CN115236192A - 一种声发射信号检测方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种声发射信号检测方法，包括：将构造有多个独立式信号接收点的传感器设置于监测体上；接收声源所发出的声发射波，确定该声发射波从声源传播到各信号接收点并被各信号接收点所响应后形成的声波信号的幅值，基于此，对当前传感器进行声聚焦计算，获得当前传感器对应的声波信号监测值。本发明大幅提高声发射信号的采集率，有效避免信号丢失和漏检事件，实现声源的准确识别和判断。

Description

一种声发射信号检测方法及系统
技术领域
本发明涉及声发射检测技术领域，尤其是涉及一种声发射信号检测方法及系统。
背景技术
声发射技术用来探测材料中活性缺陷局域源快速释放能量产生瞬态弹性波。各种材料声发射信号的频率范围很宽，从几赫兹的次声频、20Hz～20KHz的声频到数MHz的超声频；并且，声发射信号幅度的变化范围也很大，从10m的微观位错运动到1m量级的地震波。大多数材料变形和断裂时都会有声发射现象发生，但许多材料的声发射信号强度很弱，人耳不能直接听见，需要借助灵敏的电子仪器才能检测出来。例如：使用仪器探测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源。
现有声发射监测技术是由压电传感器实现的，耦合在待检测试件上，接收声发射信号后，将微弱的机械振动转变为电信号，经前置放大器放大，再用滤波器除去机械噪声，然后由主放大器将信号进一步放大，以便进行信号处理。但由于声发射波一般强度很弱，很多信号由于衰减的影响，声波触发传感器所形成的电压信号，不能越过门槛电压，无法被仪器记录下来，造成信号丢失。另外，由于信号太弱，不能同时触发3个传感器，不能形成定位事件，而造成损伤事件的漏检。此外，由于声发射源状态复杂，声源信号难以全面获取，从而导致丢失声源信息，影响对裂纹等缺陷位置、强度、活度的判断，对材料结构状态评价不准确。现有声发射监测方法，一个传感器无法实现精确定位。
因此，现有技术需要提供一种能够解决上述一个或多个技术问题的声发射信号检测方案，提高声发射信号的采集率，减少信号丢失和漏检事件的发生，以提高定位精度。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种声发射信号检测方法，包括：将构造有多个独立式信号接收点的传感器设置于监测体上；接收声源所发出的声发射波，确定该声发射波从声源传播到各信号接收点并被各信号接收点所响应后形成的声波信号的幅值，基于此，对当前传感器进行声聚焦计算，获得当前传感器对应的声波信号监测值。
优选地，基于传感器内各信号接收点接收到当前声发射波的时刻，根据不同信号接收点对应的声波接收时刻的差值，对当前声源进行定位，得到定位结果信息。
优选地，所述方法还包括：在所述监测体的不同位置处设置相应的传感器，并将所述监测体划分为若干个评价区域；记录每个传感器所完成的声源定位事件，并利用预设时间段阈值，统计每个评价区域内所定位的声源定位事件的数量，得到所述监测体在不同部位的声源活度信息。
优选地，所述方法还包括：根据监测体上每个传感器接收到的声波信号监测值和定位结果信息，得到不同声源位置对应的累积声源强度数据；根据所述累积声源强度数据和所述不同部位的声源活度信息，形成所述监测体的声发射区域成像。
优选地，所述方法还包括：设定信号幅度门槛值；根据所述信号幅度门槛值，确定不同的累积声源强度等级范围，其中，累积声源强度为不同传感器采集到的相同位置声源发射的声发射波所对应的声波信号监测值的叠加；记录不同声源的累积声源强度，基于此，利用所述不同的累积声源强度等级范围，确定所述监测体上不同声源的损伤强度状态。
优选地，所述方法还包括：设定声源活度门槛值；根据所述声源活度门槛值，确定不同的声发射源活度等级范围；根据不同部位的声源活度信息，利用所述不同的声发射源活度等级范围，确定所述监测体内不同部位的损伤活度状态。
优选地，每个传感器按照如下流程完成一次声源定位处理：将传感器内所有信号接收点划分为多组接收块，每组接收块中所包含的接收点数量相同，并且每组接收块形成为矩形区域；根据当前声发射波从所述声源传播到各信号接收点的时刻，以接收块为单位对所述声源进行定位，从而每组接收块获得相应的声源位置信息，进一步，将由多个声源位置所构成的区域的几何中心点确定为声波发射源位置。
优选地，每组接收块按照如下步骤完成一次声源定位以获得相应的所述声源位置信息：构建针对当前接收块监测范围的平面直角坐标系；根据不同信号接收点之间的相对位置关系，确定用来定位声源坐标的第一曲线和用来生成所述第一曲线的第一阵元组及其组内的接收点元素、以及用来定位声源坐标的第二曲线和用来生成所述第二曲线的第二阵元组及其组内的接收点元素；根据不同信号接收点的声波响应时刻，计算每个阵元组对应的响应时刻差值；根据所述响应时刻差值、所述第一曲线和所述第二曲线，从而将两条曲线的交点位置作为声源位置，进一步得到声源位置坐标，其中，所述第一曲线用来表征声源可能分布位置。
优选地，利用如下表达式计算声源位置坐标：
Figure BDA0003034602030000031
Figure BDA0003034602030000032
Figure BDA0003034602030000033
Figure BDA0003034602030000034
其中，i表示声源的序号，xi、yi分别表示声源i的横、纵坐标，a表示第一阵元组内距离最远的两个信号接收点对应的横轴坐标距离差，b表示第二阵元组内距离最远的两个信号接收点对应的纵轴坐标距离差，c表示声波传播速度，
Figure BDA0003034602030000035
表示所述第一阵元组对应的响应时刻差值，
Figure BDA0003034602030000036
表示所述第二阵元组对应的响应时刻差值。
另一方面，本发明实施例还提供了一种声发射信号检测系统，所述系统利用如上述所述的方法来实现。
与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：
本发明提出了一种声发射信号检测方法及系统。该方法及系统应用于声发射对结构健康监测领域，通过采用声聚焦声发射传感原理，可增强对弱声信号的采集能力，大幅提高声发射信号的采集率，有效避免声发射信号的丢失和漏检事件，同时，增加声源识别和判断的准确性。另外，本发明利用对监测体内不同声源位置的信号强度和声源活度进行深入评价的手段、以及声源成像和对监测体内整个声发射区域进行成像手段，使声发射技术对材料损伤的检测更灵敏、准确、可靠。并且，通过对材料声发射事件的动态监测过程，实现了声源位置的更准确定位、评估，对材料的形变和/或断裂情况的深入分析。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本申请实施例的声发射信号检测方法的步骤图。
图2为本申请实施例的声发射信号检测方法中在一组接收块包含4个信号接收点时的接收块结构示意图。
图3为本申请实施例的声发射信号检测方法中在一组接收块包含4个信号接收点时的定位原理示意图。
图4为本申请实施例的声发射传感装置中在一组接收块包含3个信号接收点时的定位原理示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
另外，附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
声发射技术用来探测材料中活性缺陷局域源快速释放能量产生瞬态弹性波。各种材料声发射信号的频率范围很宽，从几赫兹的次声频、20Hz～20KHz的声频到数MHz的超声频；并且，声发射信号幅度的变化范围也很大，从10m的微观位错运动到1m量级的地震波。大多数材料变形和断裂时都会有声发射现象发生，但许多材料的声发射信号强度很弱，人耳不能直接听见，需要借助灵敏的电子仪器才能检测出来。例如：使用仪器探测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源。
现有声发射监测技术是由压电传感器实现的，耦合在待检测试件上，接收声发射信号后，将微弱的机械振动转变为电信号，经前置放大器放大，再用滤波器除去机械噪声，然后由主放大器将信号进一步放大，以便进行信号处理。但由于声发射信号一般强度很弱，很多信号由于衰减的影响，声波触发传感器所形成的电压信号，不能越过门槛电压，无法被仪器记录下来，造成信号丢失。另外，由于声波信号太弱，不能同时触发3个传感器，不能形成定位事件，而造成损伤事件的漏检。此外，由于声发射源状态复杂，声源信号难以全面获取，从而导致丢失声源信息，影响对裂纹等缺陷位置、强度、活度的判断，对材料结构状态评价不准确。
因此，为了解决上述技术问题，本发明提出了一种新的声发射信号检测方法。该方法采用在待检测试件上布置多个声聚焦传感器，每个声聚焦传感器由若干个独立的压电晶片构成，可以对声发射信号进行独立响应。具体在确定出每个声聚焦传感器内的各压电晶片接收到的声发射波所形成的声波信号的幅值后，进行声聚焦计算和叠加，实现聚焦，从而得到当前传感器接收到的声发射波所形成的声波信号的监测值。由此，本发明能够提高声发射信号的采集率，减少信号丢失和漏检事件的发生。
另外，本发明还能够根据每个声聚焦传感器内的各压电晶片接收到当前声发射波的时刻，对不同声源进行的定位，并实时记录待检测试件内不同部位声源的活度、以及不同部位声源的累积声源强度，不仅能够实现对每个声源的(动态)成像、和整个待检测试件的声发射区域的(动态)成像，还能够动态监测不同声源的损伤强度状态和损伤活度状态。这样，本发明实现了对待检测试件材料声发射事件的分布、强度累积等方面的动态变化过程的监测，使得声发射技术对材料损伤的检测更加准确可靠。
实施例一
图1为本申请实施例的声发射信号检测方法的步骤图。下面参考图1对本发明所述的声发射信号检测方法进行详细说明。
在声发射信号检测之前，首先需要在待检测试件(监测体)上布置用来采集声发射信号的传感器器件。在步骤S110中，需要将构造有多个独立式信号接收点的传感器设置于监测体上。
在本发明实施例中，每个传感器的结构均相同。其中，传感器器件内构造有若干个信号接收点，每个信号接收点都能够对声发射信号进行独立的响应。更进一步地说，信号接收点处设置有压电晶片。每个独立的压电晶片为一个阵元。
进一步，在本发明实施例中，传感器器件采用声聚焦发射传感器。整个声聚焦声发射传感器周围的区域都是目标区，都有可能是声发射源，发出声发射波，在声发射源发生形变和/或断裂时发射一定强度的声发射信号。优选地，传感器内的多个独立式信号接收点形成为矩形区域。
需要说明的是，本发明传感器内所包含的压电晶片(信号接收点)的数量不作具体限定，本领域技术人员可根据测量精度等实际需求进行设定。
另外，在完成传感器布置后，步骤S110还需要确定出每个传感器在监测体上的相对位置(坐标)，并进行记录，以便于在完成声源定位后，确定出相应声源处于监测体的具体位置。
在监测体上完成传感器布置后，进入到步骤S120中，开始进入信号检测阶段。由于每个传感器在接收到声发射信号后的处理方式是相类似的，因此，在本发明实施例中仅以一个传感器的信号处理过程为例，对声发射信号的检测流程进行说明。
步骤S120在传感器内的各信号接收点接收到当前声源所发出的声发射波后，确定出当前声发射波从声源传播到各信号接收点并被各信号接收点所响应后形成的声波信号的幅值，根据各信号接收点的阵元幅值，对当前传感装置进行声聚焦计算，获得相应的声波信号监测值。在本发明实施例中，在当前传感器周围区域内的某处声源发生形变和/或断裂的情况下，传感器内的各信号接收点会接收到该声源发出的声发射波并进行响应，因此，声发射波表征了当前声源处的形变状态。
在实际应用过程中，由于各信号接收点形成为了矩形传感区域，故对于矩形传感区域来说，不同的信号接收点(压电晶片)具有不同的位置坐标信息。进一步，对于来自于同一声源位置处的声发射波来说，因终点位置的不同，使得声发射波发射后针对不同的信号接收点具有不同的声波接收时刻(声波响应时刻)。
在得到每个信号接收点对应的声波信号幅值后，对当前传感器进行声聚焦计算，获得当前传感器对应的声波信号监测值。具体地，在步骤S130中，需要根据步骤S120得到的当前传感器内每个信号接收点(压电晶片)所接收到的当前声发射波所形成的信号的幅值，将每个压电晶片对应的信号幅值叠加到当前传感器上，对当前传感器进行声聚焦计算和叠加，从而获得当前传感器采集到的声波信号监测值。其中，利用如下表达式计算当前传感器对应的声波信号监测值：
Figure BDA0003034602030000061
其中，i表示声源的序号，j表示信号接收点的序号，Aij表示由声源i发射且由信号接收点j接收的声波所形成的信号所对应的阵元幅值，A表示当前传感器采集到的声波信号监测值，N表示传感器内的信号接收点(压电晶片)的总数。进一步，从上述表达式可知，在当前声发射波从声源i发射到信号接收点j后，利用表达式(2)计算出声源i发射到压电晶片j的阵元幅值Aij，最后将各压电晶片接收到的阵元幅值叠加到当前传感器上。
这样，由于每个压电晶片很小且紧密相连，可认为到达聚焦传感器每个晶片的声波具有相同的相位，对于每一个声发射波来说，都需要每个声聚焦传感器进行声聚焦计算和叠加，实现聚焦。由此，本发明利用上述步骤S120将N个压电晶片对接收到的声波信号波形进行叠加，实现信号增强，从而在获得准确的声源位置的情况下，进一步得到增强后的声发射信号的监测值。
本发明利用上述步骤S110～步骤S130提供了一种高灵敏度且达到声强增益效果的声聚焦声发射传感方法，可提高声发射信号的采集率，减少信号丢失和漏检事件。
实施例二
基于实施例一所述的声发射信号检测方法，本发明所述的声发射信号检测方法，还会基于传感器内各信号接收点接收到当前声发射波的时刻(即声波响应时刻或声波接收时刻)，根据不同信号接收点对应的声波接收时刻的差值，来对当前发出声发射波的声源进行定位，得到定位结果信息(即当前声源相对于传感器的坐标)。也就是说，当前声源的定位结果是，在以当前传感器的几何中心为原点的条件下，相对于当前传感器的坐标。
下面对当前声源定位过程所涉及的步骤进行说明。具体地，第一步，将同一传感器内的所有信号接收点划分为多组接收块。其中，每组接收块中所包含的接收点数量相同。需要说明的是，本发明实施例对接收块中所包含的信号接收点的数量不作具体限定，本领域技术人员可根据实时需求进行确定。优选地，接收块可以包含4个压电晶片，也可以包括3个压电晶片。
在本发明实施例中，按照如下步骤完成当前声波信号的声源定位处理：
步骤S1201(未图示)构建针对当前接收块监测范围的平面直角坐标系。具体地，可以以当前接收块构成的矩形区域的几何中心点为平面直角坐标系的原点进行构建。在构建好与当前接收块对应的矩形区域范围匹配的平面直角坐标系后，进入到步骤S1202(未图示)中。步骤S1202根据当前接收块内不同信号接收点之间的相对位置关系，确定用来定位声源坐标的第一曲线和用来生成所述第一曲线的第一阵元组及其组内的接收点元素、以及用来定位声源坐标的第二曲线和用来生成所述第二曲线的第二阵元组及其组内的接收点元素。在实际应用过程中，由于传感器由若干个压电晶片形成相应的接收块区域，每个压电晶片的几何中心点作为当前压电晶片的位置。也就是说，压电晶片几何中心点在步骤S1201构建的平面直角坐标系的坐标，也可以作为当前压电晶片相较于当前接收块的定位位置。
进一步，在构建好关于当前接收块的平面直角坐标系后，需要针对当前发出声发射波的声源在该平面直角坐标系中的具体位置进行定位。步骤S1203(未图示)根据不同信号接收点的信号响应时刻，计算每个阵元组对应的响应时间差值，从而进入到步骤S1204(未图示)中。具体地，在步骤S1203中，首先需要确定出当前接收块内每个信号接收点在获取当前声发射波所对应的信号响应时刻，计算出第一阵元组对应的响应时刻差值、以及第二阵元组对应的响应时刻差值。步骤S1204(未图示)根据步骤S1203确定出的各阵元组对应的响应时刻差值、第一曲线和第二曲线，从而将两条曲线的交点位置作为声源位置，进一步得到声源位置坐标。其中，第一曲线和第二曲线分别用来表征声源可能分布的位置。这样，便完成针对当前声源的定位处理。
在第一个具体实施例中，声聚焦发射传感器包括8个信号接收点(压电晶片)。此时，当前传感器具备两组接收块。图2为本申请实施例的声发射信号检测方法中在一组接收块包含4个信号接收点时的接收块结构示意图。如图2所示，接收块为4晶片结构，便于后续进行声聚焦计算。其中，每个方框代表一个信号接收点(压电晶片)，四个压电晶片构成为矩形区域，用来接收当前接收块周围区域的声发射源所产生的声发射波。
第二步，根据当前声发射波从声源传播到各信号接收点的时刻，以接收块为单位对当前声源进行定位处理，从而使得每组接收块均获得相应的声源位置信息。第三步，将由多个声源位置所构成的区域的几何中心点，确定为当前声源位置，便得到最终的声波发射源位置。
图3为本申请实施例的声发射传感装置中在一组接收块包含4个信号接收点时的定位原理示意图。在本发明实施例中，由于每个接收块进行定位处理的方法均相同，故本实施例仅以一个接收块为例，结合图3，对接收块定位处理流程进行说明。
具体地，第一步，构建针对当前接收块监测范围的平面直角坐标系。具体地，可以以当前接收块构成的矩形区域的几何中心点为平面直角坐标系的原点，以其中一条对角线的作为坐标系的横轴或纵轴。需要说明的是，在本发明实施例中，坐标系的横、纵坐标轴的确定规则不作具体限定，本领域技术人员可根据实际需求进行确定。
在构建好与当前接收块对应的矩形区域范围匹配的平面直角坐标系后，进入到步骤第二步中。第二步，根据当前接收块内不同信号接收点之间的相对位置关系，确定用来定位声源横坐标的第一阵元组及其组内的接收点元素、以及用来定位声源纵坐标的第二阵元组及其组内的接收点元素。
在实际应用过程中，由于传感器由若干个压电晶片构成相应的矩形区域，作为接收块区域，每个压电晶片的几何中心点作为当前压电晶片的位置。也就是说，将压电晶片几何中心点在第一步构建的平面直角坐标系的坐标，作为当前压电晶片相较于当前接收块的定位位置。
进一步，在构建好关于当前接收块的平面直角坐标系后，需要针对当前发出声发射波的声源在该平面直角坐标系中的具体位置进行定位。因此，在对该声源进行定位时，需要确定出与坐标系横坐标相关的信号接收点、以及与坐标系纵坐标相关的信号接收点，以分别利用这两类信号接收点之间的相对位置关系来对声源的横、纵坐标进行定位。
因而，在第二步中，首先需要确定出用来定位声源横坐标的第一阵元组及其组内的信号接收点元素。具体地，将坐标系横坐标穿过的所有压电晶片构成为第一阵元组，并确定出每个压电晶片对应的信号接收点，从而将第一阵元组内的每个信号接收点作为第一阵元组的组内元素。而后，再确定出用来定位声源纵坐标的第二阵元组及其组内的信号接收点元素。具体地，将坐标系纵坐标穿过的所有压电晶片构成为第二阵元组，并确定出每个压电晶片对应的信号接收点，从而将第二阵元组内的每个信号接收点作为第二阵元组的组内元素。
第三步，根据不同信号接收点的信号响应时刻，计算每个阵元组对应的响应时间差值，从而进入到第四步中。具体地，在第三步中，首先需要确定出当前接收块内每个信号接收点在获取当前声发射波所对应的信号响应时刻，计算出第一阵元组对应的响应时刻差值、以及第二阵元组对应的响应时刻差值。其中，第一阵元组对应的响应时刻差值为第一阵元组内各元素中距离最远的两个信号接收点对应的信号响应时刻的差值，并且，第二阵元组对应的响应时刻差值为第二阵元组内各元素中距离最远的两个信号接收点对应的信号时刻时间的差值。
第四步，根据第三步确定出的各阵元组对应的响应时刻差值、以及传感器内最先接收到当前声发射波的接收点所指向的方向，得到每个阵元组对应的第一曲线，从而将两条第一曲线的交点位置作为声源位置。具体地，在第四步中，首先会根据第三步确定出的第一阵元组对应的响应时刻差值、以及传感器内最先接收到当前声发射波的接收点所指向的方向，得到第一阵元组对应的第一曲线。其中，第一曲线用来表征声源可能分布的位置。进一步，第一阵元组对应的第一曲线，用来表示当前声源的横轴坐标可能分布的位置所形成的曲线。而后，第四步会根据第三步确定出的第二阵元组对应的响应时刻差值、以及传感器内最先接收到当前声发射波的接收点所指向的方向，得到第二阵元组对应的第一曲线。其中，第二阵元组对应的第一曲线，用来表示当前声源的纵轴坐标可能分布的位置所形成的曲线。最后，直接将第一阵元组对应的第一曲线、与第二阵元组对应的第一曲线的交点作为当前声源的坐标位置。这样，便完成针对当前声源的定位处理。
进一步，在本发明实施例中，利用如下表达式计算当前声源的横、纵坐标：
Figure BDA0003034602030000101
Figure BDA0003034602030000102
Figure BDA0003034602030000103
Figure BDA0003034602030000104
其中，i表示当前声源的序号，xi、yi分别表示声源i的横、纵坐标，a表示第一阵元组内距离最远的两个信号接收点对应的横轴坐标距离差，b表示第二阵元组内距离最远的两个信号接收点对应的纵轴坐标距离差，c表示声波传播速度(即超声波在试件中传播的纵波速度)，
Figure BDA0003034602030000105
表示第一阵元组对应的响应时刻差值，
Figure BDA0003034602030000106
表示第二阵元组对应的响应时刻差值。
如图3所示，当前接收块为4晶片结构，并且传感器坐标(x，y)为(0，0)。第一步，以当前传感器几何中心点作为平面直角坐标系的原点、并且以当前传感器所形成的的矩形区域的对角线作为平面直角坐标系的横轴，构建关于当前接收块的平面直角坐标系xoy；第二步，根据4个压电晶之间的相对位置关系形成第一阵元组和第二阵元组，其中，第一阵元组所涉及的元素为压电晶片1和3，第二阵元组所涉及的元素为压电晶片2和4。第三步，由压电晶片1和3的信号响应时刻，计算出第一阵元组对应的响应时间差值
Figure BDA0003034602030000107
以及由压电晶片2和4的信号响应时刻，计算出第二阵元组对应的响应时间差值
Figure BDA0003034602030000108
接下来，根据第一阵元组对应的响应时刻差值
Figure BDA0003034602030000109
压电晶片1和3之间的横轴间距、声波波速c、以及4个压电晶片中最先接收到声发射波的接收点所指向的方向，得到双曲线中表征当前声源的横轴坐标可能分布的位置的曲线，记为第一阵元组对应的第一曲线，参见图3中的曲线1；同时，根据第二阵元组对应的响应时刻差值
Figure BDA0003034602030000111
压电晶片2和4之间的纵横轴间距、声波波速c、以及4个压电晶片中最先接收到声发射波的接收点所指向的方向，得到双曲线中表征当前声源的纵轴坐标可能分布的位置的曲线，记为第二阵元组对应的第一曲线，参见图3中的曲线2。最后，利用上述表达式(1)～(4)，将第一阵元组对应的第一曲线、与第二阵元组对应的第一曲线的交点作为当前声源的坐标位置。由此，便得到了声源i的坐标(xi，yi)。
在第二个具体实施例中，声聚焦发射传感器包括9个信号接收点(压电晶片)。此时，信号传感模块10具备三组接收块。接收块为3晶片结构，便于后续进行声聚焦计算。
而后，声源定位模块30会根据当前声发射波从声源传播到各信号接收点的时刻，以接收块为单位对当前声源进行定位处理，从而使得每组接收块均获得相应的声源位置信息。最后，声源定位模块30会将由多个声源位置所构成的区域的几何中心点，确定为当前声源位置，便得到最终的声波发射源位置。
图4为本申请实施例的声发射传感装置中在一组接收块包含3个信号接收点时的定位原理示意图。如图4所示，在本发明实施例中，由于每个接收块进行定位处理的方法均相同，故本实施例仅以一个接收块为例，结合图4，对接收块定位处理流程进行说明。
具体地，第一步，构建针对当前接收块监测范围的平面直角坐标系。具体地，需要以当前接收块中任意一个传感器作为平面直角坐标系的原点，并确定出参考线位置。其中，参考线为穿过原点且位于当前接收块内所有信号接收点所构成的三角形区域之外。另外，将当前原点处的信号接收点作为第一接收点，其他两个信号接收点作为第二接收点和第三接收点。
在构建好平面直角坐标系后，进入到步骤第二步中。第二步，根据当前接收块内不同信号接收点之间的相对位置关系，确定用来定位声源坐标的第一曲线和第二曲线，并确定用于建立第一曲线的第一阵元组及其组内的接收点元素、以及用来建立第二曲线的第二阵元组及其组内的接收点元素。需要说明的是，在一组接收块包含3个信号接收点时，将接收块内的三个信号接收点所形成的三角形区域的重心确定为当前声源的位置。也就是说，第一曲线和第二曲线是用来构建接收块内3个信号接收点所形成的三角形区域的重心的两条曲线。
第三步，根据不同信号接收点的信号响应时刻，计算每个阵元组对应的响应时间差值，从而进入到第三步中。具体地，在第三步中，首先需要确定出当前接收块内每个信号接收点在获取当前声发射波所对应的信号响应时刻，计算出第一阵元组对应的响应时刻差值、以及第二阵元组对应的响应时刻差值。
第四步，根据第三步确定出的各阵元组对应的响应时刻差值、第一曲线和第二曲线，将两条曲线的交点位置作为声源位置，并计算出声源位置坐标。其中，第一曲线和第二曲线分别用来表示当前声源的坐标可能分布的位置所形成的曲线。进一步，直接将第一阵元组对应的第一曲线、与第二阵元组对应的第一曲线的交点作为当前声源的坐标位置。这样，便完成针对当前声源的定位处理。
进一步，在本发明实施例中，利用如下表达式计算当前声源的位置：
△t1·c＝r1-R (6)
△t2·c＝r2-R (7)
Figure BDA0003034602030000121
Figure BDA0003034602030000122
其中，r1、r2表示第二接收点和第三接收点分别与当前接收块内所有传感器所构成的三角形区域的重心i之间的距离，D1表示重心i到第一阵元组内两个接收点的连线的垂向距离，D2表示重心i到第二阵元组内两个接收点的连线的垂向距离，θ表示重心i与参考线的夹角，θ1表示第一阵元组内两个接收点的连线与参考线的夹角，θ3表示第一阵元组内两个接收点的连线与参考线的夹角，c表示声波传播速度(即超声波在试件中传播的纵波速度)，△t1表示第一阵元组对应的响应时刻差值，△t2表示第二阵元组对应的响应时刻差值。需要说明的是，上述表达式(8)和(9)分别用来表示第一曲线和第二曲线的表达式，从而对上述表达式(6)～(9)进行求解，确定出重心i的坐标，以完成当前声源的定位处理。
如图4所示，当前接收块为3晶片结构。第一步，以压电晶片1作为平面直角坐标系的原点、并且确定参考线，构建关于当前接收块的平面直角坐标系；第二步，根据3个压电晶片之间的相对位置关系构建用来确定3个压电晶片所形成的三角形区域重心的第一曲线和第二曲线，进一步确定第一曲线对应的第一阵元组及其所包含的压电晶片和第二曲线对应的第二阵元组及其包含的压电晶片，其中，第一阵元组所涉及的元素为压电晶片1和2，第二阵元组所涉及的元素为压电晶片1和3。第三步，由压电晶片1和2的信号响应时刻，计算出第一阵元组对应的响应时间差值△t1，以及由压电晶片1和3的信号响应时刻，计算出第二阵元组对应的响应时间差值△t2。接下来，根据第一阵元组对应的响应时刻差值△t1、第二阵元组对应的响应时刻差值△t2，利用上述表达式(6)～(9)，将三角形区域重心作为当前声源的位置。由此，便得到了声源i的坐标。
这样，便完成了针对当前发送声发射波的声源的定位处理。本发明利用声源定位模块来根据每个晶片对声波的传播响应时间来判断声波来源方向，实现准确定位，去除伪定位解，从而将最先接收到声发射波的压电晶片所指向的方向，为声源位置的方向。
实施例三
基于上述实施例二，本发明所述的声发射信号检测方法，还包括：在检测过程实施前，在监测体上的不同位置处布置有相应的声聚焦声发射传感器，并将监测体划分为若干个评价区域。这样，步骤S140(未图示)在进入到声发射信号检测阶段后，利用在监测体的不同位置处的传感器，记录每个传感器所完成的声源定位事件，并利用预设时间段阈值，统计每个评价区域内所定位的声源定位事件的数量，得到监测体在不同部位(评价区域)的声源活度。
在实际应用过程中，由于每个传感器在接收到声波信号后，都会对声源进行定位并叠加计算出当前声波信号的监测值，又由于在步骤S110中会得到每个传感器的位置信息，因此，在传感器每接收到一次声发射波并完成声源定位处理后，记为一个声源定位事件(即有效声发射事件)，从而得到相应的声源定位事件信息(包括但不限于：事件编号、当前声源相较于监测体的定位位置、当前声发射波的初始响应时刻、以及当前声发射波所形成的声波信号的监测幅值等)。
另外，在本发明实施例中，会将监测体平均划分为出若干个具有相同体积的活度评价区域，用来对监测体不同区域部位的声源活度进行评价。由此，本发明会对评价区域内所定位的声源进行放大分析，并计算出在预设时间段内不同评价区域内所出现的声源定位事件的数据。需要说明的是，为了提高声源定位事件信息的准确性，在本发明实施例中，每个传感器仅能够对其所述评价区域内的声源所发出的声发射波进行接收并进行幅值的有效检测，基于此记录一次声源定位事件，而不能对其他评价区域内的声源所发出的幅度未达到下述信号幅度门槛值的声发射波进行有效地幅值检测，以避免不同评价区域内的声发射波检测产生相互干扰的现象。
这样，本发明会在步骤S140中，根据每个传感器记录到的声源定位事件的数量、以及每个声源定位事件信息，对监测体内不同活度评价区域内所发生的有效声发射事件进行统计，利用预设时间段阈值，得到在预设时间段内每个活度评价区域内所发生的有效声发射事件的数量，从而获得监测体在不同活度评价区域内的声源活度数据。
需要说明的是，本发明对上述预设时间段阈值的大小不作具体限定，本领域技术人员可根据实际需求进行设定。在本发明实施例中，上述预设时间段阈值为1小时。由此，本发明会计算出监测体不同评价区域内每小时所发生的声发射定位事件的数量E。
更进一步地说，本发明为了对上述声源活度信息进行放大分析，将监测体内每个评价区域对应的声源活度数据进行分级评价。具体地，首先，本发明会设定声源活度门槛值J，以排除对未达到门槛值的评价区域的声源活度的监测；而后，根据所设定的声源活度门槛值J，确定出不同的声发射源活度等级范围；最后，根据不同评价区域对应的声源活度信息(例如：每小时所发生的声发射定位事件的数量E)，利用不同的声发射源活度等级范围，确定监测体内不同部位的损伤活度状态。其中，声源活度等级分为四级，分别是：无活度(该评价区域未发生损伤)、低活度(该评价区域正在发生轻微损伤)、中活度(该评价区域正在发生中度损伤)、和高活度(该评价区域正在发生严重损伤)。其中，表1展示不同声源活度等级对应的声源活度数据范围。
表1声源活度等级评价表
源活度级别 评定区域每小时出现的定位事件数 评定声源的损伤活度状态等级
I E≤J 无活度
II J＜E≤10J 低活度
III 10J＜E≤100J 中活度
IV 100J＜E≤1000J 高活度
进一步，本发明所述的声发射信号检测方法，不仅能够对不同评价区域的声发射事件的活度等级进行评价，还能够对监测体内不同位置声源的累积声源强度的强度等级进行评价。在实际应用过程中，由于每个传感器在接收到声发射波所形成的声波信号后，都会记录有相应的声源定位事件、及其对应的声源定位事件信息。其中，在声源定位事件信息中包含有当前声源相较于监测体的定位位置信息。因此，在每个传感器累加计算出当前采集到的声波信号的监测值后，步骤S150根据监测体内不同传感器采集到的声波信号的监测值，结合声源定位结果信息，对监测体内不同声源位置的信号监测值进行累计统计(也就是说，将不同传感器采集到的相同位置声源发射的声发射波所形成的声波信号的监测值进行累加)，由此，便得到了监测体内不同声源位置对应的累积声源强度数据。这样，通过步骤S150本发明能够对利用不同位置处的传感器的声源定位结果以及采集到的声波信号监测值，对监测体内不同声源位置所发生的所有声发射事件进行统计，并实现相应位置的声发射事件的动态监测。
更进一步地说，本发明为了对上述累积声源强度数据进行放大分析，将监测体内每个声源位置对应的累积声源强度数据进行分级评价。具体地，首先，本发明会设定信号幅度门槛值G，以排除对未达到门槛值的声源的监测；而后，根据所设定的信号幅度门槛值G，确定出不同的累积声源强度等级范围；最后，记录监测体内的不同声源对应的(动态变化的)累积声源强度，并根据不同声源的累积声源强度CA，利用不同的累积声源强度等级范围，确定监测体内不同声源的损伤强度状态。在本发明实施例中，累积声源强度为不同传感器采集到的相同位置声源发射的声波信号监测值的叠加。其中，累积声源强度等级分为四级，分别是：低强度、中强度、强度、和高强度。其中，表2展示不同累积声源强度等级对应的累积声源强度等级范围。K表示传感器监测到的声波信号的总次数。
表2累积声源强度等级评价表
Figure BDA0003034602030000151
进一步，本发明为了对监测体内不同声源进行深入分析，还能够对监测体内的不同声源进行成像、以及对监测体内整个声发射区域进行成像。在本发明实施例中，由于多个声聚焦声发射传感器分布式的布置在监测体结构的表面，由此，通过每个传感器对声源的定位反演处理，实现声源成像。具体地，获取每个传感器对接收到的声发射波所形成的声波信号的定位结果信息(声源定位事件信息)，根据这些声源定位事件信息，对监测体内的不同位置处的声源进行成像，从而针对每个声源形成有相应的成像结果。
另外，在本发明实施例中，当监测体的全部区域完成定位后，本发明还会先(参考步骤S150)根据监测体内每个传感器接收到的声发射波所形成的声波信号监测值，结合不同传感器对接收到的声发射波发射端的定位结果信息，得到不同声源位置对应的累积声源强度数据；而后根据步骤S140和步骤S150得到的针对不同评价区域的声源活度信息和每个声源的累积强度数据，对监测体的整个声发射区域进行成像，从而得到展示出包括监测体内声源分布状态、声源活度分布状态、以及声源强度动态累积变化状态等信息在内的成像结果。
需要说明的是，由于本发明所述的声发射信号检测方法是动态实施的。因此，不论是声源成像结果还是监测体内的整个声发射区域的成像结果，都会随着检测过程的不断实施而形成动态变化状态，从而对监测体材料的形变和/或断裂变化过程进行深入、直观的观测与分析。
另一方面，基于上述实施例一～实施例三，本发明实施例还提供了一种声发射信号检测系统。该声发射信号检测系统利用上述实施例一或实施例二或实施例三所述的声发射信号检测方法来实现。
本发明实施例提出了一种新的声发射信号检测方法及系统。该方法及系统应用于声发射对结构健康监测领域，通过采用声聚焦声发射传感原理，可增强对弱声信号的采集能力，大幅提高声发射信号的采集率，有效避免声发射信号的丢失和漏检事件，同时，增加声源识别和判断的准确性。另外，本发明利用对监测体内不同声源位置的信号强度和声源活度进行深入评价的手段、以及声源成像和对监测体内整个声发射区域进行成像手段，使声发射技术对材料损伤的检测更准确、可靠，定位更精确。此外，通过对材料声发射事件的动态监测过程，实现了对材料的形变和/或断裂情况的深入分析。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
虽然本发明所披露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种声发射信号检测方法，包括：
将构造有多个独立式信号接收点的传感器设置于监测体上；
接收声源所发出的声发射波，确定该声发射波从声源传播到各信号接收点并被各信号接收点所响应后形成的声波信号的幅值，基于此，对当前传感器进行声聚焦计算，获得当前传感器对应的声波信号监测值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
基于传感器内各信号接收点接收到当前声发射波的时刻，根据不同信号接收点对应的声波接收时刻的差值，对当前声源进行定位，得到定位结果信息。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述监测体的不同位置处设置相应的传感器，并将所述监测体划分为若干个评价区域；
记录每个传感器所完成的声源定位事件，并利用预设时间段阈值，统计每个评价区域内所定位的声源定位事件的数量，得到所述监测体在不同部位的声源活度信息。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据监测体上每个传感器接收到的声波信号监测值和定位结果信息，得到不同声源位置对应的累积声源强度数据；
根据所述累积声源强度数据和所述不同部位的声源活度信息，形成所述监测体的声发射区域成像。
5.根据权利要求2～4中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
设定信号幅度门槛值；
根据所述信号幅度门槛值，确定不同的累积声源强度等级范围，其中，累积声源强度为不同传感器采集到的相同位置声源发射的声发射波所对应的声波信号监测值的叠加；
记录不同声源的累积声源强度，基于此，利用所述不同的累积声源强度等级范围，确定所述监测体上不同声源的损伤强度状态。
6.根据权利要求2～4中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
设定声源活度门槛值；
根据所述声源活度门槛值，确定不同的声发射源活度等级范围；
根据不同部位的声源活度信息，利用所述不同的声发射源活度等级范围，确定所述监测体内不同部位的损伤活度状态。
7.根据权利要求2～6中任一项所述的方法，其特征在于，每个传感器按照如下流程完成一次声源定位处理：
将传感器内所有信号接收点划分为多组接收块，每组接收块中所包含的接收点数量相同，并且每组接收块形成为矩形区域；
根据当前声发射波从所述声源传播到各信号接收点的时刻，以接收块为单位对所述声源进行定位，从而每组接收块获得相应的声源位置信息，进一步，将由多个声源位置所构成的区域的几何中心点确定为声波发射源位置。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，每组接收块按照如下步骤完成一次声源定位以获得相应的所述声源位置信息：
构建针对当前接收块监测范围的平面直角坐标系；
根据不同信号接收点之间的相对位置关系，确定用来定位声源坐标的第一曲线和用来生成所述第一曲线的第一阵元组及其组内的接收点元素、以及用来定位声源坐标的第二曲线和用来生成所述第二曲线的第二阵元组及其组内的接收点元素；
根据不同信号接收点的声波响应时刻，计算每个阵元组对应的响应时刻差值；
根据所述响应时刻差值、所述第一曲线和所述第二曲线，从而将两条曲线的交点位置作为声源位置，进一步得到声源位置坐标，其中，所述第一曲线用来表征声源可能分布位置。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，利用如下表达式计算声源位置坐标：
Figure FDA0003034602020000021
Figure FDA0003034602020000031
Figure FDA0003034602020000032
Figure FDA0003034602020000033
其中，i表示声源的序号，xi、yi分别表示声源i的横、纵坐标，a表示第一阵元组内距离最远的两个信号接收点对应的横轴坐标距离差，b表示第二阵元组内距离最远的两个信号接收点对应的纵轴坐标距离差，c表示声波传播速度，
Figure FDA0003034602020000034
表示所述第一阵元组对应的响应时刻差值，
Figure FDA0003034602020000035
表示所述第二阵元组对应的响应时刻差值。
10.一种声发射信号检测系统，其特征在于，所述系统利用如权利要求1～9中任一项所述的方法来实现。
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