的第三维坐标(Z坐标)为500mm，因此，得出定位出的损伤源位置为(194mm，275mm，500mm)。

定位出的声发射源位置(194mm，275mm，500mm)与实际的声发射源位置(200mm，280mm，500mm)有误差，但误差较小，约为7.8mm。经分析，五个传感器测试到的波形频散和衰减显著，如图5(a)、(b)、(c)、(d)、(e)所示，可见该误差与信号的频散特性相关。尽管如此，本专利所提出的方法的定位精度相对比较高，定位误差在可接受的范围之内。

Claims (6)

1.一种用于中小型长方状箱体声发射源定位的方法，其特征在于：主要包括下列步骤：

步骤一：将箱体的六个面进行编号，分别为A、B、C、D、E、F；

步骤二：在待监测的箱体的六个面A、B、C、D、E、F的正中间的位置分别布置六个声发射传感器，对应的传感器编号分别为①、②、③、④、⑤、⑥，并且这六个声发射传感器的频响特性要尽量接近；

步骤三：将声发射传感器与声发射检测仪相连；

步骤四：接通电源，打开声发射信号采集仪，然后在待测箱体各个表面上进行断铅实验，观察各通道波形是否正常显示；若正常，则进行数据采集；

步骤五：先假设损伤声发射源在A面，将与A面直接相连的四个面C、D、E、F面展开到A面的平面，建立平面坐标系，计算①、③、④、⑤、⑥声发射传感器之间的位置；

步骤六：将展开的A面按照精度要求进行网格划分；

步骤七：根据网格法找出A面上的损伤声发射源位置，并记下此方法计算的误差；

步骤八：重复步骤五～七，将箱体分别沿其它五个面展开，分别求出B、C、D、E、F五个面的损伤声发射源位置及其误差；

步骤九：比较六个面的损伤声发射源位置的误差，找出其中的最小值；最小值对应的面即为箱体的损伤面，其对应的损伤位置即为声发射的真实损伤位置；

通过以上步骤，逐面计算确定最短传播路径，搜索声发射源的位置，实现了采用六个传感器进行结构的动态损伤监测与定位，解决了目前长方状封闭箱体损伤和泄露定位缺乏有效声发射定位算法的问题。

2.根据权利要求1所述的一种用于中小型长方状箱体声发射源定位的方法，其特征在于：

在步骤二中所述的“声发射传感器”是指接收声发射信号的各类声发射传感器。

3.根据权利要求1所述的一种用于中小型长方状箱体声发射源定位的方法，其特征在于：

在步骤三中所述的“声发射检测仪”是由前置放大器、声发射信号采集仪和计算机组成。

4.根据权利要求1所述的一种用于中小型长方状箱体声发射源定位的方法，其特征在于：

在步骤四中所述的“断铅实验”，是采用直径为0.5mm的2H石墨铅笔芯，与待监测的箱体表面呈30°左右夹角，倾斜折断。

5.根据权利要求1所述的一种用于中小型长方状箱体声发射源定位的方法，其特征在于：

在步骤七中所述的“网格法”，是进行损伤声发射源定位的方法，该方法的作法如下：

(1)将定位的损伤声发射源面按照所需的定位精度进行网格划分；

(2)设置一个目标函数为

$F=\underset{i=2}{\overset{n}{\Σ}}|{\mathrm{\Δt}}_{i1}-(\sqrt{{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2}/v-\sqrt{{(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2}/v)|$

式中，F为定位误差，Δt_i1为测得的第i个声发射传感器和①号声发射传感器之间的时间差；x_i，y_i为第i个声发射传感器的横坐标和纵坐标，x,y为网格交点的横坐标和纵坐标，v为声发射波在板中的传播速度；

(3)求出网格的各个交点的目标函数；

(4)比较各个交点的目标函数，目标函数值最小点所在位置即为该面上可能的损伤位置。

6.根据权利要求1所述的一种用于中小型长方状箱体声发射源定位的方法，其特征在于：

步骤七中所述的“记下此方法计算的误差”，该误差是指步骤六中的目标函数的大小。