CN112946085A - 一种板状结构损伤声源超声定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种板状结构损伤声源超声定位方法，包括：在待监测的板状结构表面布置一对非接触MEMS传感器阵列，二者连线中点作为坐标原点建立坐标系；信号采集系统记录并且存储各传感器接收到的来自声源的表面波信号；分别对两个阵列采集到的信号进行波束形成，得到穿过波束的两个直线方程；两条直线在二维平面内相交，得到声发射源的预测位置坐标。本发明采用无需接触被监测物体的MEMS传感器接收泄漏到物体表面的声发射信号用于定位，可以有效避免传统接触式定位中传感器与被测物体间耦合剂对信号的影响。本发明对板状结构损伤的声发射源定位提出了新的方法，特别适用于大型工程中板状结构损伤在线监测。
Description
技术领域
本发明属于声发射源定位技术领域，具体地说，特别涉及一种基于双非接触MEMS传感器阵列的板状结构损伤声发射源超声定位方法。
背景技术
工程领域广泛使用各种板状或类板(如壳)结构，如隧道的衬砌，大桥的面板，以及压力容器、飞机的机身和潜艇的壳体等等。这些板状结构在整体结构中往往起到骨架的作用，如果这些结构发生损伤，不仅影响整体性能，甚至导致整个工程的毁损。目前，工程中常用的无损检测方法主要有：磁粉检测，涡流检测，X射线检测和超声回波检测。这些方法各有其应用领域和敏感的损伤类型，且均为局部无损检测，一般需要对结构每一处进行离线扫查，不适用于大型工程结构的在线监测。
声发射(Acoustic Emission,简称AE)是指材料变形和破裂过程中局部能量快速释放而向外传播应力波的现象。声发射源定位技术是声发射技术需要解决的核心问题之一。目前声发射源定位的主要方法是到达时差法，即利用多个位置接收到的纵波(P波)到达时间差来确定声源位置，而要准确得到P波到达时间，就需要稀疏布置大量传感器，并且对于三维结构损伤定位就需要在被测对象的三个互垂直面布置传感器，这对于很多只有一个面可以布置传感器的大型工程结构来说不仅实施困难，而且定位精度差，只适用于单个声源定位，计算过程繁琐，结果存在多解，不利于工程中实时监测的实现。
目前工程机构中大型板状结构无法在三维情况下布置传感器。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种板状结构损伤声源超声定位方法。所述技术方案如下：
一方面，提供了一种板状结构损伤声源超声定位方法，包括如下步骤：
步骤A：在待监测的板状结构表面布置一对非接触MEMS传感器阵列，二者连线中点作为坐标原点建立坐标系；
步骤B：信号采集系统记录并且存储各传感器接收到的来自声源的表面波信号；
步骤C：分别对两个阵列采集到的信号进行波束形成，得到穿过波束的两个直线方程；
步骤D：两条直线在二维平面内相交，得到声发射源的预测位置坐标。
进一步地，所述步骤A中，所述板状结构指的是厚度明显小于长和宽的工程结构。
进一步地，所述步骤A中，所述非接触MEMS传感器阵列是由多个空气耦合MEMS传感器为单元构成的十字线型排列的传感器阵列。
进一步地，所述步骤A中，所述二者连线中点作为坐标原点建立坐标系具体为：
十字线型传感器阵列中心的连线中点坐标作为原点，连线作为X轴，垂直于连线且过连线中点的垂线作为Y轴。
进一步地，所述步骤B中，所述信号采集系统是由多通道信号采集卡，数据线，可移动支架和计算机组成；所述可移动支架用于固定传感器阵列和数据采集卡。
进一步地，所述步骤C中，所述波束形成是一种延时振幅叠加的声发射源定位方法；
所述穿过波束的两个直线方程具体为：
沿着波束的伸展方向，并且穿过波束中心的直线方程，通过波束中心的两点确定。
进一步地，所述步骤D中，所述两条直线在二维平面内相交具体为：
在两个监测传感器阵列所在的平面内，由两条波束得到的两条直线理论上会相交于一点，这个点的坐标就是声源位置。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
(1)本方法实施简单，无需将传感器粘贴在被测对象表面，不仅安装方便而且消除了耦合剂对接收信号的不良影响；
(2)本发明由于使用MEMS传感器来接收声信号，因而成本低廉，便于实施板状结构大范围声发射监测；
(3)本发明提出的MEMS传感器阵列相比于传统单一传感器，具有更强的信号增益、干扰抑制和更高的空间分辨力。
(4)本发明提出的非接触MEMS传感器阵列只需布置在被测对象的一个表面，克服传统时差法传感器需要三维立体布置的不便。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的一种板状结构损伤声源超声定位方法的流程图。
图2是本发明实施例中非接触MEMS传感器阵列的示意图；
图3是本发明实施例中波束形成的声源定位原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本实施例中，提供了一种板状结构损伤声源超声定位方法，参见图1，包括以下步骤：
步骤A：在笛卡尔坐标系中建立1000mm×1000mm×50mm有限元模型，在三维混凝土板状结构中以数值模拟方式验证该新方法。点声源发出的球面波向四周传播，十字形的9个点作为一个接收传感器阵列，点间距为30mm。在X方向相距阵列中心点300mm处再布置同样的一个阵列，一这两个阵列中心点连线为X轴，连线中点为坐标系原点，垂直于连线国过中点的直线为Y轴，则此时阵列1中心点的坐标为(-300，0)，阵列2中心点的坐标为(300，0)，同时可以得到18个接收点的坐标，设置3个点模拟声源；
步骤B：分别记录并且存储18个点接收到的来自声源的表面波信号；
步骤C：分别对两个阵列采集到的信号进行波束形成，在第一条波束中心线上取两点A(xa,ya)和B(xb,yb),得到一个直线方程y＝(yb-ya)(x-xa)/(xb-xa)+ya；在第二条波束中心上取两点C(xc,yc)和D(xd,yd),得到一个直线方程y＝(yd-yc)(x-xc)/(xd-xc)+yc；
步骤D：两条直线在二维平面内相交，得到声发射源的预测位置坐标，各个声发射定位结果如下表1。
表1
| 编号 | 实际声源(mm) | 预测声源(mm) | 误差 |
| 1 | (120，500) | (122.00，501.00) | 2.23 |
| 2 | (-60，300) | (-60.00，301.00) | 1.00 |
| 3 | (0，800) | (0.51，802.00) | 2.06 |
表中误差定义：
以上所述仅为结合本次实例进行说明，本发明可以发生一些变动，比如非接触MEMS阵列的形状变化、所用传感器数目的变化等。
具体地，波束成形方法是基于传感器阵列检测的阵列信号处理技术，在声呐、通讯和噪声源定位等领域应用广泛。波束成形方法的传感器阵列布置简单，可同时对多个声源定位，抗噪声能力强，并且不需要精确测量多个位置的初至时间。波束成形方法不仅可以利用P波振幅，其他所有直达波都可以用来确定入射AE波的到达方向，因而该方法对大型工程结构健康监测最有潜力。
对于板状结构来说，从声发射源传播的应力波向四周传播，其中在表面传播的表面波振幅能量大，不仅传播最远，而且向空气中泄露能量，这就是形成了泄露表面波。通过检测泄露表面波，就可以对板内部声源进行非接触定位。
表面波束形成法原理如图3所示，在监测对象表面布置两个预制的传感器阵列，通过对传感器阵列测量信号进行波束成形处理，得到AE源信号波束。
延时叠加波束形成算法的基本公式是：
其中
是聚焦平面上点的向量位置，fn是第m个传感器记录的时域信号，Δn是相对延迟时间。相对延时利用绝对延时τn按照Δn＝τn-min(τn)来计算，绝对延时是τn＝dn/c，其中c是声速，dn是每个传感器到聚焦成像平面内点的距离。通过以上算法，从同一个方向和速度传播来的声波将会加强，而从不同方向和速度的波将会减弱，也就是说，如果从同一声源发出的波是相关的，而噪音是不相关的波，这样波束成形法可以增加信噪比。由于波束成形法受到传感器阵列大小和阵列中传感器数目影响，所以本发明在满足监测要求和减低成本的前提下，如图2所示，选择9个传感器构成最大长度20cm的十字形非接触式阵列，两个阵列同时布置，在监测范围内形成两条相交波束，从而得到较高精度的声源位置，由于是非接触式传感器易于快速布置和撤收，非常适合对大型工程结构进行在线监测。
本发明的基本原理：通过一对非接触MEMS传感器阵列接收的声发射波形信号进行波束成形，原理图如图3所示。阵列信号处理可以增强需要的信号，抑制无用的干扰和噪声，非常适合工程实际中多噪声的工作环境。每个传感器阵列采集多路声发射信号形成一道波束，两道波束中心直线的交点，即为声源的坐标。相比与传统的接触式声发射源定位方法，本发明采用无需接触被监测物体的MEMS传感器接收泄漏到物体表面的声发射信号用于定位，可以有效避免传统接触式定位中传感器与被测物体间耦合剂对信号的影响，MEMS传感器成本低廉(单价低于1￥)，能够大大减少连续监测的成本；灵敏度高，有效地提高了定位精度和速度，而且性能稳定，非常适于土木工程和航天航海工程中大型板状结构健康监测。
本发明很适合于工程在线监测，无需考虑被测对象表面粗糙度对传感器布置的影响，利用2个非接触式传感器阵列接收的声发射时域信号对声源进行定位，为实现大型板状工程结构损伤的声发射在线监测提供了一种方便可行的方法。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，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 (7)
1.一种板状结构损伤声源超声定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A：在待监测的板状结构表面布置一对非接触MEMS传感器阵列，二者连线中点作为坐标原点建立坐标系；
步骤B：信号采集系统记录并且存储各传感器接收到的来自声源的表面波信号；
步骤C：分别对两个阵列采集到的信号进行波束形成，得到穿过波束的两个直线方程；
步骤D：两条直线在二维平面内相交，得到声发射源的预测位置坐标。
2.如权利要求1所述的板状结构损伤声源超声定位方法，其特征在于，所述步骤A中，所述板状结构指的是厚度明显小于长和宽的工程结构。
3.如权利要求1所述的板状结构损伤声源超声定位方法，其特征在于，所述步骤A中，所述非接触MEMS传感器阵列是由多个空气耦合MEMS传感器为单元构成的十字线型排列的传感器阵列。
4.如权利要求1所述的板状结构损伤声源超声定位方法，其特征在于，所述步骤A中，所述二者连线中点作为坐标原点建立坐标系具体为：
十字线型传感器阵列中心的连线中点坐标作为原点，连线作为X轴，垂直于连线且过连线中点的垂线作为Y轴。
5.如权利要求1所述的板状结构损伤声源超声定位方法，其特征在于，所述步骤B中，所述信号采集系统是由多通道信号采集卡，数据线，可移动支架和计算机组成；所述可移动支架用于固定传感器阵列和数据采集卡。
6.如权利要求1所述的板状结构损伤声源超声定位方法，其特征在于，所述步骤C中，所述波束形成是一种延时振幅叠加的声发射源定位方法；
所述穿过波束的两个直线方程具体为：
沿着波束的伸展方向，并且穿过波束中心的直线方程，通过波束中心的两点确定。
7.如权利要求1所述的板状结构损伤声源超声定位方法，其特征在于，所述步骤D中，所述两条直线在二维平面内相交具体为：
在两个监测传感器阵列所在的平面内，由两条波束得到的两条直线理论上会相交于一点，这个点的坐标就是声源位置。
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