CN107735679A - 用于检测、定位和评估结构所受冲击的声学装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种检测并定位在结构（11）上的冲击（17）的设备。该设备包括至少三个声学传感器（13）和命令和控制装置（15），每个传感器（13）可以接收在测量空间（12a）的任何点发射的直接传播的声波（18），命令和控制装置（15）适于处理与声学传感器（13）接收的声波相对应的信号，以检测碰撞的发生（17）以及定位在结构（18）上声波（18）来源的一个点。命令和控制装置（15）启动至少一个光学指示器（14）以通过照明（22）所述结构的相应部位来指示位于结构上的冲击点（17）。

Description

用于检测、定位和评估结构所受冲击的声学装置

技术领域

本发明涉及部件和结构的制造和维修领域的质量控制的普遍问题。本发明具体涉及对部件可能受到冲击的监测，对这些部件检测必须确保严格的质量，这些部件例如是在制造、装配或维修过程中可能受到损坏的由复合材料制成的航空部件和结构。

背景技术

结构损坏不仅发生在飞行器的商业或运行操作中，这种损坏也可能是由在航空部件的做业或最终装配阶段的操作人员造成的。

因此，如果操作人员将例如工具掉落在结构上时，或当在装配区域内移动的机动车辆的驾驶员意外地撞击正在组装的机身时，可能由于各种原因，这个事件没有被检测到。特别是在由复合材料制成的结构的情况下，通过简单的目视检查检测不到的任何损坏。因此在分组装配之前、在结构的最终装配之前或在交付给客户之前无法识别或维修这种损坏。

因此，为了达到交付结构所要求的可靠性和质量水平，必须进行检查，在装配阶段很晚阶段观察到损坏的情况下，对其维修会导致时间损失，从而造成交付延误。这通常反映在由飞机制造商承担的经济处罚上。

目前没有技术手段可以简单而自动地（换句话说，没有操作人员的干预）检测和识别在制造或装配区域内发生的这类事件，并向控制机构发送可能使过程执行的警报信息，该过程旨在评估损坏并迅速决定是否需要进行维修。

因此，对全部的组件进行系统地最终检查，需要能够检测到目视检查无法检测到的损坏的装置。除了上述系统地最终检查，目前能实施措施包括严格的步骤。这些步骤的目的是使每个操作人员负责，使得一旦有任何这类事件的标志，则不会被疏忽掉。在极端情况下，这些步骤可以包括分配此任务的相关操作人员对制造或装配区域持续的目视监视。

发明内容

本发明的一个目的是提出一种可以连续操作并且不干扰在结构环境中工作人员实时地检测“对结构的冲击”类型的异常事件的设备。

因此，在发生这些异常事件的情况下，可以在最佳条件下干预，特别是在检查和维修成本最低的阶段尽早进行干预。

为此，本发明的主题是用于对结构上的冲击进行检测和定位的设备，该结构位于测量空间中且操作人员和/或车辆在测量空间中移动。

该设备包括：

- 至少三个声学传感器，它们未对齐地设置在测量空间内，使得每个传感器接收在测量空间的任何点发射的直接传播声波；

- 命令和控制装置，适于处理与至少三个声学传感器接收的声波相对应的信号，以便检测在结构上的冲击的发生，以便定位该结构的点，此点是冲击后由声学传感器检测到的声波的来源。

因此，在没有从事结构领域工作的人员的干预下，且没有对这些人的活动造成任何妨碍，检测到结构上发生的冲击和结构上发生冲击的位置。

通过声学传感器（有利地为麦克风）的合适的传感性，可以检测到听不到的或其强度不会被从事结构领域工作的人员察觉到的冲击，避免发现故障后的后期干预。

在一个实施方式中，该设备还包括至少一个光学指示器，其远程地产生例如可见光点形式的点状照明，并且定位在测量空间中，使得测量空间中的结构的点可由至少一个光学指示器照亮，该光学指示器由命令和控制装置起动，从而通过照亮结构的相应位置来指示位于结构上的冲击点。

因此，结构上的假设冲击的位置是直接且可视觉识别的，无需操作人员解释。

在一个实施方式中，命令和控制装置适于只有当声发射的来源位于测量空间所限定的区域中时，才识别和指示声发射源，测量空间包含由结构实际占据的空间。

因此，不受设备监视影响的区域不会产生警报，因为这种警报理论上价值不大，例如在车间环境中的正常活动以及搬运工具所产生的冲击引起的警报。

在一个实施方式中，由传感器接收的声波分析包括对所接收的声波的相应振幅和频率的连续的确定，以及在对确定的一段时间内获得的环境噪声的水平和频谱的确定，同时将给定时刻测量的声信号水平和来自环境噪声的声信号水平之间的偏差与固定阈值进行比较。

因此，如在对结构进行冲击的情况下，由异常事件可能引起的声信号被区分开。在一个实施方式中，命令和控制装置还适于通过所接收的声波的振幅和频谱来表征检测到的冲击。

因此，提供了信息，以使操作人员注意关于可能导致声波的原因的性质和强度，例如通过参考已知事件的目录。

有利地，命令和控制装置还适于消除干扰声波，例如对测量空间中除了结构之外所包含的壁上和物体上的声波的多次反射。

因此，这样可以限制可以触发无意义调查的故障检测数目。

命令和控制装置通过三角测量，和/或通过三边测量，和/或通过分析对应于由声学传感器接收的声波的信号之间的振幅和/或相位差，来对冲击点进行定位。

如有需要，通过单独或组合地采用这些方法以提高其精度，可以获得声波来源的结构上的位置。

该位置的精度可以至少在理论上小于1厘米，其取决于实施的测量链的质量。

命令和控制装置通过引导由至少一个光学指示器发射的光束以照亮被监测空间的体积中的一个位置，对所定位的冲击点进行视觉指示，，其中所接收的声波被假定为源，并对应于一个冲击点。

优选地，该设备包括设置在测量空间中的多个光学指示器，先验地布置在测量空间中或其附近，使其在发生冲击的情况下，可以照亮必须检测到区域冲击的结构的不同区域的点。

将这些指示器分布在测量空间中或其附近是有利的，以确保指向（如果不是全部）至少可能产生冲击的结构的最大区域的可能性。指示器的多重性限制了阴影区域，例如由结构本身或工具创建的阴影区域，这些区域可能阻止被监视结构的特定点被照亮。

在一个实施方式中，声学传感器是位于圈场区域周围的定向传感器，其中结构位于该区域圈场，定向传感器朝向结构以覆盖所述结构的体积的全部或一部分。

因此，所监视的区域的限制得到改善，避免了对检测到的冲击的没有益处的信号的处理。

为了考虑测量空间中的实际情况，有利地记录声学传感器和光学指示器的位置，然后由命令和控制装置存储记录的位置。

有利地，光学指示器是在可见区域中产生准点状照明的激光指示器，其中在结构上形成的光点即使具有相对较远的指示器也具有小尺寸，并且在车间的普通照明条件下保持可见。

因此，本发明基本上包括在音频领域中敏感的声学装置以及相关电子装置，旨在自动检测、识别、定位和量化对结构的冲击，例如可以在生产车间或主要制造商的最终装配线上进行的航空结构。用于指示结构上的定位区域的光学装置优选地与声学装置相关联。

附图说明

从以下描述中将更好地理解本发明的特征和优点，该描述基于附图中的示意性实施方式，该附图示出：

图1是呈现根据本发明的设备的第一示意图；

图2是呈现根据本发明的设备的第二示意图；

在两个图中都出现的相同元素由相同的附图标记表示。

具体实施方式

通常，本发明包括首先在圈场12中使用几个对声音敏感的“电子耳”。圈场12例如是生产或装配库，在该示例中限定为其中放置有相关的结构11的测量空间12a。“电子耳”拾取由该结构响应于所接收的冲击产生的声波。冲击例如通过工具掉落导致、或圈场中在结构11附近移动的车辆16的碰撞引起。

例如在如图所示的实例中，结构11是航空结构，全部或部分地（特别是飞机机身或机翼）以复合材料或甚至金属制成的。然而，该设备当然也适用于其他类型的结构。

如图1所示，根据本发明的设备包括位于测量空间12a中或紧邻的多个声学传感器13，其设置为接收由结构11受到冲击而发射的声波18。

因而，选择声学传感器13，使它们具有的传感性和频率范围适合于发射的声音，确保这些声音在测量空间中的监视环境中肯定被检测到。

这些参数实际上是测量空间的尺寸的函数和可能的声学传感器的其它特性（例如声学传感器的指向性）。测量空间的尺寸部分地调节声学传感器和可能是声波来源的结构的位置之间的距离。

所述传感器（至少三个传感器）未全部对齐地位于测量空间中。

一般地，以足够的数量放置传感器13，以便在圈场的所有内部空间中声波可以用至少三个传感器检测，这种检测使用尽可能多的传感器。然而，在本发明的具体实施中，可以定义所使用的传感器13的数量及它们在圈场12中的位置，使得它们覆盖圈场内的更受限制的测量空间12a，例如测量空间12a包含结构11及其大概紧邻的区域。

根据本发明，所使用的声学传感器13优先为呈现指向性模式的麦克风，以至少全部覆盖结构11位于的测量空间的区域、或覆盖对应于结构的一个确定的部分的一个限制的测量空间的区域，其中麦克风优先考虑检测在结构方向上的声波。选择指向性模式用于限制麦克风对来源于结构的方向或受监控的部分的结构的方向的声波的敏感度，尤其限制对来源于圈场12的壁反射的声波的敏感度。

然而，能够使用其他方法，以特别地处理信号甚至处理圈场12的壁以限制声的反射，以便排除与结构非直接关联的声波，因此也可以使用全向麦克风。

根据本发明，声学传感器13连接到命令和控制系统15。从每个传感器传送声学测量结果到该命令和控制系统15。声学测量结果例如是以由每个传感器13接收的声波18的转换产生的电信号的形式。命令和控制系统15与声学传感器13之间的连接由图1中的链路131表示。连接可以是简单的有线连接、或者在所使用的传感器为微发射器的情况下，可以是各种类型的无线电连接（专用频率的连接、蓝牙^TM连接等）。

根据不同的系统架构，由传感器执行的声学测量以模拟形式传送到命令和控制系统15，或者被传感器或与传感器关联的电子器件转换之后以数字形式传送到命令和控制系统15。

无论在传感器13和命令和控制系统15之间实施什么传输模式，都将采取必要的预防措施，以确保由不同的传感器13接收并发送到命令和控制系统15的声信号被标记日期，使得结构11上相同来源的声信号到达传感器的时刻被精确地识别，至少在不同传感器之间被相对精确地识别。

如果每个传感器接收到时钟信号，或具有与其它传感器的时间基准上同步的时钟，传感器自身可进行日期的标记。

命令和控制系统在接收来自不同传感器的信号时可标记日期，前提是每个传感器与命令和控制系统之间的信号传输链不会在不同传感器之间产生显著的时间差，或者至少这些信号传输时间差是已知并可控的。

在本设备中，必须考虑以下事实：由不同传感器执行的测量的同步，所寻求的结果的准确度，处理在普通大气条件下传播速度为300m/s量级的声信号。

从其推断出，与精度为0.1毫秒的同步产生了距离为一厘米的量级的测量误差，这种测量误差对应于定位结构11上的事件需要足够的精度。

普通的电子装置使本领域技术人员能够毫无困难地保证0.1毫秒或更短的信号测时精度。

命令和控制系统15主要包括用于获取和存储由声学传感器传送的电信号的装置，其中电信号的获取被连续执行；这些信号可能在单个采集通道上多路复用。

命令和控制系统15还包括有利地以数字形式处理这些信号的装置以及配备有用于解释检测到的信号的软件的计算机（例如PC类型）。处理这些信号的装置识别对应于由结构11上的冲击17产生的声波18的信号。上述计算机（例如PC类型）配备软件用于解读检测到的信号并且用于表征相应的冲击（性质、位置、强度等）。

为此，根据本发明的数字处理装置对所接收的每个信号的振幅进行测量，并进行时间和频率分析。

这些数字处理装置还连续地对环境声音（即环境噪声）的幅度和频谱进行估算，并以给定时间段内（例如一个时间段为一分钟）重复记录环境声音，以尤其确定频率和振幅阈值，使得能够从理论上构成环境噪声的信号中识别出有用的信号。

此外，数字处理装置还通过任何适当的已知方法消除对应于由声学传感器13接收的干扰声波的信号，这些已知的方法特别是光谱分析或相关性分析，其中干扰声波尤其来自多次反射。

根据本发明，有用的信号的检测和表征可以以不同的方式进行。

因此，可以通过将测量的幅度与表征由结构发射的声波的幅度的一个或多个振幅阈值进行比较，以及通过频谱分析来进行检测，其中这些参数提供关于冲击的性质的一般定性信息，简单的工具简单掉落引起的冲击或与在结构附近移动19的车辆16的碰撞引起的冲击。

或者，在命令和控制系统包括一个数据库，在此存储声能阈值，这些声能阈值与预先确定的某些频谱相关，这些频谱对应于工具或其他物体与结构11相同类型的结构之间产生的已知的冲击。识别与已经列出的其中一种冲击冲击相关的有用的信号，使得可以获得关于所造成的潜在损坏的幅度、来源和性质的更准确的信息。

当检测到有用的信号时，数字处理装置也定位了与这些有用的信号对应的声波18的可能来源的结构的区域17，这些区域实际已经受到冲击或者潜在的损坏。

例如通过三角测量（测角分析）和/或通过三边测量（分析信号接收日期差异），通过由位于测量空间12a中的不同传感器13拾取的声信号的任何已知方法，和/或通过分析由不同传感器接收的声信号之间的振幅和/或相位差进行该定位。

例如，两个传感器接收到声信号，由于例如这些声信号的频谱相似，被识别为具有相同的来源。测量这两个声信号被接收的时刻的时间差，使得可以计算空间的一个表面（即双曲面）。此表面对应于空间中点的集合满足以下条件：点到空间中传感器的位置限定两个点的距离差恒定，其中，距离差是：在圈场的物理条件下，在声信号被接收时所测得的两个时刻之间的时间差内，声信号传播的距离之间的差值。已知传感器在测量空间中的位置，然后传感器对应于双曲面的焦点位置。

然后两个传感器为一组，为每组传感器计算表面，即，每两个地计算，三个传感器的情况对应三个表面。根据测量不确定性，这些表面之间的相交确定一个点或一个空间，这个点或空间至少在理论上是由每个传感器接收的声波的来源。可以得到上述结果的条件是：测量的三个传感器未对齐，且发射的声波的来源不位于由三个传感器确定的平面中，通常可以通过设置三个传感器使得它们确定的平面与监测的结构不正割满足上述条件。

应该注意的是，该方法在实践中导致在数学上将多个点识别为发射声波的可能来源，只有位于被监测结构实际占用的空间中的点被考虑，而位于该空间外的点可以被排除。

还应当注意，虽然必须实施至少三个传感器以确定位置，测量空间12a中的传感器13的数量的增加，除了可以限制结构11的掩蔽区域的数量或尺寸之外，还可以消除模糊点并提高结构上的冲击区域可定位的准确性。

如上所述，由两个传感器接收自一个来源的声信号并且接受同一来源的另一声信号，确定相当于距离的时间差，这种该时间差的确定意味着声信号被所需的精度标记时间。

一旦被定位，冲击区域17的位置就可能与描述事件性质的参数一起被存储，如已被解释的那样，即冲击源（碰撞、掉落的物体等）。

根据本发明，命令和控制系统还包括使得能够警告负责管理此类事件的操作人员的装置，此类事件为在可能发生冲击的结构11和点17上已经确定发生了冲击。这些装置可以根据所需的过程进行各种动作。所述装置可以例如将事件的发生传达给位于控制室中负责管理可能在相关圈场中发生的事件的操作人员。

然后，通信可以以命令和控制系统直接发送的消息的形式传送到操作人员的控制台，该消息主要包括事件的位置（结构上的冲击点的坐标）以及可能是表明造成损坏的可能原因的消息。

在图2所示的优选实施方式中，通信还可以通过发射指向冲击17的定位区域的光束21来补充，旨在用光点22将该区域视觉地标记给负责评估所造成的损坏和确定维修过程的操作人员23。

在该实施方式中，根据本发明的设备然后包括与例如位于圈场12内的已知位置处的测量空间12a相关联的一组光学指示器14，以能够将至少一个光束引导到结构11的任何一点。根据本发明，指示器14可由命令和控制系统15引导和起动，所述命令和控制系统通过有线或射频链路的链路141而链接，用于接收转向信号。

在优选实施方式中，光学指示器是发射光束在结构上产生充分点照明的激光源。

因此，如果已检测到事件，则根据本发明的设备根据声波的来源和振幅评估所引起的冲击的能量，然后警告监视的操作人员，并且可能在视觉上指示已检测到的声波来源在结构上的位置。

在特定实施方式中，命令和控制装置15适于仅在声发射源被识别为位于测量空间12a限定的区域中时，识别和指示声发射源17。所述测量空间12a包含由结构11实际占据的空间。

在这种情况下，有利的是，命令和控制装置15仅根据例如当操作员在测量空间域的站台上时操作人员所发出的指令，进行光学指示。

应当注意，由于根据本发明的设备是用于自主操作的，因此在该设备放置于给定圈场12中必要时包括校准阶段，在此期间，设备获取不同的声学传感器的各自位置以及不同光学指示器的位置和取向，以及例如通过实施校准声源来获取测量条件中的每个传感器的响应曲线。

Claims (12)

1.一种设备，其用于对一个结构（11）上的一个冲击（17）进行检测和定位，所述结构位于一个测量空间（12a）中且操作人员（23）和/或车辆（16）在该测量空间中移动，其特征在于包括：

-至少三个声学传感器（13），它们未对齐地设置在所述测量空间（12a）内，使得每个所述传感器（13）可以接收在所述测量空间（12a）的任何点发射的直接传播的声波（18）；

-命令和控制装置（15），适于处理与所述至少三个声学传感器（13）接收的所述声波相对应的信号，以检测在所述结构上的冲击（17）的发生并定位所述结构的一个点，所述点是所述冲击后由所述声学传感器（13）检测到的声波（18）的来源。

2.如权利要求1所述的设备，还包括至少一个光学指示器（14），在距所述光学指示器的一定距离处产生一个点照明（22）并且所述光学指示器位于在所述测量空间（12a）中，使得所述测量空间中的结构（11）的点可由所述至少一个光学指示器（14）照亮，所述至少一个光学指示器（14）由所述命令和控制装置（15）起动，以指示所述测量空间中的一个位置，所述测量空间中的所述位置出发并假定为接收的声波的起源，并且通过照明（22）所述结构的一个相应位置，假定所述测量空间中的所述位置对应于位于所述结构上的一个冲击点（17）。

3.如权利要求1或权利要求2所述的设备，其中，所述命令和控制装置（15）适于只有当声发射的来源位于所述测量空间（12a）所限定区域中时，才识别和指示所述声发射的来源，所述测量空间（12a）包括由所述结构（11）实际占据的空间。

4.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中，由所述至少三个传感器（13）接收的所述声波的分析包括对所接收的所述声波的相应幅度和频率的连续的确定，以及对一段确定时间内获得的环境噪声的水平和频谱的确定，同时将给定时刻测量的噪声水平和所述环境噪声水平之间的偏差与一个固定阈值进行比较。

5.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述命令和控制装置（15）还适于通过所接收的所述声波的振幅和频谱来表征检测到的所述冲击。

6.如权利要求4或5所述的设备，其中，所述命令和控制装置（15）还适于消除干扰声波，所述干扰声波例如所述测量空间中除了所述结构（11）之外所包含的壁上和物体上的多次反射声波。

7.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述命令和控制装置（15）通过以下方法中的至少一种来执行所述冲击的点（17）的所述定位：三角测量、三边测量、和分析振幅差和/或相位差，这些方法施加到由所述声学传感器（13）接收的声波。

8.如前述权利要求中任何一项中所述的设备，其结合权利要求2，其中，通过引导由所述至少一个光学指示器发射的光束（21）以照亮指向被识别为所述冲击点（17）的所述结构（11）的区域，所述命令和控制装置（15）进行所定位的冲击点的视觉指示（22）。

9.如前述权利要求中的任何一个所述的设备，其结合权利要求2，包括布置在所述测量空间（12a）中或其附近的多个光学指示器（14），可以照亮所述结构（11）的不同区域的点，在出现一个冲击点时，必须能够在所述不同区域中检测到冲击点。

10.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中，使用的所述声学传感器（13）是位于所述圈场（12）区域周围的定向传感器，其中所述结构（11）位于所述圈场的区域中，所述定向传感器朝向所述结构。

11.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述至少三个声学传感器（13）的位置和所述光学指示器（14）的位置是由所述命令和控制装置（15）记录和存储的位置。

12.如前述权利要求中任一项所述的设备，其结合权利要求2，其中，所述光学指示器（14）是产生准点状照明的激光指示器。