CN111239256A - 适用于三维结构的声发射源定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于三维结构的声发射源定位方法，属于声源定位技术领域。通过直角四面体型传感器阵列的时差信息和空间信息定位声发射源的位置。步骤包括：建立三维声发射源定位传感器阵列、记录并且存储各传感器接收到的来自声源的声波信号、分析声波信号图得到所需时差、根据时差确定声源位置。不仅适用于各向同性材料，也能够很好的适用于各向异性材料；仅需要8个超声波传感器，能够大大减少连续监测结构的成本；不需要任何迭代算法，有效地提高了定位精度和速度。本发明对声发射检测中的声源定位问题提出了新的方法，通过及时发现损伤及潜在威胁从而保障结构的安全性，在航天航海、土木工程、大小型机械等领域有良好的应用前景。

Description

适用于三维结构的声发射源定位方法

技术领域

本发明涉及声源定位技术领域，特别涉及一种适用于三维结构的声发射源定位方法。

背景技术

三维结构在压力容器、大型复杂工程结构、卫星、飞机和宇航等领域应用广泛。然而，三维结构中的声源定位是一项艰巨的任务，尤其在结构材料属性未知甚至存在各向异性的情况下。此时大量未知参数需要大量传感器阵列或者复杂的迭代计算才能进行精确的源定位。

声发射技术是一种重要的动态无损检测方法，通过材料局部因能量的快速释放而发出瞬态弹性应力波传播到材料表面，被传感器接收并引起传感器晶片的振动，而传感器将这种振动转化为电信号，电信号最终被放大、处理和记录下来。对观察到的声发射信号特征进行分析、判断，以获得声发射的产生部位、产生机制等信息，从而了解材料或构件的状况。声发射源定位是声发射技术研究领域的核心主题之一。时差定位是一种精确而快捷的定位方式，广泛用于试样和构件的检测。利用波在传播过程中的时间信息，可由时空坐标关系来推断未知对象的空间位置，这种思想在地震研究，无损检测和全球定位系统等领域都有重要的应用。传统的声源定位及GPS模拟利用4个传感器接收信号的时差信息，通过复杂的迭代算法求解非线性方程从而预测声发射源位置。这种常规实验方法要求结构材料是声学各向同性的，且结构内的声学特性如声速已知，计算过程较为繁琐，非线性计算结果存在多解错解，不利于实时监测的实现和普及。截止目前，所有三维结构上声源定位的方法都需要依赖结构的速度知识或一系列密集的传感器来实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于三维结构的声发射源定位方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明针对无法提前获得三维结构特性的情况，提出了一种仅需少量超声波传感器即可进行的声发射源定位方法，对该方法的理论关系进行了描述和实验验证。本发明可以有效地改进声发射源定位实验过程，无需了解结构内声速相关信息，利用8个传感器接收的时差信息和空间信息对声源进行定位，计算速度快且可以获得较高精度。为实现三维结构的声发射监控提供了一种方便可行的方法。实验结果表明，该技术适用于三维结构的声发射源定位问题，可以有效地通过被动监测技术来定位三维结构的声源位置。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

适用于三维结构的声发射源定位方法，包括如下步骤：

步骤A、建立三维结构声发射源定位传感器阵列；

步骤B、记录并且存储各传感器接收到的来自声源的声波信号；

步骤C、分析声波信号图得到所需时差；

步骤D、根据时差确定声源位置。

步骤A所述的建立三维结构声发射源定位传感器阵列，具体是：

以传感器S₄为原点，在x、y、z坐标轴方向上距离传感器S₄距离为d的位置布置三个传感器S₁、S₂、S₃，建立直角四面体型传感器阵列，在坐标系的另一侧放置另外四个传感器S₅、S₆、S₇、S₈建立一组相同或对称的传感器阵列，两组直角四面体型传感器阵列组成三维结构声发射源定位传感器阵列。

步骤C所述的分析声波信号图得到所需时差，具体是：

裂纹的产生或者外物的影响都会产生声波，三维固体结构中声源生成的波都不是单一的波，传感器陆续接收到的波加上边界反射会变得更复杂；但是，纵波的速度最快会最先到达，因此通过首波的分析得到同一波阵面的到达时差；由于声学事件生成声波的准确时间T₀是未知的，所以无法从到达传感器S₁…S₈的时刻T₁…T₈获得精准的传播时间t₁…t₈；但是，声波的到达时差很容易获得，从声源P到第i、j个传感器S_i、S_j的传播时间差表示为Δt_ij：

Δt_ij＝t_i-t_j＝(T_i-T₀)-(T_j-T₀)＝ΔT_ij

尽管声波到达传感器的时刻T_i、T_j和时间t_i、t_j不同，但是它们的差ΔT_ij和Δt_ij却是一样的；分析传感器S₁…S₈接收到的声波信号图，通过读取首波到达时刻的不同，得到并记录声波到任意两个所需传感器的时差；如果三维结构中的波速定义为c，传播距离定义为d_i，那么声波从第i个传感器到第j个传感器的时差与从第i个传感器到第j个传感器的距离关系为d_ij＝c×Δt_ij。

步骤D所述的根据时差确定声源位置，具体步骤如下：

通过一组直角四面体型传感器阵列的时差，确定一条声源所在的直线即传播方向；传感器S₁、S₂、S₃在S₄等距且两两垂直的方向上，假设传感器S₁、S₂、S₃、S₄的坐标为(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)、(x₄，y₄，z₄)，则三个接收传感器的坐标关系是：x₁＝x₄+d，y₂＝y₂+d和z₃＝z₄+d；声源P的坐标是(x_p，y_p，z_p)；声源到第i个传感器S_i的距离d_i需远大于传感器之间的距离d，此时PS₁、PS₂、PS₃和PS₄的斜率接近，声波到达同一阵列中的传感器时，球形波阵面看做平面波阵面，即使对于各向异性的材料，声源到各传感器方向上的波速c也可看做相同，从声源到位于顶点的传感器(S₄)的方向与其他传感器S_i的方向之间的夹角θ_i，用时间差表示为

声源P在xy平面上的投影为P_xy，故线PP_xy垂直于xy平面，得出

S₄P_xy和y轴之间的夹角

从上式推导获得：

P_yz是声源P在yz平面上的投影；遵循上述步骤，S₄P_yz的投影和z轴之间的夹角

通过时差表示为：

声源P(x_p，y_p，z_p)的坐标表示为：

声源的方向由直角四面体型传感器阵列中的不同传感器的声波到达时间差确定；

同样的，在一组直角四面体型传感器阵列的基础上再增加一组相同或对称的传感器阵列，获得另外一条声源所在的直线即声源的方向，两条声源所在直线的交点即为声源所在位置；

传感器S₅、S₆、S₇和S₈的坐标分别为(x₅，y₅，z₅)、(x₆，y₆，z₆)、(x₇，y₇，z₇)和(x₈，y₈，z₈)，得到x₅＝x₈+d，y₆＝y₈-d，z₇＝z₈+d；然后从第二个直角四面体型传感器阵列的声波到达时差确定源的第二方向，将其描述为

从两个直角四面体型传感器阵列获得的两个方向的交点即声源位置，通过如下公式获得：

因此三维结构中的声发射源可以通过具有8个传感器的两个直角四面体型传感器阵列定位，并且不需要提前已知材料特性。

本发明的有益效果在于：本发明通过直角四面体型传感器阵列的时差信息和空间信息定位声发射源的位置，适用于三维结构进行快速的声发射源定位。较传统的定位方法而言，对于构成材料的特性不需要提前已知，不仅适用于各向同性材料，也能够很好的适用于各向异性材料；仅需要8个超声波传感器，能够大大减少连续监测结构的成本；不需要任何迭代算法，有效地提高了定位精度和速度。本发明对声发射检测中的声源定位问题提出了新的方法，通过及时发现损伤及潜在威胁从而保障结构的安全性，在航天航海、土木工程、大小型机械等领域有良好的应用前景。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的一组直角四面体型传感器阵列；

图2为本发明的声源定位原理图；

图3为本发明的三维结构声源定位方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1及图2所示，本发明的适用于三维结构的声发射源定位方法，较传统的定位方法而言，对于构成材料的特性不需要提前测知，不仅适用于各向同性材料，也能够很好的适用于各向异性材料，仅需要8个超声波传感器，能够大大减少连续监测结构的成本，不需要任何迭代算法，线性计算有效地提高了定位精度和速度，更加适用于三维结构的声源定位。声发射检测技术是一种重要的无损检测方法，通过及时发现损伤及潜在威胁从而保障结构的安全性。本发明对声发射检测中的声源定位问题提出了新的方法，在航天航海、土木工程、大型机械等领域有良好的应用前景。包括如下步骤：

步骤A、建立三维结构声发射源定位传感器阵列，用四个传感器S₁、S₂、S₃、S₄建立直角四面体型传感器阵列，以传感器S₄为原点，在x、y、z坐标轴方向上距离传感器S₄距离为d的位置布置三个传感器S₁、S₂、S₃，如图1所示。在坐标系的另一侧放置另外四个传感器S₅、S₆、S₇、S₈建立一组相同或对称的传感器阵列，两组直角四面体型传感器阵列组成三维结构声发射源定位传感器阵列，如图2所示；

步骤B、记录并且存储各传感器接收到的来自声源的声波信号；

步骤C、分析声波信号图得到所需时差；裂纹的产生或者外物的影响都会产生声波，三维固体结构中声源生成的波都不是单一的波，传感器陆续接收到的波加上边界反射等会变得更复杂。但是，纵波的速度最快会最先到达，因此通过首波的分析可以得到同一波阵面的到达时差。由于声学事件生成声波的准确时间T₀是未知的，所以无法从到达传感器S₁…S₈的时刻T₁…T₈获得精准的传播时间t₁…t₈；但是，声波的到达时差很容易获得，从声源P到传感器S_i和S_j的传播时间差表示为Δt_ij：

Δt_ij＝t_i-t_j＝(T_i-T₀)-(T_j-T₀)＝ΔT_ij

尽管声波到达传感器的时刻T_i与T_j和时间t_i与t_j不同，但是他们的差ΔT_ij和Δt_ij却是一样的；分析传感器S₁…S₈接收到的声波信号图，通过读取首波到达时刻的不同，得到并记录声波到任意两个所需传感器的时差。如果三维结构中的波速定义为c，传播距离定义为d_i，那么声波从第i个传感器到第j个传感器的时差与从第i个传感器到第j个传感器的距离关系为d_ij＝c×Δt_ij。

步骤D、根据时差确定声源位置，步骤如下：

通过一组直角四面体型传感器阵列中的传感器空间关接收到的时差，可以确定一条声源所在的直线即传播方向。传感器S₁、S₂、S₃在S₄等距且两两垂直的方向上，假设传感器S₁、S₂、S₃、S₄的坐标为(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)和(x₄，y₄，z₄)，则三个接收传感器的坐标关系是：x₁＝x₄+d，y₂＝y₂+d和z₃＝z₄+d；声源P的坐标是(x_p，y_p，z_p)；声源到第i个传感器S_i的距离d_i需远大于传感器之间的距离d，此时PS₁、PS₂、PS₃和PS₄的斜率接近，声波到达同一阵列中的传感器时，球形波阵面可以近似看做平面波阵面，即使对于各向异性的材料，声源到各传感器方向上的波速c也可看做相同，从声源到位于顶点的传感器(S₄)的方向与其他传感器S_i的方向之间的夹角θ_i，如图1所示，可以用时间差表示为

声源P在xy平面上的投影为P_xy，故线PP_xy垂直于xy平面，不难看出

S₄P_xy和y轴之间的夹角

可以从上式推导获得：

P_yz是声源P在yz平面上的投影。遵循与上述类似的步骤，S₄P_yz的投影和z轴之间的夹角

可以通过时差表示为：

声源P(x_p，y_p，z_p)的坐标可以表示为：

声源的方向可以由直角四面体型传感器阵列中的不同传感器的声波到达时间差确定。

同样的，在一组直角四面体型传感器阵列的基础上再增加一组相同或对称的传感器阵列，可以获得另外一条声源所在的直线即声源的方向，两条声源所在直线的交点即为声源所在位置，如图2所示；

传感器S₅、S₆、S₇和S₈的坐标分别为(x₅，y₅，z₅)、(x₆，y₆，z₆)、(x₇，y₇，z₇)和(x₈，y₈，z₈)。如图2所示，很容易看到x₅＝x₈+d，y₆＝y₈-d，z₇＝z₈+d。然后可以从第二个直角四面体型传感器阵列的声波到达时差确定源的第二方向，可以将其描述为

从两个直角四面体型传感器阵列获得的两个方向的交点即声源位置可以通过如下公式获得：

因此三维结构中的声发射源可以通过具有8个传感器的两个直角四面体型传感器阵列定位，并且不需要提前已知材料特性。

实施例：

三维结构中的声源定位是一项艰巨的任务。本发明提出了一种新技术，该技术适用于三维结构进行快速的声发射源定位。较传统的定位方法而言，对于构成材料的特性不需要提前已知，不仅适用于各向同性材料，也能够很好的适用于各向异性材料；仅需要8个超声波传感器，能够大大减少连续监测结构的成本；不需要任何迭代算法，有效地提高了定位精度和速度。本发明对声发射检测中的声源定位问题提出了新的方法，通过及时发现损伤及潜在威胁从而保障结构的安全性，在航天航海、土木工程、大小型机械等领域有良好的应用前景。

具体步骤如下：

步骤A，在三维笛卡尔坐标系下建立20cm×20cm×20cm铝立方体的有限元模型，在均匀的三维结构中以数值模拟方式验证新技术。点声源发出的球面波随着时间向外传播扩散。8个域点探针作为接收传感器，间距为d＝2cm，摆放成两组传感器阵列。

步骤B，记录并存储S₁…S₈位置处接收到的来自声源的波形图；

步骤C，通过计算首波到达的时刻差，来获得所需不同传感器对(S_i和S_j)接收声信号的到达时间差(Δt_ij)。

步骤D，根据三维结构的声源定位方法对声源进行定位，由第一组传感器阵列的到达时差数据得到一条过传感器S₄的声源所在直线，其在xy和yz平面的投影斜率为：

由第二组传感器阵列的到达时差数据得到另外一条过传感器S₈的声源所在直线，其在xy和yz平面的投影斜率为：

根据三维结构的声源定位方法原理编写计算程序，再由传感器S₄、S₈的空间坐标求得声源所在的两条直线在xy和yz平面的投影交点，从而求出声源所在位置。

实验结果如表1所示，定义预测声源位置(xx，yy，zz)与实际声源位置(x_p，y_p，z_p)之间的误差表达式为：

改变声发射源位置，进行多次模拟，表1比较了实际声源和来自数值模拟数据的预测声源。计算出的误差很小，意味着所提出的技术可以在三维结构中准确地定位声发射源。

表1.三维声发射源定位的仿真结果

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种适用于三维结构的声发射源定位方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤A、建立三维结构声发射源定位传感器阵列；

步骤B、记录并且存储各传感器接收到的来自声源的声波信号；

步骤C、分析声波信号图得到所需时差；

步骤D、根据时差确定声源位置。

2.根据权利要求1所述的适用于三维结构的声发射源定位方法，其特征在于：步骤A所述的建立三维结构声发射源定位传感器阵列，具体是：

以传感器S₄为原点，在x、y、z坐标轴方向上距离传感器S₄距离为d的位置布置三个传感器S₁、S₂、S₃，建立直角四面体型传感器阵列，在坐标系的另一侧放置另外四个传感器S₅、S₆、S₇、S₈建立一组相同或对称的传感器阵列，两组直角四面体型传感器阵列组成三维结构声发射源定位传感器阵列。

3.根据权利要求1所述的适用于三维结构的声发射源定位方法，其特征在于：步骤C所述的分析声波信号图得到所需时差，具体是：

裂纹的产生或者外物的影响都会产生声波，三维固体结构中声源生成的波都不是单一的波，传感器陆续接收到的波加上边界反射会变得更复杂；但是，纵波的速度最快会最先到达，因此通过首波的分析得到同一波阵面的到达时差；由于声学事件生成声波的准确时间T₀是未知的，所以无法从到达传感器S₁…S₈的时刻T₁…T₈获得精准的传播时间t₁…t₈；但是，声波的到达时差很容易获得，从声源P到第i、j个传感器S_i、S_j的传播时间差表示为Δt_ij：

Δt_ij＝t_i-t_j＝(T_i-T₀)-(T_j-T₀)＝ΔT_ij

尽管声波到达传感器的时刻T_i、T_j和时间t_i、t_j不同，但是它们的差ΔT_ij和Δt_ij却是一样的；分析传感器S₁…S₈接收到的声波信号图，通过读取首波到达时刻的不同，得到并记录声波到任意两个所需传感器的时差；如果三维结构中的波速定义为c，传播距离定义为d_i，那么声波从第i个传感器到第j个传感器的时差与从第i个传感器到第j个传感器的距离关系为d_ij＝c×Δt_ij。

4.根据权利要求1所述的适用于三维结构的声发射源定位方法，其特征在于：步骤D所述的根据时差确定声源位置，具体步骤如下：

通过一组直角四面体型传感器阵列的时差，确定一条声源所在的直线即传播方向；传感器S₁、S₂、S₃在S₄等距且两两垂直的方向上，假设传感器S₁、S₂、S₃、S₄的坐标为(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)、(x₄，y₄，z₄)，则三个接收传感器的坐标关系是：x₁＝x₄+d，y₂＝y₂+d和z₃＝z₄+d；声源P的坐标是(x_p，y_p，z_p)；声源到第i个传感器S_i的距离d_i需远大于传感器之间的距离d，此时PS₁、PS₂、PS₃和PS₄的斜率接近，声波到达同一阵列中的传感器时，球形波阵面看做平面波阵面，即使对于各向异性的材料，声源到各传感器方向上的波速c也可看做相同，从声源到位于顶点的传感器(S₄)的方向与其他传感器S_i的方向之间的夹角θ_i，用时间差表示为

声源P在xy平面上的投影为P_xy，故线PP_xy垂直于xy平面，得出

S₄P_xy和y轴之间的夹角

从上式推导获得：

P_yz是声源P在yz平面上的投影；遵循上述步骤，S₄P_yz的投影和z轴之间的夹角

通过时差表示为：

声源P(x_p，y_p，z_p)的坐标表示为：

声源的方向由直角四面体型传感器阵列中的不同传感器的声波到达时间差确定；

同样的，在一组直角四面体型传感器阵列的基础上再增加一组相同或对称的传感器阵列，获得另外一条声源所在的直线即声源的方向，两条声源所在直线的交点即为声源所在位置；

传感器S₅、S₆、S₇和S₈的坐标分别为(x₅，y₅，z₅)、(x₆，y₆，z₆)、(x₇，y₇，z₇)和(x₈，y₈，z₈)，得到x₅＝x₈+d，y₆＝y₈-d，z₇＝z₈+d；然后从第二个直角四面体型传感器阵列的声波到达时差确定源的第二方向，将其描述为

从两个直角四面体型传感器阵列获得的两个方向的交点即声源位置，通过如下公式获得：

因此三维结构中的声发射源可以通过具有8个传感器的两个直角四面体型传感器阵列定位，并且不需要提前已知材料特性。

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