CN109521099A - 基于拾音器相位差相阵的移动式无损检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于拾音器相位差相阵的移动式无损检测方法，通过利用设置在距测试对象表面不同距离的两个以上的拾音器，来拾取测试对象表面激振点激振时产生的声音信号，对声音信号进行増幅率和相位修正做积算处理，然后对积算处理后的信号进行分析，得到测试对象内部的缺陷状态。

Description

基于拾音器相位差相阵的移动式无损检测方法
技术领域
本发明涉及土木、建筑、道桥、水利工程质量安全检测技术领域，具体涉及基于拾音器相位差相阵的移动式无损检测方法。
背景技术
在各类土木工程中，无损检测技术的应用是十分广泛的。无论是公路、铁路的路基填筑、路面铺装，还是桥梁、隧道以及其它重要结构物的施工和维护，处处可以看到无损检测技术的身影。
其中，采用冲击弹性波、超声波是重要的无损检测方法之一。然而，现有的冲击弹性波、超声波检测均采用的接触式测量，需要在被测物体上安装加速度传感器，利用加速度传感器的输出信号实现振动信号的相关测量。但是，由于传感器系统本身的共振特性，以及接触状态的不良，都有可能导致测试信号的误差。另一方面，由于传感器的固定，需要在静止条件下实施，因此无法应用在连续测试中，进而严重地影响测试效率。
而如果能够采用非接触式测试，不仅可以避免传感器与被测表面接触状态的影响，而且可以采用连续移动式的检测，从而大幅提高测试效率。为此，研究者们做了很多努力，其中采用声频检测（打声法）是重要的方法之一。然而，打声法在实际的检测作业中受周围噪声影响大，尽管学者们采用隔音罩等方法试图加以解决，但效果并不理想，因此长期以来打声法仅能作为一般性检测方法，而无法作为精密检测方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于拾音器相位差相阵的移动式无损检测方法，解决使用传统打声法在实际的检测作业中受周围噪声影响大，检测效果不理想的问题，且避免了接触式测试产生的误差，提高测试精度及效率，对该信号进行IE（冲击回波）法分析即可达到快速、准确了解测试结构内部情况的目的。
为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：
基于拾音器相位差相阵的移动式无损检测方法，通过利用设置在距测试对象表面不同距离的两个以上的拾音器，来拾取测试对象表面激振点激振时产生的声音信号，对声音信号进行増幅率和相位修正做积算处理，然后对积算处理后的信号进行分析，得到测试对象内部的缺陷状态。
更进一步的技术方案是，上述中信号P（t）通过公式：P（t）=[ P1（t）+ηP2（t+Δt）]/2得到
其中：P1（t）和P2（t）为单位时间t内两个拾音器分别拾取的振动信号；
η为信号衰减的修正系数；
Δt为激振点处声源发出的声波到达拾音器的时间差。
更进一步的技术方案是，上述中激振点处声源发出的声波到达拾音器的时间差Δt通过公式：Δt=（X2-X1）/Va得到；
其中：X2和X1为两个拾音器到激振点的垂直距离，且X2大于X1；
Va为空气中声波的传播速度。
更进一步的技术方案是，上述中信号衰减的修正系数η，通过公式：P1（t）=ηP2（t+Δt）得到。
更进一步的技术方案是，上述中对处理后的信号P（t）进行频谱分析，其中频谱分析包括为FFT分析和MEM分析。
更进一步的技术方案是，上述中在通过拾音器拾取测试对象表面激振点激振时产生的声音信号同时，通过使用在距测试对象表面激振点不同距离处的拾音器来分析激振点周围的噪声源方向以及频谱特性，同时根据被测线路的纵波特性，确定需要消减的噪声频谱，最后调整拾音器相对于测试对象表面激振点的安放位置，进而消除噪音影响。
更进一步的技术方案是，上述中通过两个拾音器间拾取的从噪声源发出的噪音在Δt时间内进行积算平均得到噪声信号Q（t），然后通过公式2π（Δt+Δtn）/Ts=Δφs得到噪声的相位差Δφs，其中Ts为激振声波信号的周期, Δt为激振点处声源发出的声波到达拾音器的时间差，Δtn为噪声源（4）到达两个所述拾音器之间的时间差；
根据Δφs=（2k+0.5）π～（2k+1.5）π，来调整拾音器的位置与距离激振点的距离。
在本技术方案中，当Δφs满足Δφs=（2k+0.5）π～（2k+1.5）π，两个拾音器采集的噪声信号，进行积算平均后就能很好的得到消除；若相差0.5π或1.5π，则积算平均后最差情况消除噪声剩余0.25π，而若相差π，两噪声信号相位相反，积算平均后就完全消除。
更进一步的技术方案是，上述中当噪声源为正弦波时，根据使Δφs=（2k+1）π时，Q（t）=0，来调整所述拾音器的位置与距离激振点的距离。
更进一步的技术方案是，上述中噪声信号Q（t）通过公式：Q（t）=[ Q1（t）+ Q2（t+Δt）] /2得到；
其中：Q1（t）和Q2（t）分别为单位时间t内两个拾音器拾取的噪声信号；
Δt为激振点发出的声波到达任意两个拾音器的时间差。
更进一步的技术方案是，上述中噪声源到达两个所述拾音器之间的时间差Δtn通过公式：Δtn=[d×cosθ]/ Va得到；
其中：d为两个所述拾音器之间的水平距离；
θ为噪音波线与两个所述拾音器连线的夹角；
Va为空气中声波的传播速度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明解决使用传统打声法在实际的检测作业中受周围噪声影响大，检测效果不理想的问题，并有效避免了接触式测试产生的误差，提高测试精度及效率；
本发明通过对测试结构的测试部位激振并诱发振动以及声响，由不同位置的非接触式拾音装置拾取该声音的不同相位的信号，并根据拾音器位置以及声波的特性对相位差进行修正，进而将修正后的信号进行积算处理后得到所需的测试信号，同时本发明还能够消减周围环境噪声的影响，提高信噪比（SN比），对该信号进行IE（冲击回波）法分析即可达到快速、准确了解测试结构内部情况的目的。
附图说明
图1为本发明结构示意使用图。
图2为本发明激振点处两个拾音器的结构示意图。
图3为本发明噪声源与两个拾音器的结构示意图。
图4为本发明激振点处三个拾音器的结构示意图。
图5为本发明激振点处四个拾音器的结构示意图。
图6为激振后两个拾音器测试得到的信号图。
图7为经积算平均处理后的信号图。
图8为FFT分析图。
图9为MEM分析图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
1） 被测对象为厚度为30cm的隧道混凝土衬砌，据标定其内部传播弹性波P波的波速为4000m/s，据此推算得到的纵波共振周期在0～0.15m/s；
2） 如果采用2个拾音器，通过对周围噪声的测试，发现其噪声源的波线与拾音器连线的夹角大约在60～90°，在结构纵波共振周期内的卓越周期在0.06m/s；
3） 固定两个拾音器的间距在2cm，根据Δt=[d×cosθ]/ Va计算得到Δt≈0～0.06ms，折算噪声相位为0～2π；
4）当要使Δt的折算噪声为π，根据公式2π（Δt+Δtn）/Tn=Δφn，其中Tn为卓越周期，即在本实施例中等于0.06，Δt=d/Va，而Va为空气中声波的传播速度，在本实施例中取340m/s，最后换算得到π=[2π（Δt+Δtn）/Tn]= [2π（d/0.34+Δtn）/0.06]，当Δtn=0时，d=0.34×0.06÷2=0.01m；
5）考虑到拾音器应尽量贴近被测体表面，所以预设的两个拾音器距衬砌表面的距离分别为3mm和13mm；
6）根据标定，两个拾音器的振幅修正系数η=1.05；
7）激振后两个拾音器测试得到的信号如图4；
8）经 [ P1（t）+ηP2（t+Δt）]/2= P（t）处理后的信号如图5；
9）将处理后的信号进行FFT分析的结果如图6；
10）将处理后的信号进行MEM分析结果如图7；
可以看出，经过上述处理得到的信号，可以更有效地检测衬砌的内部缺陷。
根据公式Δφs=2π（Δt+Δtn）/Ts=[2π（0.01/0.34+0.01 cosθ/0.34）/0.06]=（1+cosθ）π；
当角度为60°时，Δφs=1.5π，角度为90°时，Δφs=π，角度从60°到90°，Δφs逐渐变小，所以当角度为60°时，消除效果差。
同时，经过上述分析也可以得到，当θ在75°前后时，上述设置对噪声的消除效果就会很差。此时，即可采用三传感器或四传感器配置。
尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变形和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (10)

1.一种基于拾音器相位差相阵的移动式无损检测方法，其特征在于：通过利用设置在距测试对象表面不同距离的两个以上的拾音器（2），来拾取测试对象表面激振点（1）激振时产生的声音信号，对声音信号进行増幅率和相位修正做积算处理，然后对积算处理后的信号进行分析，得到测试对象内部的缺陷状态。
2.根据权利要求1所述的基于拾音器相位差相阵的移动式无损检测方法，其特征在于：所述信号P（t）通过公式：P（t）=[ P1（t）+ηP2（t+Δt）]/2得到；
其中：P1（t）和P2（t）为单位时间t内两个拾音器（2）分别拾取的振动信号；
η为信号衰减的修正系数；
Δt为激振点（1）处声源发出的声波到达拾音器（2）的时间差。
3.根据权利要求2所述的基于拾音器相位差相阵的移动式无损检测方法，其特征在于：所述激振点（1）处声源发出的声波到达拾音器（2）的时间差Δt通过公式：Δt=（X2-X1）/Va得到；
其中：X2和X1为两个拾音器（2）到激振点（1）的垂直距离，且X2大于X1；
Va为空气中声波的传播速度。
4.根据权利要求2所述的基于拾音器相位差相阵的移动式无损检测方法，其特征在于：信号衰减的修正系数η，通过公式：P1（t）=ηP2（t+Δt）得到。
5.根据权利要求1所述的基于拾音器相位差相阵的移动式无损检测方法，其特征在于：对处理后的信号P（t）进行频谱分析，其中所述频谱分析包括为FFT分析和MEM分析。
6.根据权利要求1所述的基于拾音器相位差相阵的移动式无损检测方法，其特征在于：在通过拾音器（2）拾取测试对象表面激振点（1）激振时产生的声音信号同时，通过使用在距测试对象表面激振点（1）不同距离处的拾音器（2）来分析激振点（1）周围的噪声源（4）方向以及频谱特性，同时根据被测线路的纵波特性，确定需要消减的噪声频谱，最后调整拾音器（2）相对于测试对象表面激振点（1）的安放位置，进而消除噪音影响。
7.根据权利要求6所述的基于拾音器相位差相阵的移动式无损检测方法，其特征在于：通过两个拾音器（2）间拾取的从噪声源（4）发出的噪音在Δt时间内进行积算平均得到噪声信号Q（t），然后通过公式2π（Δt+Δtn）/Ts=Δφs得到噪声的相位差Δφs，其中Ts为激振声波信号的周期, Δt为激振点（1）处声源发出的声波到达拾音器（2）的时间差，Δtn为噪声源（4）到达两个所述拾音器（2）之间的时间差；
根据Δφs=（2k+0.5）π～（2k+1.5）π，来调整拾音器（2）的位置与距离激振点（1）的距离。
8.根据权利要求7所述的基于拾音器相位差相阵的移动式无损检测方法，其特征在于：当噪声源（4）为正弦波时，根据使Δφs=（2k+1）π时，Q（t）=0，来调整所述拾音器（2）的位置与距离激振点（1）的距离。
9.根据权利要求7所述的基于拾音器相位差相阵的移动式无损检测方法，其特征在于：所述噪声信号Q（t）通过公式：Q（t）=[ Q1（t）+ Q2（t+Δt）] /2得到；
其中：Q1（t）和Q2（t）分别为单位时间t内两个拾音器（2）拾取的噪声信号；
Δt为激振点（1）发出的声波到达任意两个拾音器（2）的时间差。
10.根据权利要求7所述的基于拾音器相位差相阵的移动式无损检测方法，其特征在于：噪声源（4）到达两个所述拾音器（2）之间的时间差Δtn通过公式：Δtn=[d×cosθ]/ Va得到；
其中：d为两个所述拾音器（2）之间的水平距离；
θ为噪音波线与两个所述拾音器（2）连线的夹角；
Va为空气中声波的传播速度。
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