CN106442743B - 一种考虑声波在两种介质界面折射情况下的声发射源定位方法 - Google Patents

Abstract

一种考虑声波在两种介质界面折射情况下的声发射源定位方法，利用声波折射定律建立声源和测点的时空关系方程组，根据已知传感器所在位置的坐标值和声波信号到时差以及声波在两种介质中传播的速度，可获得声发射源的位置坐标。本发明考虑了不同介质界面声波折射的情况，可用于声发射传感器和声源不在同一种介质中的情况，比如围压力学测试实验中的声发射源定位等一些特殊的情况。

Description

一种考虑声波在两种介质界面折射情况下的声发射源定位 方法

技术领域

本发明涉及一种考虑声波在两种介质界面折射情况下的声发射源定位方法。

背景技术

如何准确得出声发射源的位置是声发射技术中的重要部分，目前的定位方法考虑的都是单一介质，不考虑声波在传播过程中的折反射，因为在大多数情况下探头可以置于声源所在介质，在这种情况下对于单一介质可以达到相应的定位精度，然后对于一些特殊的情况，如探头无法置于声源所在介质的时候，这种情况下探头接收到的信号就穿过了两种不同的介质，波速不再是定值，也不再是沿直线传播，如果不考虑声波在传播过程中的折射就无法准确得到其声源的位置，比如在岩石围压测试实验中，声发射源产生于试件中，但声发射传感器置于实验装置外部，此时声发射传感器接收到的信号穿过了两种不同的介质，已有的声发射源定位方法就不再适用。

发明内容

本发明针对现有技术的不足而提供了一种针对声波在传播过程中遇到不同介质时发生折射的情况，避免因为使用平均波速以及按照直线路径传播所带来误差的一种考虑声波在两种介质界面折射情况下的声发射源定位方法。

本发明采用如下技术方案实现：一种考虑声波在两种介质界面折射情况下的声发射源定位方法，分为两种情况：

A：二维定位方法：

首先在介质2中放置M个不处于同一直线位置的声发射传感器，M个声发射传感器的二维位置坐标已知，分别为(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，……，(x_M，y_M)，M大于等于3；

置于介质1中的声发射源产生应力波后，M个声发射传感器感应到声发射源的时刻：t₁，t₂，……，t_M；

设声发射源坐标为(x，y)，在两种介质中传播的速度分别为c₁，c₂，入射角为θ₁，折射角为θ₂；

折射定律：

设任意两个声发射传感器的位置为A点和B点，声发射源的位置为O点，声波到达A点和B点的时间分别为T_i和T_j，A点和B点坐标分别为(x_i，y_i)和(x_j，y_j)，声发射源产生的声波从介质1经过介质2传播到两个声发射传感器的折射点分别为M(a_i，b_i)和N(a_j，b_j)，其中i，j为1，2，...，M，且i≠j，则

声源O到折射点M的距离L_OM为：

折射点M到声发射传感器A的距离L_AM为：

声源O到折射点N的距离为L_ON为：

折射点N到声发射传感器B的距离L_BN为：

声源传播到声发射传感器A和B的时间差ΔT_ij为：

设T_min为声发射传感器接收到的第一个信号所用的最短时间，

对于每一组观测值(x_i，y_i；x_j，y_j)，假设一个声发射源所在空间内的初始声源坐标(x₀，y₀)，代入式(1)、(6)和(7)可确定一个计算值ΔT_ij，计算值ΔT_ij与实际测得的值Δt_ij＝t_i-t_j之间存在一个差值，这个差值即是误差，采用最优化解法通过最小化误差的平方和，即可得出声发射源初始声源坐标(x，y)。

B：三维定位方法

首先在介质2中放置M个不处于同一直线位置的声发射传感器，M个声发射传感器的三维位置坐标已知，分别为(x₁，y₁，z₁)，(x₂，y₂，z₂)，……，(x_M，y_M，z_M)，M大于等于4；

置于介质1中的声发射源产生应力波后，M个声发射传感器感应到声发射源的时刻：t₁，t₂，……，t_M；

设声发射源坐标为(x，y，z)，在两种介质中传播的速度分别为c₁，c₂，入射角为θ₁，折射角为θ₂；

折射定律：

设任意两个声发射传感器的位置为A点和B点，声发射源的位置为O点，声波到达A点和B点的时间分别为T_i和T_j，A点和B点坐标分别为(x_i，y_i，z_i)和(x_j，y_j，z_j)，声发射源产生的声波从介质1经过介质2传播到两个声发射传感器的折射点分别为M(a_i，b_i，c_i)和N(a_j，b_j，c_j)，其中i，j为1，2，...，M，且i≠j，则

声源O到折射点M的距离L_OM为：

折射点M到探头A的距离L_AM为：

声源O到折射点N的距离L_ON为：

折射点N到探头B的距离L_BN为：

声源传播到声发射传感器A和B的时间差ΔT_ij为：

设T_min为声发射传感器接收到的第一个信号所用的最短时间，

对于每一组观测值(x_i，y_i，z_i；x_j，y_j，z_j)，假设一个声发射源所在空间内的初始声源坐标(x₀，y₀，z₀)，代入式(8)、(13)和(14)可确定一个计算值ΔT_ij，计算值ΔT_ij与实际测得的值Δt_ij＝t_i-t_j之间存在一个差值，这个差值即是误差，采用最优化解法通过最小化误差的平方和，即可得出声发射源初始声源坐标(x，y，z)。

有益效果：本发明利用折射定律以及声发射传感器接收到的第一个信号符合最短到时，从而通过已知到时差、声发射传感器坐标值以及声速，得到声发射源的位置坐标。二维时，声发射传感器最少需要3个，此时未知量为声源坐标，折射点的坐标，通过已知3个到时差方程，3个折射方程，3个最短路径方程，即有5个未知数，9个方程，因此可以保证得出的声发射源的唯一性，三维时，声发射传感器最少需要4个，此时未知量有声源坐标，折射点坐标，已知有6个到时差方程，4个折射定律方程，4个最短到时方程，即有11个未知数，14个方程，因此可以保证得出的声发射源的唯一性。

本发明突破了以往单一介质的情况，即声波沿直线传播的方法，考虑了声波在传播过程中遇到不同介质会发生折射的情况，可用于声发射传感器和声源不在同一种介质中的情况，比如围压力学测试实验中的声发射源定位等一些特殊的情况。

附图说明

图1为二维情况下声发射折射路径示意图。

图2为三维情况下声发射折射路径示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

实施例1：

预设一声发射源的位置为(0，0)，三个传感器的坐标(x₁，y₁)、(x₂，y₂)、(x₃，y₃)分别为(-3000，2000)、(1000，2000)、(-4000，-2000)；介质分层位置为y＝1000和y＝-1000；声发射源传到三个传感器时触发传感器记录的时刻分别为984.8μs，629.3μs，1199.4μs。声波在两种介质中传播的速度分别为c₁＝2978m/s，c₂＝4356m/s。以本例对二维定位问题进行详细说明，实际定位时，已知量为三个传感器的坐标以及传感器触发记录的时刻，声发射源的位置是未知量，在此给出是为了利用本专利提出的方法进行验证。具体实施步骤如下：

1、将三个传感器布置在待测对象附近，保证其不在同一直线上，坐标分别为(-3000，2000)、(1000，2000)、(-4000，-2000)；三个传感器对应触发的时刻分别为984.8μs，629.3μs，1199.4μs；波速c₁＝2978m/s，c₂＝4356m/s。

2、利用发明内容中所提出的二维定位方法,将已知数据代入公式，假设一个声发射源的初始值，然后可以得到折射点的坐标，以及到时差，当误差平方和最小时假设的声发射源的坐标即为实际的声源坐标。此时的折射点坐标分别为(-795.6,1000)、(384.1,1000)、(-858.6,1000)，定位结果为(0，0)，可见定位结果与预设的坐标(0，0)吻合较好，定位精度高。

实施例2：

预设一声发射源的位置为(2000，2000，6000)，四个传感器的坐标(0，0，11000)、(4000，2000，9000)、(4000，4000，2000)、(0，2000，0)；介质分层位置为z＝4000和z＝8000；声发射源传到四个传感器时触发传感器记录的时刻分别为1554.6μs，1075.2μs，1372.9μs，1673μs。以本例对三维定位问题进行详细说明，实际定位时，已知量为四个传感器的坐标以及传感器触发记录的时刻，声发射源的位置是未知量，在此给出是为了利用本专利提出的方法进行验证。具体实施步骤如下：

1、将四个传感器布置在待测对象附近，保证其不在一个平面内，坐标分别为(0，0，11000)、(4000，2000，9000)、(4000，4000，2000)、(0，2000，0)；四个传感器对应触发的时刻分别为1554.6，1075.2，1372.9 1673；两种介质中波速分别为c₁＝2978m/s，c₂＝4356m/s。

2、利用发明内容中所提出的三维定位方法,将已知数据代入公式，假设一个声发射源的初始值，然后可以得到折射点的坐标，以及到时差，当误差平方和最小时假设的声发射源的坐标即为实际的声源坐标。

此时的折射点坐标分别为(1418.9,1418.9，8 000)、(3059.9,2000,8000)、(2727.3,2727.3，4000)和(1504.2,2000,4000)，定位结果为(2000，2000，6000)，可见定位结果与预设的坐标(2000，2000，6000)吻合较好，定位精度高。

Claims (1)

1.一种考虑声波在两种介质界面折射情况下的声发射源定位方法，其特征在于：分为两种情况：

A：二维定位方法：

首先在介质2中放置M个不处于同一直线位置的声发射传感器，M个声发射传感器的二维位置坐标已知，分别为(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，……，(x_M，y_M)，M大于等于3；

置于介质1中的声发射源产生应力波后，M个声发射传感器感应到声发射源的时刻：t₁，t₂，……，t_M；

设声发射源坐标为(x，y)，在两种介质中传播的速度分别为c₁，c₂，入射角为θ₁，折射角为θ₂；

折射定律：

设任意两个声发射传感器的位置为A点和B点，声发射源的位置为O点，声波到达A点和B点的时间分别为T_i和T_j，A点和B点坐标分别为(x_i，y_i)和(x_j，y_j)，声发射源产生的声波从介质1经过介质2传播到两个声发射传感器的折射点分别为M(a_i，b_i)和N(a_j，b_j)，其中i，j为1，2，...，M，且i≠j，则

声源O到折射点M的距离L_OM为：

折射点M到声发射传感器A的距离L_AM为：

声源O到折射点N的距离为L_ON为：

折射点N到声发射传感器B的距离L_BN为：

声源传播到声发射传感器A和B的时间差ΔT_ij为：

设T_min为声发射传感器接收到的第一个信号所用的最短时间，

对于每一组观测值(x_i，y_i；x_j，y_j)，假设一个声发射源所在空间内的初始声源坐标(x₀，y₀)，代入式(1)、(6)和(7)可确定一个计算值ΔT_ij，计算值ΔT_ij与实际测得的值Δt_ij＝t_i-t_j之间存在一个差值，这个差值即是误差，采用最优化解法通过最小化误差的平方和，即可得出声发射源初始声源坐标(x，y)；

B：三维定位方法

首先在介质2中放置M个不处于同一直线位置的声发射传感器，M个声发射传感器的三维位置坐标已知，分别为(x₁，y₁，z₁)，(x₂，y₂，z₂)，……，(x_M，y_M，z_M)，M大于等于4；

置于介质1中的声发射源产生应力波后，M个声发射传感器感应到声发射源的时刻：t₁，t₂，……，t_M；

设声发射源坐标为(x，y，z)，在两种介质中传播的速度分别为c₁，c₂，入射角为θ₁，折射角为θ₂；

折射定律：

设任意两个声发射传感器的位置为A点和B点，声发射源的位置为O点，声波到达A点和B点的时间分别为T_i和T_j，A点和B点坐标分别为(x_i，y_i，z_i)和(x_j，y_j，z_j)，声发射源产生的声波从介质1经过介质2传播到两个声发射传感器的折射点分别为M(a_i，b_i，c_i)和N(a_j，b_j，c_j)，其中i，j为1，2，...，M，且i≠j，则

声源O到折射点M的距离L_OM为：

折射点M到探头A的距离L_AM为：

声源O到折射点N的距离L_ON为：

折射点N到探头B的距离L_BN为：

声源传播到声发射传感器A和B的时间差ΔT_ij为：

设T_min为声发射传感器接收到的第一个信号所用的最短时间，

对于每一组观测值(x_i，y_i，z_i；x_j，y_j，z_j)，假设一个声发射源所在空间内的初始声源坐标(x₀，y₀，z₀)，代入式(8)、(13)和(14)可确定一个计算值ΔT_ij，计算值ΔT_ij与实际测得的值Δt_ij＝t_i-t_j之间存在一个差值，这个差值即是误差，采用最优化解法通过最小化误差的平方和，即可得出声发射源初始声源坐标(x，y，z)。