CN114166339B - 一种低频结合高频二次波束形成定位方法 - Google Patents

一种低频结合高频二次波束形成定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种低频结合高频二次波束形成定位方法，属于机械设备状态监测及故障诊断技术领域。本发明包括：通过各声发射传感器采集待测结构损伤时发出的声发射信号；通过主瓣、旁瓣影响因子与最大旁瓣级来确定传感器直线阵列对应的高低两种最优频带；信号通过包络降频使其频率范围满足定位最优低频带，再通过声发射波束形成算法进行低频定位后再确定主瓣范围；信号通过滤波使其频率范围满足定位最优高频带，再通过声发射波束形成算法，在已确定的主瓣范围内进行二次波束形成定位，最终波束形成输出值的最大值对应的位置即为声源的定位结果；本表明的定位方法可以避免旁瓣对定位精度的影响，改善直线阵列垂直于阵列方向定位分辨率较低的问题。

Description

一种低频结合高频二次波束形成定位方法
技术领域
本发明涉及一种低频结合高频二次波束形成定位方法，属于机械设备状态监测及故障诊断技术领域。
背景技术
平面构件广泛应用在各种机械设备，若出现故障会影响机械设备的正常运行。声发射检测主要包括三个方面:分析声发射源性质、评估声发射源的严重程度、准确确定声发射源位置，声发射技术的核心问题是声发射源定位。声源定位使用用直线阵列、十字阵列、圆形阵列、三角阵列等。从几何上看都可以视为直线阵列的延伸，对于声发射定位最常用的直线阵列一直存在垂直于阵列方向的定位分辨率较低的问题，同时定位产生的旁瓣对定位有一定影响。
发明内容
本发明提供了一种低频结合高频二次波束形成定位方法，以用于解决声发射定位常用的直线阵列垂直于阵列方向定位分辨率较低的问题，有效地用于平面构件声发射源定位。
本发明的技术方案是：一种低频结合高频二次波束形成定位方法，所述方法包括：
S1、通过各声发射传感器采集待测结构损伤时发出的声发射信号；
S2、通过主瓣、旁瓣影响因子与最大旁瓣级来确定传感器直线阵列对应的高低两种最优频带；
S3、信号通过包络降频使其频率范围满足定位最优低频带，再通过声发射波束形成算法进行低频定位后再确定主瓣范围；
S4、信号通过滤波使其频率范围满足定位最优高频带，再通过声发射波束形成算法，在已确定的主瓣范围内进行二次波束形成定位，最终波束形成输出值的最大值对应的位置即为声源的定位结果。
作为本发明的进一步方案，分析阵列不同频率信号对应的主瓣宽度参数Res1，旁瓣宽度参数Res2与最大旁瓣级MSL，选取传感器直线阵列定位最优的高频带和低频带。
作为本发明的进一步方案，所述S2中包括：
引入波束形成主瓣、旁瓣宽度的参数Res来衡量空间分辨率和定位精度，对于线性阵列波束形成的主瓣、旁瓣宽度，各自分为横向宽度Resh与纵向宽度Resz，通过公式
Figure BDA0003397668300000021
计算不同频率的信号对应的波束形成定位主瓣宽度参数Res1与旁瓣宽度参数Res2；
其中Rh表示为波束形成输出结果最大值衰减20％对应的主瓣横向宽度，Rz表示为波束形成输出结果最大值衰减20％对应的主瓣纵向宽度，Lhint表示为波束形成算法中设置扫描网格的横向最小间距，Lzint表示为波束形成算法中设置扫描网格的纵向最小间距；
通过公式
Figure BDA0003397668300000022
计算不同频率信号对应的最大旁瓣级MSL；通过分析主瓣宽度参数Res1，旁瓣宽度参数Res2与最大旁瓣级MSL，选取传感器直线阵列定位最优的高频带和低频带；
选取的具体方法如下所示：
S2.1、当信号频率低，在某一频率区间波束形成定位没有旁瓣时，旁瓣宽度参数Res2为0，选取此频率区间为定位最优的低频带；
S2.2、当信号频率高于某一频率后波束形成定位开始出现旁瓣，不同阵列对应该频率数值不同，当信号频率大于该某一频率之后，主瓣宽度参数Res1与旁瓣宽度参数Res2随着频率的升高而下降，所以频带选取应选取信号高频部分，但最大旁瓣级随着频率的升高而降低，所以频带选取应选取信号低频部分；同时高频带选取应考虑保证信号强度，从信号中高幅值强度部分选取，根据这三个选取标准选取满足三者的最佳频率区间为定位最优的高频带。
作为本发明的进一步方案，所述S3中包括：
声发射信号经过包络处理后降低信号频率，使信号频率位于最优低频带定位对应的频率范围内，后利用声发射波束形成算法进行低频定位；对波束形成输出值归一化后，其主瓣输出值最大值为1，找出输出值幅值衰减20％所对应的主瓣横向宽度和纵向宽度来确定主瓣范围。
作为本发明的进一步方案，所述S4中包括：
通过信号滤波得到高频信号其信号频率位于高频定位对应的频率区间内，将定位扫描范围设置在低频定位确定的主瓣范围内，再进行高频定位。
作为本发明的进一步方案，所述S3、S4中所述声发射波束形成算法包括如下：
(1)、选取第i个传感器作为参考传感器，则第m个传感器相对于参考传感器接收声源发出同一信号的时间延迟或提前表示为：
Figure BDA0003397668300000031
式中c为声发射信号传播速度，Lm表示任一扫描点到第m个传感器的最短距离，Li表示该任一扫描点到参考传感器的最短距离；
(2)、假设参考传感器接收到的该扫描点发出的信号为P(t)，则根据时间延迟或提前进行相位对齐处理后，第m个传感器接收到的该扫描点发出的信号表示为：Pm(t)＝P[t-τmi]，各传感器接收的信号进行相位对齐后进行加权求和处理，得到该扫描点位置波束形成的输出结果B：
Figure BDA0003397668300000032
式中：M为传感器数目；Wm表示第m个传感器的加权系数；
(3)、由于各阵元信号相位不相同，若扫描点为非声源位置，则信号相位对齐后，加权求和会相互抵消输出B值无法得到最大值，而扫描点为声源位置时信号相位对齐加权求和不会抵消，输出B值为最大值，所以最终输出的B值的最大值所对应的位置就是声源位置。
作为本发明的进一步方案，所述S4中包括：声发射信号经过包络处理后降低信号频率，使信号频率位于最优低频带定位对应的频率范围内，后利用声发射波束形成算法进行低频定位；对波束形成输出值归一化后，其主瓣输出值最大值为1，求其最大值1向其横向幅值衰减20％的横向宽度和向其纵向幅值衰减20％的纵向宽度，作为矩形的相邻边长，以最大值点为中心做一矩形，该矩形范围为高频二次定位主瓣范围。
本发明的有益效果是：通过引入主瓣宽度参数，旁瓣宽度参数与最大旁瓣级，得出间隔为0.3m的直线阵列低频定位采用的频率范围和高频定位采用的频率范围。信号经包络处理降低频率后用声发射波束形成算法进行低频定位确定主瓣范围内，在该阵列的主瓣范围内，利用滤波器滤波得到高频信号，再进行高频二次定位，该法可以消除旁瓣对于定位的干扰，解决主瓣较宽带来的影响，定位点更加集中，单次定位误差较小，定位精度更高，阵列3个位置60次定位其平均误差为2.18％。解决了声发射定位常用的直线阵列垂直于阵列方向定位分辨率较低的问题。
附图说明
图1是声源与传感器布置示意图；
图2是该阵列主瓣影响因子Res1与信号频率折线图；
图3是该阵列旁瓣影响因子Res2与信号频率折线图；
图4是该阵列最大旁瓣级MSL与信号频率折线图；
图5是信号包络后低频定位P1位置散点图；
图6是信号包络后低频定位P2位置散点图；
图7是信号包络后低频定位P3位置散点图；
图8是应用本发明主瓣范围内二次定位P1位置散点图；
图9是应用本发明主瓣范围内二次定位P2位置散点图；
图10是应用本发明主瓣范围内二次定位P3位置散点图；
图11是本发明流程图。
具体实施方式
实施例1：如图1-图11所示，一种低频结合高频二次波束形成定位方法，所述方法包括：
S1、通过各声发射传感器采集待测结构损伤时发出的声发射信号，如图1所示为声源与传感器布置示意图，其中P1、P2、P3发出声发射信号的位置即声发射源，图1中S1、S2、S3、S4为传感器位置示意；
S2、通过主瓣、旁瓣影响因子与最大旁瓣级来确定传感器直线阵列对应的高低两种最优频带；
S3、信号通过包络降频使其频率范围满足定位最优低频带，再通过声发射波束形成算法进行低频定位后再确定主瓣范围；
S4、信号通过滤波使其频率范围满足定位最优高频带，再通过声发射波束形成算法，在已确定的主瓣范围内进行二次波束形成定位，最终波束形成输出值的最大值对应的位置即为声源的定位结果。
作为本发明的进一步方案，所述S2中包括：
引入波束形成主瓣、旁瓣宽度的参数Res来衡量空间分辨率和定位精度，对于线性阵列波束形成的主瓣、旁瓣宽度，各自分为横向宽度Resh与纵向宽度Resz，通过公式
Figure BDA0003397668300000041
计算不同频率的信号对应的波束形成定位主瓣宽度参数Res1与旁瓣宽度参数Res2；其中，阵列主瓣影响因子Res1、Res2分别与信号频率折线图如图2、图3所示；
其中Rh表示为波束形成输出结果最大值衰减20％对应的主瓣横向宽度，Rz表示为波束形成输出结果最大值衰减20％对应的主瓣纵向宽度，Lhint表示为波束形成算法中设置扫描网格的横向最小间距，Lzint表示为波束形成算法中设置扫描网格的纵向最小间距；
通过公式
Figure BDA0003397668300000051
计算不同频率信号对应的最大旁瓣级MSL；通过分析主瓣宽度参数Res1，旁瓣宽度参数Res2与最大旁瓣级MSL；阵列最大旁瓣级MSL与信号频率折线图如图4所示，选取传感器直线阵列定位最优的高频带和低频带；
选取的具体方法如下所示：
S2.1、当信号频率低，在某一频率区间波束形成定位没有旁瓣时，旁瓣宽度参数Res2为0，选取此频率区间为定位最优的低频带；
S2.2、当信号频率高于某一频率后波束形成定位开始出现旁瓣，不同阵列对应该频率数值不同，当信号频率大于该某一频率之后，主瓣宽度参数Res1与旁瓣宽度参数Res2随着频率的升高而下降，所以频带选取应选取信号高频部分，但最大旁瓣级随着频率的升高而降低，所以频带选取应选取信号低频部分；同时高频带选取应考虑保证信号强度，从信号中高幅值强度部分选取，根据这三个选取标准选取满足三者的最佳频率区间为定位最优的高频带。
作为本发明的进一步方案，所述S3中包括：
声发射信号经过包络处理后降低信号频率，使信号频率位于最优低频带定位对应的频率范围内，后利用声发射波束形成算法进行低频定位；对波束形成输出值归一化后，其主瓣输出值最大值为1，找出输出值幅值衰减20％所对应的主瓣横向宽度和纵向宽度来确定主瓣范围。
作为本发明的进一步方案，所述S4中包括：
通过信号滤波得到高频信号其信号频率位于高频定位对应的频率区间内，将定位扫描范围设置在低频定位确定的主瓣范围内，再进行高频定位。
作为本发明的进一步方案，所述S3、S4中所述声发射波束形成算法包括如下：
(1)、选取第i个传感器作为参考传感器，则第m个传感器相对于参考传感器接收声源发出同一信号的时间延迟或提前表示为：
Figure BDA0003397668300000052
式中c为声发射信号传播速度，Lm表示任一扫描点到第m个传感器的最短距离，Li表示该任一扫描点到参考传感器的最短距离；
(2)、假设参考传感器接收到的该扫描点发出的信号为P(t)，则根据时间延迟或提前进行相位对齐处理后，第m个传感器接收到的该扫描点发出的信号表示为：Pm(t)＝P[t-τmi]，各传感器接收的信号进行相位对齐后进行加权求和处理，得到该扫描点位置波束形成的输出结果B：
Figure BDA0003397668300000061
式中：M为传感器数目；Wm表示第m个传感器的加权系数；
(3)、由于各阵元信号相位不相同，若扫描点为非声源位置，则信号相位对齐后，加权求和会相互抵消输出B值无法得到最大值，而扫描点为声源位置时信号相位对齐加权求和不会抵消，输出B值为最大值，所以最终输出的B值的最大值所对应的位置就是声源位置。
作为本发明的进一步方案，所述S4中包括：声发射信号经过包络处理后降低信号频率，使信号频率位于最优低频带定位对应的频率范围内，后利用声发射波束形成算法进行低频定位，信号包络后低频定位P1位置、P2位置、P3位置散点图如图5、图6、图7所示；对波束形成输出值归一化后，其主瓣输出值最大值为1，求其最大值1向其横向幅值衰减20％的横向宽度和向其纵向幅值衰减20％的纵向宽度，作为矩形的相邻边长，以最大值点为中心做一矩形，该矩形范围为高频二次定位主瓣范围，应用本发明主瓣范围内二次定位P1位置、P2位置、P3位置散点图如图8、图9、图10所示。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (2)

1.一种低频结合高频二次波束形成定位方法，其特征在于：所述方法包括：
S1、通过各声发射传感器采集待测结构损伤时发出的声发射信号；
S2、通过主瓣、旁瓣宽度参数与最大旁瓣级来确定传感器直线阵列对应的高低两种最优频带；
S3、信号通过包络降频使其频率范围满足定位最优低频带，再通过声发射波束形成算法进行低频定位后再确定主瓣范围；
S4、信号通过滤波使其频率范围满足定位最优高频带，再通过声发射波束形成算法，在已确定的主瓣范围内进行二次波束形成定位，最终波束形成输出值的最大值对应的位置即为声源的定位结果；
所述S2中包括：
引入波束形成主瓣、旁瓣宽度的参数Res来衡量空间分辨率和定位精度，对于线性阵列波束形成的主瓣、旁瓣宽度，各自分为横向宽度Resh与纵向宽度Resz，通过公式
Figure FDA0003842650350000011
计算不同频率的信号对应的波束形成定位主瓣宽度参数Res1与旁瓣宽度参数Res2；
其中Rh表示为波束形成输出结果最大值衰减20％对应的主瓣横向宽度，Rz表示为波束形成输出结果最大值衰减20％对应的主瓣纵向宽度，Lhint表示为波束形成算法中设置扫描网格的横向最小间距，Lzint表示为波束形成算法中设置扫描网格的纵向最小间距；
通过公式
Figure FDA0003842650350000012
计算不同频率信号对应的最大旁瓣级MSL；通过分析主瓣宽度参数Res1，旁瓣宽度参数Res2与最大旁瓣级MSL，选取传感器直线阵列定位最优的高频带和低频带；
选取的具体方法如下所示：
S2.1、当信号频率低，在某一频率区间波束形成定位没有旁瓣时，旁瓣宽度参数Res2为0，选取此频率区间为定位最优的低频带；
S2.2、当信号频率高于某一频率后波束形成定位开始出现旁瓣，不同阵列对应该频率数值不同，当信号频率大于该某一频率之后，主瓣宽度参数Res1与旁瓣宽度参数Res2随着频率的升高而下降，所以频带选取应选取信号高频部分，但最大旁瓣级随着频率的升高而降低，所以频带选取应选取信号低频部分；同时高频带选取应考虑保证信号强度，从信号中高幅值强度部分选取，根据这三个选取标准选取满足三者的最佳频率区间为定位最优的高频带；
所述S4中包括：
通过信号滤波得到高频信号其信号频率位于高频定位对应的频率区间内，将定位扫描范围设置在低频定位确定的主瓣范围内，再进行高频定位；
所述S3中包括：声发射信号经过包络处理后降低信号频率，使信号频率位于最优低频带定位对应的频率范围内，后利用声发射波束形成算法进行低频定位；对波束形成输出值归一化后，其主瓣输出值最大值为1，求其最大值1向其横向幅值衰减20％的横向宽度和向其纵向幅值衰减20％的纵向宽度，作为矩形的相邻边长，以最大值点为中心做一矩形，该矩形范围为高频二次定位主瓣范围；
所述S3、S4中所述声发射波束形成算法包括如下：
(1)、选取第i个传感器作为参考传感器，则第m个传感器相对于参考传感器接收声源发出同一信号的时间延迟或提前表示为：
Figure FDA0003842650350000021
式中c为声发射信号传播速度，Lm表示任一扫描点到第m个传感器的最短距离，Li表示该任一扫描点到参考传感器的最短距离；
(2)、假设参考传感器接收到的该扫描点发出的信号为P(t)，则根据时间延迟或提前进行相位对齐处理后，第m个传感器接收到的该扫描点发出的信号表示为：Pm(t)＝P[t-τmi]，各传感器接收的信号进行相位对齐后进行加权求和处理，得到该扫描点位置波束形成的输出结果B：
Figure FDA0003842650350000022
式中：M为传感器数目；Wm表示第m个传感器的加权系数；
(3)、由于各阵元信号相位不相同，若扫描点为非声源位置，则信号相位对齐后，加权求和会相互抵消输出B值无法得到最大值，而扫描点为声源位置时信号相位对齐加权求和不会抵消，输出B值为最大值，所以最终输出的B值的最大值所对应的位置就是声源位置。
2.根据权利要求1所述的低频结合高频二次波束形成定位方法，其特征在于：分析阵列不同频率信号对应的主瓣宽度参数Res1，旁瓣宽度参数Res2与最大旁瓣级MSL，选取传感器直线阵列定位最优的高频带和低频带。
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