CN115236193A - 一种声发射传感装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种声发射传感装置，包括：设置于监测体表面的信号传感模块，其构造有多个独立式信号接收点；监测值生成模块，其配置为接收声源所发出的声发射波，确定所述声发射波从声源传播到各信号接收点并被各接收点响应后所形成的声波信号的幅值，基于此，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。本发明提高了接收信号的增益效果，增强对弱声信号的采集能力和传感灵敏度，有效避免声发射信号的丢失和漏检事件。

Description

一种声发射传感装置及方法
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传感装置及方法。
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，并且声发射源状态复杂，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。另外，在现有声发射监测方法中，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波检测方案，提高声发射信号传感装置的灵敏度和采集率，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传感装置，包括：设置于监测体表面的信号传感模块，其构造有多个独立式信号接收点；监测值生成模块，其配置为接收声源所发出的声发射波，确定所述声发射波从声源传播到各信号接收点并被各接收点响应后所形成的声波信号的幅值，基于此，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。
优选地，所述信号接收点处设置有压电晶片。
优选地，所述装置还包括：声源定位模块，其配置为基于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，得到声波发射源位置。
优选地，所述监测值生成模块包括：接收点信号幅值生成单元，其配置为根据声波对各接收点引起的振动响应，得到各信号接收点的所述阵元幅值；声聚焦计算单元，其配置为将各信号阵元幅值叠加到传感装置上，生成所述声波信号监测值，其中，利用如下表达式计算所述信号监测值：
Figure BDA0003034603500000021
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接收的声波信号对应的阵元幅值，A表示所述声波信号监测值，N表示信号接收点的总数。
优选地，在所述声源定位模块中，按照如下流程得到信号发射位置信息：将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所述声波发射源位置。
优选地，按照如下步骤获得每组接收块对应的声源位置信息：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对应的信号接收时刻，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，所述装置还包括：声源幅值反演模块，其配置为根据当前声源位置与当前传感装置的相对位置关系，利用预设的声波信号幅值随距离变化曲线，得到当前声源发出的声波所形成的声波信号的幅值。
另一方面，本发明实施例还提供了一种声发射传感方法，所述方法利用如上述所述的装置来实现对声发射信号的灵敏采集，所述方法包括如下步骤：步骤一、将构造有多个独立式信号接收点的信号传感模块设置于监测体上；步骤二、接收声源所发出的声发射波，确定所述声发射波从声源传播到各信号接收点并被各接收点响应后所形成的声波信号的幅值，基于此，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。
优选地，所述方法还包括：基于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，得到声波发射源位置。
优选地，所述方法还包括：根据当前声源位置与当前传感装置的相对位置关系，利用预设的声波信号幅值随距离变化曲线，得到当前声源所发出的声波所对应的信号幅值。
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传感装置及方法。该装置及方法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。另外，本发明使声发射传感技术对材料损伤的检测更灵敏、准确、可靠。由此，本发明的声发射传感装置具有更高灵敏度，提高了接收信号的增益效果，能够实现更准确的声源定位，从而反演声源处的声波幅值。
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传感装置的结构框图。
图2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个信号接收点时的接收块结构示意图。
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。
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。
图5为本申请实施例的声发射传感方法的步骤图。
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。但由于声发射波一般强度很弱，并且声发射源状态复杂，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。另外，在现有声发射监测方法中，一个传感器无法实现精确定位。
因此，为了解决上述技术问题，本发明提出了一种声发射传感装置及方法。该装置及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。具体根据各压电晶片接收到的声发射波所形成的声波信号的幅值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波信号的信号监测值。由此，本发明能够提高声发射传感技术的采集率和灵敏度，达到提高接收信号的增益效果，从而减少信号丢失和漏检事件的发生。同时，本发明的实施可以实现单个传感器对声源的定位，并通过形成多组定位阵列的定位结果，得到相对更为准确的声源定位点位置。
实施例一
图1为本申请实施例的声发射传感装置的结构框图。下面参考图1对本发明所述的声发射传感装置的结构及功能进行说明。本发明所述的声发射传感装置至少包括：信号传感模块10和监测值生成模块20。其中，信号传感模块10设置于监测体表面信号，并且，信号传感模块10构造有多个独立式信号接收点。在本发明实施例中，需要在待检测试件(监测体)上布置若干个声发射传感装置(传感器)，每个声发射传感装置当作一个传感器件用来采集待检测试件(监测体)内不同位置处的声源在发生形变和/或断裂时所产生的声发射波所形成的信号。声发射传感装置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波。
进一步，在本发明实施例中，每个信号传感模块10的结构均相同。其中，信号传感模块10内构造有若干个信号接收点，每个信号接收点都能够对声波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，为了便于进行声聚焦叠加计算并提高信号监测值的计算准确性，将多个信号接收点进行排列，使其形成为矩形传感区域。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。
如图1所述，监测值生成模块20用来接收声源所发出的声发射波，确定当前声发射波从声源传播到各信号接收点并被各接收点响应后所形成的声波信号的幅值，而后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。在实际应用过程中，在当前声发射传感装置区域内的某处声源发生形变和/或断裂的情况下，声发射传感装置内的各信号接收点均会接收到该声源发出的声发射波并进行响应。
参考图1，监测值生成模块20包括：接收点信号幅值生成单元21和声聚焦计算单元22。接收点信号幅值生成单元21用来根据声波对各接收点引起的振动响应，得到各信号接收点(所响应到的当前声发射波所形成的信号)的阵元幅值。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)。因此，在本发明实施例中，将信号传感模块10所形成的矩形传感区域的几何中心点设定为坐标原点，并将各信号接收点的几何中心点的坐标当作相应压电晶片的位置坐标信息。
这样，在接收点信号幅值生成单元21获得每个接收点在接收到声发射波并响应出相应声波信号后对应的信号阵元幅值后，进入到声聚焦计算单元22中。
进一步，声聚焦计算单元22用来将各信号阵元幅值叠加到当前声发射传感装置上，生成当前接收到的声波信号的监测值，以作为当前声发射传感装置采集到的声发射数据。在实际应用过程中，由于每个压电晶片很小且紧密相连，可认为到达传感装置内的每个压电晶片的声波具有相同的相位，对于每一个声发射波来说，都需要声聚焦传感装置进行声聚焦计算和叠加，实现聚焦。由此，本发明利用声聚焦计算单元22将N个压电晶片对接收到的信号波形对应的阵元幅值进行叠加，实现信号增强，从而得到增强后的声发射信号的监测值。其中，在声聚焦计算单元22中，利用如下表达式计算声波信号监测值：
Figure BDA0003034603500000061
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。
这样，本发明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
基于上述实施例一所提供的声发射传感装置，为了使得本发明所述的声发射传感装置能够对声源进行更完善的分析，本发明所述的声发射传感装置，还包括：声源定位模块30和声源幅值反演模块40。声源定位模块30用来基于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，得到声波发射源位置。其中，声波发射源位置为声波发射源相对于当前声发射波所形成的声波信号的接收端(即当前声发射传感装置)的位置信息。
在声源定位模块30中，会根据不同信号接收点对应的信号响应时刻来对当前发出声发射波的声源相对于当前传感器的位置进行定位，从而得到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。
进一步，下面对当前声源定位过程所涉及的步骤进行说明。具体地，首先，声源定位模块30会将信号传感模块10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，信号传感模块10具备两组接收块。图2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。
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 BDA0003034603500000091
Figure BDA0003034603500000092
Figure BDA0003034603500000093
Figure BDA0003034603500000094
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 BDA0003034603500000101
表示第一阵元组对应的响应时刻差值，
Figure BDA0003034603500000102
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 BDA0003034603500000103
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 BDA0003034603500000104
接下来，根据第一阵元组对应的响应时刻差值
Figure BDA0003034603500000105
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 BDA0003034603500000106
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 BDA0003034603500000111
Figure BDA0003034603500000112
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。
进一步，声源幅值反演模块40用来根据当前声源定位模块30所确定好的声源位置与当前传感装置的相对位置关系，利用预设的声波信号幅值随距离变化曲线，得到当前声源发出的声波所形成的声波信号的幅值。
其中，在声波信号幅值随距离变化曲线绘制过程中，首先，标定出目标点，并以目标点为圆心，通过室内实验，在圆心处发出一定强度的声波，记录下在不同半径距离处对应的声波信号幅度；而后利用不同半径距离处的声波信号幅度数据拟合出相应的曲线。这样，便完成了声波信号幅值随距离变化曲线的绘制。
这样，在完成了声源定位处理后，本发明还利用声源幅值反演模块来根据声源定位结果反算出声源处所发出的声发射波的强度，在完成声源准确定位处理后，实现了对声源处的声波强度的分析。
实施例三
基于实施例一所述的上述声发射传感装置，本发明还提出了一种声发射传感方法。该方法利用上述声发射传感装置，实现了声发射信号的灵敏采集。图5为本申请实施例的声发射传感方法的步骤图。
如图4所示，在对待检测试件进行监测前，步骤S510将构造有多个独立式信号接收点的信号传感模块10设置于监测体上。步骤S520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接收点响应后所形成的声波信号的幅值，而后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。
另外，上述声发射传感方法，还包括步骤S530(未图示)利用声源定位模块30基于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，得到声波发射源位置。
进一步，上述声发射传感方法，还包括步骤S540(未图示)利用声源幅值反演模块40根据当前声源位置与当前传感装置的相对位置关系，利用预设的声波信号幅值随距离变化曲线，得到当前声源发出的声波所形成的声波信号的幅值。
本发明实施例提出了一种新的声发射传感装置及方法。该装置及方法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，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。另外，本发明使声发射传感技术对材料损伤的检测更灵敏、准确、可靠。由此，本发明的声发射传感装置具有更高灵敏度，提高了接收信号的增益效果，能够实现更准确的声源定位，从而反演声源处的声波幅值。
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)

1.一种声发射传感装置，包括：
设置于监测体表面的信号传感模块，其构造有多个独立式信号接收点；
监测值生成模块，其配置为接收声源所发出的声发射波，确定所述声发射波从声源传播到各信号接收点并被各接收点响应后所形成的声波信号的幅值，基于此，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。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号接收点处设置有压电晶片。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
声源定位模块，其配置为基于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，得到声波发射源位置。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的装置，其特征在于，所述监测值生成模块包括：
接收点信号幅值生成单元，其配置为根据声波对各接收点引起的振动响应，得到各信号接收点的所述阵元幅值；
声聚焦计算单元，其配置为将各信号阵元幅值叠加到传感装置上，生成所述声波信号监测值，其中，利用如下表达式计算所述信号监测值：
Figure FDA0003034603490000011
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接收的声波信号对应的阵元幅值，A表示所述声波信号监测值，N表示信号接收点的总数。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，在所述声源定位模块中，按照如下流程得到信号发射位置信息：
将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所述声波发射源位置。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，按照如下步骤获得每组接收块对应的声源位置信息：
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对应的信号接收时刻，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。
7.根据权利要求3、5或6中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
声源幅值反演模块，其配置为根据当前声源位置与当前传感装置的相对位置关系，利用预设的声波信号幅值随距离变化曲线，得到当前声源发出的声波所形成的声波信号的幅值。
8.一种声发射传感方法，其特征在于，所述方法利用如权利要求1～7中任一项所述的装置来实现对声发射信号的灵敏采集，所述方法包括如下步骤：
步骤一、将构造有多个独立式信号接收点的信号传感模块设置于监测体上；
步骤二、接收声源所发出的声发射波，确定所述声发射波从声源传播到各信号接收点并被各接收点响应后所形成的声波信号的幅值，基于此，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。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：基于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，得到声波发射源位置。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：根据当前声源位置与当前传感装置的相对位置关系，利用预设的声波信号幅值随距离变化曲线，得到当前声源所发出的声波所对应的信号幅值。
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