CN108802200A - 一种基于二次曲线边界盲孔的声发射信号增强方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于二次曲线边界盲孔的声发射信号增强方法：步骤一：在待监测的板状结构上，在需要安装传感器的位置加工二次曲线边界的非穿透孔；步骤二：在孔的正下方安装声发射传感器，以接收声发射信号；步骤三：将声发射传感器与声发射信号采集仪相连；步骤四：接通电源，打开声发射信号采集仪，然后在待测板状结构上施加五波峰调制正弦激励；步骤五：观察采集到的波形，若正常则进行数据采集。本发明实现方法简单；本发明实现增强信号的同时，对原有信号的信息基本没有改变，保证了待测结构损伤信息完整性；本发明可应用于声发射健康监测领域，在减少监测声发射传感器使用数量的同时，增强声发射系统采集微弱声发射信号能力。

Description

一种基于二次曲线边界盲孔的声发射信号增强方法
技术领域
本发明提供一种基于二次曲线边界盲孔的声发射信号增强方法，它涉及一种在板状结构中加强测试点声发射信号的方法，属于结构健康监测领域。
背景技术
结构是飞行器、船舶、桥梁等各类设备的支撑平台，其损伤的实时监测是保证安全的必要措施。声发射检测技术作为动态、被动的无损检测技术，具有高灵敏性的特点，可以对结构健康状况进行实时监测。现有的声发射技术己经成功应用于桥梁、管道、压力容器等结构的损伤检测。
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产生瞬态弹性波的现象。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，如部位、类型和严重程度等，实现结构的损伤监测。但是由于声发射信号通常非常微弱并且在传播过程中会发生衰减，导致较远的传感器难以拾取声发射信息。因此，增强传感器拾取信息的能力极其重要。目前，提高微弱声发射信号拾取的主要手段是提升声发射传感器的灵敏度，而本专利引入一维介质中传播理论，通过增强传播过程中的声发射信号，确保传感器能够接收到增强的声发射信息，从而提高声发射采集仪检测微弱声发射信号的能力。
在理想的一维介质中传播的声发射波，在位置x处的传播速度通常可以写为：
c＝axn
其中a为常数，n为正数。
假设声发射源的位置x0＝0，传播到x处的信号U(x)为
U(x)＝A(x)ejφ(x)
式中A(x)和φ(x)分别为U(x)的幅值和相位角；
e是自然律，即自然对数的底；
j为虚数单位。
其中k(x)为波数，其值为
式中ω＝2πf为圆周频率，如果n≥1，则φ(x)趋近于无穷，声发射波不会传播到结构的边界上，即不存在反射波。如果结构边界的形状存在下面关系：
h(x)＝εxm
式中ε为常数，m为正数，则
式中kp为板波中扩展波相速度的波数，为
式中ct为横波波速，cl为纵波波速。同样，如果m≥2，相位角φ(x)趋于无穷，因此声发射波不会传播到结构的边界，即不产生反射波。根据能量守恒，在这种结构边界处，信号的幅值会增大。在实际过程中，如果边界不减小到零，声发射信号虽然会有一定的反射和投射，但是信号幅值也会有较大增强，可以用来加强测试位置的声发射信号的强度。
鉴于此，本发明提供了一种基于二次曲线边界盲孔的声发射信号增强方法：声发射信号在二次曲线边界上传播速度减小，但振动能量增强，因此过边界后传递到声发射传感器时幅值和能量增强，起到声发射信号增强的目的。
发明内容
1、本发明的目的
声发射波在板状结构的传播过程中，由于衰减特性的影响，使得到达传感器处的信号非常微弱，很可能使离声源相对较远的传感器不能接收到信号。对于大型复杂结构系统，例如大飞机承力结构要进行长时间在线连续监测，采用现有手段需要布置较多的声发射传感器，成本高，可靠性低。这就需要声发射传感器尽量监测到更广的范围，并尽可能不丢失微弱的损伤信息，以达到最佳监测效果下减小传感器的使用数量。因此，增强传感器拾取信息显得尤为重要。鉴于此，为解决这一难题，本发明提出了一种基于二次曲线边界盲孔的声发射信号增强方法，以增大声发射传感器的监测范围，尽可能不丢失微弱的损伤信息，达到在减少传感器数量的同时实现更佳的监测效果的目的。
2、技术方案
为了解决上述的技术问题，本发明的一种基于二次曲线边界盲孔的声发射信号增强方法，包括下列步骤：
步骤一：在待监测的板状结构上，在需要安装传感器的位置加工二次曲线边界的非穿透孔；
步骤二：在孔的正下方安装声发射传感器，以接收声发射信号；
步骤三：将声发射传感器与声发射信号采集仪相连；
步骤四：接通电源，打开声发射信号采集仪，然后在待测板状结构上施加五波峰调制正弦激励；
步骤五：观察采集到的波形，若正常则进行数据采集。
其中，在步骤一中所述的“板状结构”是指厚度明显小于长度和宽度的几何结构；“二次曲线边界的非穿透孔”是指将板状结构中需要安装传感器的位置，加工一个圆形的盲孔。盲孔的底部可以安装传感器。在孔的边缘，板的厚度按二次曲线逐渐减薄，形成二次曲线边界的盲孔；
其中，在步骤二中所述的“声发射传感器”是压电谐振传感器，也可以是其它能够测试声发射的传感器；
其中，在步骤四中所述的“五波峰调制正弦激励”是指表达式为F(t)＝(1-cos(2πfct/N))sin2πfct的激励信号，其中fc为激励信号的中心频率，N为调制信号的波峰数。
本发明的基本原理是：声发射信号在二次曲线边界上传播速度减小，但振动能量增强，经过边界后传递到盲孔底部的幅值和能量增强，因此安装在此处的声发射传感器可测试到增强后的声发射信号。通过本发明的应用，可以增强声发射系统采集微弱声发射信息的能力。
3、本发明的一种基于二次曲线边界盲孔的声发射信号增强方法，有益效果在于：
(1)本发明实现方法简单，仅需在待检测的板状结构中加工出一个二次曲线边界的孔即可增强信号；
(2)本方法实现增强信号的同时，对原有信号的信息基本没有改变，保证了待测结构损伤信息的完整性。
(3)本方法可以应用于声发射健康监测领域，实现在减少监测声发射传感器的使用数量的同时，增强声发射系统采集微弱声发射信号能力的目的。
附图说明
图1为增加的二次曲线边界形状。
图2为增加二次曲线边界孔后的板状结构。
图3为声发射信号监测试验台布置的示意图。图中：
1-模拟声发射源位置，2-带有二次曲线边界孔的钢板，3-二次曲线边界的非穿透孔，4-声发射传感器，5-前置放大器，6-声发射信号采集仪，7-计算机。
图4为图3中传感器4采集到的声发射信号时域波形图。
图5为同一点在增加二次曲线边界前后所采集到的声发射信号时域波形对比图。
图6为本发明方法整体流程框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的说明。
本发明的一种基于二次曲线边界盲孔的的声发射信号增强方法，如图6所示，包括以下步骤：
步骤一：在待监测的板状结构上加工一个二次曲线边界的非穿透孔，得到带有二次曲线边界孔的钢板2；如图2所示，其中待监测的板状结构为各向均匀的钢板，尺寸为300×500×6.35mm，二次曲线的边界为h(x)＝6.3653x2.2+0.001m，孔的直径为80mm(如图1所示)。
步骤二：在孔的正下方安装声发射传感器4，以接收声发射信号；
步骤三：将声发射传感器4通过前置放大器5与声发射信号采集仪6相连，再将声发射信号采集仪6连接到计算机7上(如图3所示)；
步骤四：接通电源，打开声发射信号采集仪，然后在待测板状结构上模拟声发射源位置1(如图3所示)处施加五波峰调制正弦激励信号来模拟声发射的发生。
步骤五：观察采集到的波形，若正常则进行数据采集。
其中，在步骤一中所述“二次曲线边界的非穿透孔”是指将板状结构的四周加工成如图1所示的二次曲线的边界形状的孔；具体是指将板状结构中需要安装传感器的位置，加工一个圆形的盲孔。盲孔的底部可以安装传感器。在孔的边缘，板的厚度按二次曲线逐渐减薄，形成二次曲线边界的盲孔
其中，在步骤二中所述的“声发射传感器”是压电谐振传感器，也可以是其它能够测试声发射的传感器；
其中，在步骤三中所述的“声发射检测仪”可采用现有仪器设备，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“五波峰调制正弦激励”是指表达式为F(t)＝(1-cos(2πfct/N))sin2πfct的激励信号，其中fc为激励信号的中心频率，N为调制信号的波峰数，本专利中取N＝5。
图4是没有使用本申请提出的增强方法拾取的声发射信号。从图4中可以看出多个类似五波峰调制正弦波，分别来自于同一激励下，传播不同模式的直达波和一些反射波。图5是使用本申请提出的增强方法前后拾取声发射信号时域波形的对比，从图5中可以看出，采用本发明提出的增强方法后拾取声发射信号在幅值和能量上有较大提高。

Claims (4)

1.一种基于二次曲线边界盲孔的声发射信号增强方法，其特征在于：该方法包括下列步骤：
步骤一：在待监测的板状结构上，在需要安装传感器的位置加工二次曲线边界的非穿透孔；
步骤二：在孔的正下方安装声发射传感器，以接收声发射信号；
步骤三：将声发射传感器与声发射信号采集仪相连；
步骤四：接通电源，打开声发射信号采集仪，然后在待测板状结构上施加五波峰调制正弦激励；
步骤五：观察采集到的波形，若正常则进行数据采集。
2.根据权利要求1所述的一种基于二次曲线边界盲孔的声发射信号增强方法，其特征在于：步骤一中所述二次曲线边界的非穿透孔，是指将板状结构中需要安装传感器的位置，加工一个圆形的盲孔；在孔的边缘，板的厚度按二次曲线逐渐减薄，形成二次曲线边界的盲孔。
3.根据权利要求1所述的一种基于二次曲线边界盲孔的声发射信号增强方法，其特征在于：步骤二中所述的声发射传感器是压电谐振传感器，也可以是其它能够测试声发射的传感器。
4.根据权利要求1所述的一种基于二次曲线边界盲孔的声发射信号增强方法，其特征在于：步骤四中所述的五波峰调制正弦激励，为表达式为F(t)＝(1-cos(2πfct/N))sin2πfct的激励信号，其中fc为激励信号的中心频率，N为调制信号的波峰数。
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