JP7309236B2 - Dual Chaos Analysis System Detection Method for Weak Ultrasonic Guided Wave Signals - Google Patents
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Description
本発明は、超音波ガイド波の非破壊検出方法の分野に関し、特に、弱い超音波ガイド波信号のデュアルカオス解析システム検出方法に関する。 The present invention relates to the field of non-destructive detection methods for ultrasonic guided waves, and more particularly to dual chaos analysis system detection methods for weak ultrasonic guided wave signals.
ガイド波は、伝搬距離が長く、管路の表面及び内部の欠陥を同時に検出できる等の利点を有するため、地中埋設管路、ラッピング層付き管路の検出において独自の優位性があるとされているが、小さな欠陥や距離の遠い欠陥の検出の場合、試験で得られた欠陥エコーは、極めて微弱になることが多く、ひいては、完全にノイズ信号に埋もれられてしまう。 Guided waves have advantages such as long propagation distance and the ability to detect both surface and internal defects of pipelines at the same time. However, for the detection of small or distant defects, the defect echo obtained in the test is often very faint and thus completely buried in the noise signal.
この困難を克服するために、研究者は、カオス解析システムの鋭敏性を利用して小さな欠陥を強化して検出を行うようにした。しかしながら、カオス解析検出システムを利用した信号識別は、検出対象信号に欠陥エコーが含まれているかのみを判定でき、欠陥エコーの出現時刻及び大きさを判定できず、本分野内で克服されにくい難題となっており、カオス解析検出方法は、超音波ガイド波信号検出での応用が非常に限られている。 To overcome this difficulty, researchers have taken advantage of the acuity of chaos analysis systems to enhance detection of small defects. However, signal identification using a chaos analysis detection system can only determine whether a defect echo is included in the signal to be detected, and cannot determine the appearance time and magnitude of the defect echo, which is a difficult problem to overcome in this field. Therefore, the chaos analysis detection method has very limited application in ultrasonic guided wave signal detection.
中国特許出願であるＣＮ１０３３２３５２９Ａには、改良されたダフィングカオス解析システムを利用して斜めひび割れ付き管路の超音波ガイド波を識別する方法が開示されており、当該発明には、１）管路の一方側の端面で超音波ガイド波信号を励起させて、超音波ガイド波を管路の全位置に行き渡させるステップと、２）励起端付近の受信端で超音波ガイド波エコー信号を受信し、管路内を伝搬した超音波ガイド波の時間履歴曲線を記録するステップであって、超音波ガイド波エコー信号には、端面エコー信号と、ノイズ信号と、ノイズに埋もれられた斜めひび割れ欠陥信号とが含まれるステップと、３）改良されたダフィングカオス解析システムを利用して超音波ガイド波エコー信号を検出及び分析し、ノイズに埋もれられた斜めひび割れ欠陥情報を抽出及び識別して、管路全体の斜めひび割れ欠陥状況を得るステップがある。この方法では、弱い欠陥エコー信号を検出できるが、信号の振幅及び発生時刻を測位できないため、欠陥の定量分析を実現できない。 Chinese patent application CN103323529A discloses a method for identifying ultrasonic guided waves in pipelines with diagonal cracks using an improved Duffing chaos analysis system, the invention includes: 1) 2) receiving an ultrasonic guided wave echo signal at a receiving end near the excitation end; A step of recording a time history curve of an ultrasonic guided wave propagating in a pipeline, wherein the ultrasonic guided wave echo signals include an end face echo signal, a noise signal, and an oblique crack defect signal buried in noise. and 3) utilizing a modified Duffing chaos analysis system to detect and analyze the ultrasonic guided wave echo signals to extract and identify noise-buried diagonal crack defect information for the entire pipeline. There is the step of obtaining the diagonal crack defect status of Although this method can detect weak defect echo signals, it is not possible to measure the amplitude and occurrence time of the signal, so that quantitative analysis of defects cannot be realized.
中国特許出願であるＣＮ１０５９５４３５８Ｂには、ＴＲとダフィング（Ｄｕｆｆｉｎｇ）システムとを組み合わせた超音波ガイド波による小さな欠陥の測位及び検出方法が開示されており、当該発明は、１）管路の一方の端面で超音波ガイド波信号を励起させて、超音波ガイド波を管路の全位置に行き渡させるステップと、２）励起端付近の他方の端面で超音波ガイド波エコー信号を受信し、管路内を伝搬した超音波ガイド波の時間履歴曲線を記録するステップと、３）改良されたダフィングカオス解析システムを利用して、超音波ガイド波エコー信号を検出及び分析し、ノイズに埋もれられた小さな欠陥情報を抽出及び識別するステップと、４）得られた小さな欠陥情報付きの信号を時間反転させてから再励起させるステップと、５）反転信号を受信するステップととされる。この方法において、カオス解析検出システムは、検出信号に欠陥信号が含まれているかを判定して、時間反転検出を行う必要があるかを決定するための補助手段である。 Chinese patent application CN105954358B discloses a method for locating and detecting small defects by ultrasonic guided waves combined with TR and Duffing system, the invention consists of: 1) one end face of a pipeline; and 2) receiving the ultrasonic guided wave echo signal at the other end face near the excitation end, and and 3) using an improved Duffing chaos analysis system to detect and analyze the ultrasonic guided wave echo signal to identify small defects buried in noise. 4) time-reversing and then re-exciting the resulting signal with small defect information; and 5) receiving the inverted signal. In this method, the chaos analysis detection system is an auxiliary means for determining whether the detection signal contains defect signals and whether time-reversal detection needs to be performed.
そこで、欠陥エコー信号の検出、定量化及び測位技術を同時に実現するために、弱い超音波ガイド波信号のデュアルカオス解析システム検出方法を模索して、当分野で欠陥信号を定量分析できない難題を解決することは、極めて切実かつ必要になっている。 Therefore, in order to realize the detection, quantification and positioning technology of defect echo signals at the same time, we explored a dual chaos analysis system detection method for weak ultrasonic guided wave signals to solve the difficult problem of not being able to quantitatively analyze defect signals in this field. It is extremely urgent and necessary to do so.
本発明は、上記先行技術における欠陥に対して、弱い超音波ガイド波信号のデュアルカオス解析システム検出方法を提案する。当該方法は、目標信号を確定することと、第一カオス解析システムを構築して第一カオス解析システム閾値を確定することと、第一カオス解析検出システムを確立して目標信号の振幅を識別することと、位相の影響を考慮した際の第一カオス解析システムの閾値減少量を確定することと、第二カオス解析システムを構築して第二カオス解析検出システムを確立し、目標信号の検出及び測位を行うこととを含み、管路の欠陥の位置及び大きさが確定されるように管路の欠陥の定量検出を行う。本発明は、デュアルカオス解析検出システムを利用して、位相差補償により欠陥エコー目標信号の発生時刻を迅速かつ正確に検出し、求解リソースを節約し、分析効率を向上させたとともに、小さな欠陥又は遠距離の検出に方向性を与えた。 The present invention proposes a dual chaos analysis system detection method for weak ultrasonic guided wave signals against the deficiencies in the above prior art. The method includes determining a target signal, establishing a first chaos analysis system to determine a first chaos analysis system threshold, and establishing a first chaos analysis detection system to identify the amplitude of the target signal. , determining the threshold reduction amount of the first chaos analysis system when considering the influence of the phase, constructing the second chaos analysis system to establish the second chaos analysis detection system, detecting the target signal and and performing a quantitative detection of the pipeline defect such that the location and size of the pipeline defect are determined. The present invention utilizes a dual chaos analysis detection system to quickly and accurately detect the occurrence time of the defect echo target signal by phase difference compensation, save solution-finding resources, improve analysis efficiency, and achieve small defects or Gives directionality to long-distance detection.
本発明は、弱い超音波ガイド波信号のデュアルカオス解析システム検出方法であって、以下のステップを含み、
ステップＳ１は、目標信号を確定することであり、目標信号を、変調された単周波数信号s(t)とし、
ステップＳ２は、第一カオス解析システムを構築して第一カオス解析システム閾値Ｆｃ１を確定し、
ステップＳ２１は、Ｄｕｆｆｉｎｇ方程式で第一カオス解析システムを下記式のように構築し、
ただし、ωは、第一外部駆動力の円周波数を表し、ｃは、第一減衰を表し、且つ定数であり、ｘは、カオスシステムの変位変数を表し、Ｆは、外部駆動力の振幅を表し、ｔは、カオスシステムの進化時間を表し、
ステップＳ２２は、第一パラメータ条件の下で、外部駆動力の振幅Ｆを変換して、周期状態からカオス状態に遷移する第一カオスシステム閾値Ｆｃ１を得て、第一カオスシステム閾値Ｆｃ１、第一減衰ｃ、第一外部駆動力の円周波数ωといったパラメータによって確定されたシステムを第一カオスシステムとして設定し、
ステップＳ３は、第一カオス解析検出システムを確立して目標信号の振幅を識別するステップであり、目標信号を式（２）の右側の外部駆動力項に重畳して第一カオス解析検出システムを確立し、目標信号を重畳した部分により、目標信号の振幅の識別を実現し、
ステップＳ４は、位相の影響を考慮した時の第一カオス解析システムの閾値減少量を確定し、
ステップＳ４１は、ステップＳ１における目標信号と、ステップＳ２における式（２）の右側の外部駆動力との間に位相差φがあるとし、φ≦0の場合、ステップＳ３における第一カオス検出システムが、下記式のようになり、
ただし、ω１は、目標信号の円周波数を表し、且つω１＝２πｆであり、ｆは、目標信号の周波数を表し、ｎは、目標信号の谷の数を表し、ｋは整数であり、Ａは、目標信号の振幅を表し、Δｔは、目標信号の長さを表し、且つΔｔ＝２πｎ/ωであり、
ステップＳ４２は、位相の影響を考慮すると、第一カオスシステムの閾値減少量ΔFが、下記式のようになり、
φ＝０の際、第一カオスシステムの閾値減少量ΔFが最大値を取り、目標信号の振幅Ａとなり、
ステップＳ５は、第二カオス解析システムを構築して第二カオス解析検出システムを確立し、第一カオス解析検出システムと共同で目標信号の測位を行わせ、
ステップＳ５１は、前記第一カオスシステムの外部駆動力に初期位相φ１（φ１＞０）を追加して、位相補償を行うと、式（７）が、下記式のようになり、
がカオス状態に入った場合、駆動力の振幅を減少させて、システムを再び周期状態に戻
ステップＳ５３は、第二カオスシステムを構築するステップであり、第二パラメータ条件の下で、外部駆動力の振幅Ｆを変換して、当該システムが周期状態からカオス状態に遷移する第二カオスシステム閾値Ｆｃ２を得て、第二カオスシステム閾値Ｆｃ２、第二減衰ｃ２、第二外部駆動力の円周波数ω２といったパラメータによって確定されたシステムを第二カオスシステムとして設定し、
ステップＳ５４、第二カオス解析検出システムの数学モデルを下記式のように確立し、
ただし、φ２は、第二カオス検出システムの第二外部駆動力の補償初期位相を表し、
ステップＳ５５は、第二カオス検出システムの第二外部駆動力の初期位相φ２を変換して、目標信号を重畳し、もしシステムがカオス状態に入った場合、駆動力の振幅を減少させて、システムを再び周期状態に戻し、駆動力の振幅の減少量を第二カオスシステムの閾値減少量ΔFと記し、もしシステムが周期状態のままの場合、ΔF=0と記して、ΔF－φ２曲線を描き、第二カオスシステムの閾値減少量ΔFが極大値を取る時のφ２を（φ２）maxと記し、
ステップＳ５６は、目標信号のピークの発生時刻ｔｘが、下記式のようになり、
ただし、Ｔは、検出対象信号の長さを表し、
検出対象信号の開始時間ｔ０を重畳して、目標信号の真のピークの発生時刻ｔｄを下記式のように得て、
目標信号の検出及び測位が完了する、弱い超音波ガイド波信号のデュアルカオス解析システム検出方法を提供する。
The present invention provides a dual chaos analysis system detection method for weak ultrasonic guided wave signals, comprising the steps of:
Step S1 is to determine a target signal, let the target signal be the modulated single-frequency signal s(t),
A step S2 establishes a first chaos analysis system and establishes a first chaos analysis system threshold value Fc1 ,
A step S21 constructs a first chaos analysis system using the Duffing equation as shown in the following equation,
where ω represents the circular frequency of the first external driving force, c represents the first damping and is a constant, x represents the displacement variable of the chaotic system, and F represents the amplitude of the external driving force. , t represents the evolution time of the chaotic system,
Step S22 transforms the amplitude F of the external driving force under the first parameter condition to obtain a first chaotic system threshold F c1 for the transition from the periodic state to the chaotic state, the first chaotic system threshold F c1 , A system determined by parameters such as the first damping c and the circular frequency ω of the first external driving force is set as the first chaotic system,
Step S3 is a step of establishing a first chaotic analysis detection system to identify the amplitude of the target signal, and superimposing the target signal on the external driving force term on the right side of equation (2) to establish the first chaotic analysis detection system establishing and realizing the identification of the amplitude of the target signal by means of the superimposed portion of the target signal,
A step S4 determines a threshold reduction amount of the first chaos analysis system when considering the effect of the phase,
In step S41, it is assumed that there is a phase difference φ between the target signal in step S1 and the external driving force on the right side of equation (2) in step S2. , becomes
where ω 1 represents the circular frequency of the target signal and ω 1 =2πf, f represents the frequency of the target signal, n represents the number of troughs in the target signal, k is an integer, A represents the amplitude of the target signal, Δt represents the length of the target signal, and Δt=2πn/ω,
In step S42, considering the influence of the phase, the threshold reduction amount ΔF of the first chaotic system is expressed by the following formula,
When φ = 0, the threshold reduction amount ΔF of the first chaotic system takes the maximum value and becomes the amplitude A of the target signal,
A step S5 constructs a second chaos analysis system to establish a second chaos analysis detection system, and causes the target signal to be positioned jointly with the first chaos analysis detection system,
In step S51, when the initial phase φ 1 (φ 1 >0) is added to the external driving force of the first chaotic system to perform phase compensation, equation (7) becomes the following equation,
enters a chaotic state, the amplitude of the driving force is reduced to return the system to the periodic state again.
Step S53 is a step of constructing a second chaotic system, which transforms the amplitude F of the external driving force under the condition of the second parameter, and the second chaotic system threshold at which the system transitions from the periodic state to the chaotic state obtaining F c2 , setting the system defined by the parameters of the second chaotic system threshold F c2 , the second damping c2, the circular frequency ω 2 of the second external driving force as the second chaotic system;
Step S54, establishing a mathematical model of the second chaos analysis detection system as the following formula,
where φ2 represents the compensation initial phase of the second external driving force of the second chaos detection system,
Step S55 transforms the initial phase φ2 of the second external driving force of the second chaos detection system to superimpose the target signal, and if the system enters the chaotic state, reducing the amplitude of the driving force, Returning the system to the periodic state again, the reduction in the amplitude of the driving force is denoted as the threshold reduction of the second chaotic system ΔF, and if the system remains in the periodic state, ΔF = 0, and the ΔF- φ2 curve , φ 2 when the threshold reduction amount ΔF of the second chaotic system takes a maximum value is denoted as (φ 2 ) max ,
In step S56, the peak occurrence time tx of the target signal is expressed by the following formula,
However, T represents the length of the signal to be detected,
By superimposing the start time t0 of the target signal to be detected, the true peak occurrence time td of the target signal is obtained by the following formula,
A weak ultrasonic guided wave signal dual chaos analysis system detection method is provided, which completes the detection and positioning of the target signal.
さらに、前記ステップＳ３は、具体的に、以下のステップを含み、
ステップＳ３１は、目標信号をＤｕｆｆｉｎｇ方程式の右側の外部駆動力に重畳すると、第一カオス解析検出システムが、下記式のようになり、
ステップＳ３２は、目標信号が重畳された部分を着目すると、下記式のようになり、
ステップＳ３３は、式（４）においてｎが２０以下の場合、限定条件が満たされ、このとき、後の２項が無視可能で、下記式のようになり、
ステップＳ３４は、Ｄｕｆｆｉｎｇ方程式が周期状態からカオス状態に遷移する臨界状態にある時に、ガイド波信号を重畳して、システムがカオス状態となり、式（５）におけるFc1の値を減少させることで、再び周期状態に入らせると、第一カオスシステムの閾値減少量ΔFが、下記式のようになり、
式（６）を利用して、目標信号の振幅の識別が実現される。
Further, the step S3 specifically includes the following steps,
In step S31, when the target signal is superimposed on the external driving force on the right side of the Duffing equation, the first chaos analysis detection system becomes as follows,
In step S32, focusing on the part where the target signal is superimposed, the following formula is obtained,
In step S33, when n is 20 or less in formula (4), the limiting condition is satisfied, and at this time, the latter two terms can be ignored, resulting in the following formula,
In step S34, when the Duffing equation is in a critical state transitioning from a periodic state to a chaotic state, the guided wave signal is superimposed so that the system becomes chaotic, and the value of F c1 in equation (5) is reduced by: When the periodic state is entered again, the threshold reduction amount ΔF of the first chaotic system becomes as follows,
Using equation (6), identification of the amplitude of the target signal is achieved.
好ましくは、前記ステップＳ１において、前記目標信号ｓ（ｔ）は、
といった関数関係を満たす。
Preferably, in said step S1, said target signal s(t) is
satisfies a functional relationship such as
好ましくは、前記ステップＳ２において、前記第一パラメータ条件は、第一カオスシステムの第一減衰ｃ＝ｃ１であり、且つ第一カオスシステムの第一外部駆動力の円周波数ωと目標信号の円周波数ω１とが一致し、即ちω＝ω１であることとされ、前記ステップＳ５３において、前記第二パラメータ条件は、第二カオスシステムの第二減衰と第一カオスシステムの第一減衰とが同じであり、即ちｃ２＝ｃ＝ｃ１であり、且つ第二カオスシステムの第二外部駆動力の円周波数ω２が
といった関係を満たすこととされる。
Preferably, in step S2, the first parameter condition is the first damping c=c1 of the first chaotic system, and the circular frequency ω of the first external driving force of the first chaotic system and the circular frequency of the target signal ω 1 coincides, that is, ω=ω 1 , and in step S53, the second parameter condition is that the second damping of the second chaotic system and the first damping of the first chaotic system are the same. ie c2=c=c1 and the circular frequency ω2 of the second external driving force of the second chaotic system is
It is assumed that the following relationship is satisfied.
本発明の１つの好ましい実施形態において、本発明の方法は、管路の欠陥の定量検出に適用可能である。当該方法は、以下のステップを更に含み、
ステップＳ６は、管路の欠陥の定量検出を行うステップであり、超音波ガイド波の伝搬速度及び構造における垂直入射超音波ガイド波の反射法則に基づいて、管路の欠陥の位置及び大きさを確定し、
ステップＳ６１は、超音波ガイド波の伝搬速度がｃであることが既知の場合、ステップＳ５により目標信号の真のピークの発生時刻td、即ち欠陥エコーの発生時刻を求め、欠陥から信号の励起即ち受信位置までの距離Lxを下記式のように計算し、
ステップＳ６２は、構造における垂直入射超音波ガイド波の反射法則に従って、反射係数Ｒを下記式のように得て、
ただし、βは、構造の断面損失率を表し、
ステップＳ６３は、反射係数Ｒが、下記式のように欠陥エコーの振幅Ad＝Ａと入射波の振幅A0との比になり、
ただし、Ｋは、減衰補正係数を表し、０＜Ｋ＜１であり、
ステップＳ６４は、式（１５）及び式（１６）により、構造の断面損失率βを下記式のように得て、
ステップＳ６５は、構造の断面損失率β、及び、欠陥から信号の励起即ち受信位置までの距離Lxに基づいて、管路の欠陥の位置及び大きさを確定する。
In one preferred embodiment of the invention, the method of the invention is applicable to the quantitative detection of defects in pipelines. The method further comprises the steps of:
Step S6 is a step of quantitatively detecting defects in the pipeline, and the position and size of the defect in the pipeline are determined based on the propagation speed of the guided ultrasonic wave and the law of reflection of the vertically incident guided ultrasonic wave in the structure. Confirm,
In step S61, when it is known that the propagation speed of the ultrasonic guided wave is c, the true peak occurrence time t d of the target signal, that is, the defect echo occurrence time is obtained in step S5, and the signal is excited from the defect. That is, the distance L x to the receiving position is calculated by the following formula,
Step S62 obtains the reflection coefficient R according to the following formula according to the reflection law of the vertically incident guided ultrasonic waves in the structure,
where β represents the area loss ratio of the structure,
In step S63, the reflection coefficient R becomes the ratio of the amplitude A d =A of the defect echo and the amplitude A 0 of the incident wave as shown in the following formula,
However, K represents an attenuation correction coefficient, 0<K<1,
A step S64 obtains the cross-sectional loss ratio β of the structure as shown in the following formula from the formulas (15) and (16),
Step S65 determines the location and size of the conduit defect based on the cross-sectional loss factor β of the structure and the distance L x from the defect to the signal excitation or reception location.
先行技術に比べて、本発明の技術的効果は、以下の通りである。 Compared with the prior art, the technical effects of the present invention are as follows.
１、本発明が提案した弱い超音波ガイド波信号のデュアルカオス解析システム検出方法は、周期状態からカオス状態に遷移するＤｕｆｆｉｎｇ方程式の臨界状態をカオス解析検出システムとして、目標信号を駆動力項に重畳して、システムがカオス解析状態に遷移し、更に駆動力の振幅を調整することで、システムを周期状態に戻すようにして、駆動力の振幅調整量により目標信号の振幅を確定し、カオス解析システムを利用した弱い信号の振幅の検出を実現し、目標信号の大きさの評価に根拠を与えている。 1. The dual chaos analysis system detection method for weak ultrasonic guided wave signals proposed by the present invention uses the critical state of the Duffing equation, which transitions from the periodic state to the chaos state, as the chaos analysis detection system, and superimposes the target signal on the driving force term. Then, the system transitions to the chaos analysis state, and by adjusting the amplitude of the driving force, the system is returned to the periodic state, the amplitude of the target signal is determined by the amplitude adjustment amount of the driving force, and the chaos analysis is performed. We have realized the detection of the amplitude of weak signals using the system, and have provided a basis for evaluating the magnitude of the target signal.
２、本発明が提案した弱い超音波ガイド波信号のデュアルカオスシステム検出方法は、駆動力の周波数が異なるものの、一定の関係を満たすＤｕｆｆｉｎｇカオスシステムを２つ構築し、デュアルカオスシステムの構築用の駆動力項に対して初期位相の補償を行うとともに、弱い信号の検出を行い、両システムのΔF－φi(i=1,2)曲線をそれぞれ描き、欠陥の位置が確定されるよう、２本の曲線のピーク値に対応する位相差により目標信号の発生時刻を確定するようにして、デュアルカオス検出システムを利用して、位相差により目標信号の発生時刻を迅速かつ正確に検出し、求解リソースを節約し、分析効率を向上させたとともに、提案したΔF－φi(i=1,2)曲線による信号の振幅及び発生時刻の分析は、直観的かつ速くて便利である利点を持っている。 2. The dual chaotic system detection method for weak ultrasonic guided wave signals proposed by the present invention constructs two Duffing chaotic systems that satisfy a certain relationship although the driving force frequencies are different. Perform initial phase compensation for the driving force term, detect weak signals, draw the ΔF-φ i (i=1,2) curves for both systems, respectively, and determine the position of the defect. The time of occurrence of the target signal is determined by the phase difference corresponding to the peak value of this curve, and the dual chaos detection system is used to quickly and accurately detect the time of occurrence of the target signal based on the phase difference to solve the problem. The proposed ΔF-φ i (i=1,2) curve analysis of signal amplitude and occurrence time has the advantage of being intuitive, fast and convenient, while saving resources and improving analysis efficiency. there is
３、本発明が提案した弱い超音波ガイド波信号のデュアルカオス解析システム検出方法は、管路の欠陥の定量検出において、小さな欠陥に起因した欠陥エコーが微弱なもので、それに、超音波ガイド波信号も長距離の伝搬を経ているため、欠陥エコーが極めて微弱になるにも関わらず、当該方法は、正確に識別でき、従来の方法よりも遥かに優れており、超音波ガイド波による管路の小さな欠陥の検出又は遠距離の検出の効率を向上させ、超音波ガイド波の検出効率の向上に重要な意義を持っている。 3. The weak ultrasonic guided wave signal dual chaos analysis system detection method proposed by the present invention is that in the quantitative detection of pipeline defects, the defect echo caused by small defects is weak, and the ultrasonic guided wave signal is Although the signal also undergoes long-distance propagation, the defect echo becomes extremely faint, but the method can be accurately discriminated, which is far superior to the conventional method, and the ultrasound-guided-wave pipeline It is of great significance to improve the detection efficiency of ultrasonic guided waves.
図面を参照してなされた非限定的な実施例に対する以下の詳細な説明を読むことにより、本願の他の特徴、目的及び利点は、より明らかになるであろう。
以下、図面及び実施例を元に、本願を更に詳しく説明する。理解できることに、ここで説明される具体的な実施例は、関連発明を解釈するためのものに過ぎず、当該発明を限定するものではない。更に、説明の便宜上、図面には、関連発明に関係する部分のみが示されていることを留意されたい。 Hereinafter, the present application will be described in more detail based on the drawings and examples. It should be understood that the specific embodiments described herein are for the purpose of interpreting the relevant invention only, and are not intended to limit such invention. Furthermore, it should be noted that for convenience of explanation, only the parts related to the related invention are shown in the drawings.
説明すべきなのは、矛盾しない限り、本願における実施例及実施例における特徴は、互いに組み合せられてもよい。以下、図面を参照して実施例を元に本願を詳しく説明する。 It should be noted that the embodiments in this application and the features in the embodiments may be combined with each other, unless inconsistent. Hereinafter, the present application will be described in detail based on embodiments with reference to the drawings.
図１は、本発明に係る弱い超音波ガイド波信号のデュアルカオス解析システム検出方法を示しており、当該方法は、以下のステップを含む。
ステップＳ１は、目標信号を確定するステップであり、目標信号を、ハニング（Ｈａｎｎｉｎｇ）窓によって変調された単周波数信号s(t)とし、当該単周波数信号s(t)は、以下の関数関係を満たし、
ただし、ω１は、目標信号の円周波数を表し、且つω１＝２πｆであり、ｆは、目標信号の周波数を表し、ｎは、目標信号の谷の数を表し、Ａは、目標信号の振幅を表し、Δｔは、目標信号の長さを表し、且つΔｔ＝２πｎ/ωである。
FIG. 1 shows a dual chaos analysis system detection method for weak ultrasonic guided wave signals according to the present invention, which includes the following steps.
Step S1 is a step of determining a target signal, where the target signal is a single-frequency signal s(t) modulated by a Hanning window, and the single-frequency signal s(t) has the following functional relationship: fill,
where ω 1 represents the circular frequency of the target signal and ω 1 =2πf, f represents the frequency of the target signal, n represents the number of troughs in the target signal, and A is the number of troughs in the target signal. represents the amplitude, Δt represents the length of the target signal, and Δt=2πn/ω.
１つの具体的な実施例において、周波数ｆがｆ＝７０ｋＨｚとなるように選択され、カオスシステムによる求解に合わせるために、７０ｋＨｚ＝０．０７（1/μs）、
目標信号の形状は、図２に示すようになる。
In one specific example, the frequency f is chosen to be f=70 kHz, and to match the solution by the chaotic system, 70 kHz=0.07(1/μs),
The shape of the target signal is as shown in FIG.
ステップＳ２は、第一カオス解析システムを構築して第一カオス解析システム閾値Ｆｃ１を確定する。 A step S2 establishes a first chaos analysis system and establishes a first chaos analysis system threshold Fc1.
ステップＳ２１は、Ｄｕｆｆｉｎｇ方程式で第一カオス解析システムを下記式のように構築し、
ただし、ωは、第一外部駆動力の円周波数を表し、ｃは、第一減衰を表し、且つ定数であり、ｘは、カオスシステムの変位変数を表し、Ｆは、外部駆動力の振幅を表し、ｔは、カオスシステムの進化時間を表す。
A step S21 constructs a first chaos analysis system using the Duffing equation as shown in the following equation,
where ω represents the circular frequency of the first external driving force, c represents the first damping and is a constant, x represents the displacement variable of the chaotic system, and F represents the amplitude of the external driving force. and t represents the evolution time of the chaotic system.
ステップＳ２２は、第一パラメータ条件の下で、外部駆動力の振幅Ｆを変換して、当該システムが周期状態からカオス状態に遷移する第一カオスシステム閾値Ｆｃ１を得て、第一カオスシステム閾値Ｆｃ１、第一減衰ｃ、第一外部駆動力の円周波数ωといったパラメータによって確定されたシステムを第一カオスシステムとして設定し、第一パラメータ条件は、第一カオスシステムの第一減衰ｃ＝ｃ１であり、且つ第一カオスシステムの第一外部駆動力の円周波数ωと目標信号の円周波数ω1とが一致し、即ちω＝ω1であることとされる。 Step S22 transforms the amplitude F of the external driving force under the first parameter condition to obtain a first chaotic system threshold Fc1 at which the system transitions from the periodic state to the chaotic state; The system determined by the parameters of F c1 , the first damping c, the circular frequency ω of the first external driving force is set as the first chaotic system, and the first parameter condition is the first damping c=c1 of the first chaotic system and the circular frequency ω of the first external driving force of the first chaotic system and the circular frequency ω 1 of the target signal are coincident, ie ω=ω 1 .
１つの具体的な実施例において、第一減衰ｃ＝０．４であるとし、当該システムが周期状態からカオス状態に遷移する臨界値としてＦｃ１＝０．４５７８１が得られ、Ｆｃ１＝０．４５７８１、ｃ＝０．４、ω＝ω1といったパラメータによって確定されたシステムを第一カオスシステムとして設定する。 In one specific example, assuming a first damping c=0.4, the critical value at which the system transitions from a periodic state to a chaotic state is obtained as F c1 =0.45781, and F c1 =0.45781. 45781, c=0.4, ω=ω 1 , the system defined by the parameters is set as the first chaotic system.
ステップＳ３は、第一カオス解析検出システムを確立して目標信号の振幅を識別するステップであり、目標信号を式（２）の右側の外部駆動力に重畳して第一カオス解析検出システムを確立し、目標信号を重畳した部分により、目標信号の振幅の識別が実現される。 Step S3 is a step of establishing a first chaotic analysis detection system to identify the amplitude of the target signal, and superimposing the target signal on the external driving force on the right side of equation (2) to establish the first chaotic analysis detection system Then, identification of the amplitude of the target signal is realized by the portion on which the target signal is superimposed.
ステップＳ３１は、目標信号をＤｕｆｆｉｎｇ方程式の右側の外部駆動力に重畳すると、第一カオス解析検出システムが、下記式のようになる。
In step S31, when the target signal is superimposed on the external driving force on the right side of the Duffing equation, the first chaos analysis detection system becomes as follows.
ステップＳ３２は、目標信号が重畳された部分を着目すると、下記式のようになる。
Focusing on the portion where the target signal is superimposed, step S32 is expressed by the following equation.
ステップＳ３３は、式（４）においてｎが２０以下の場合、最後の２項が示す信号の周波数と、駆動力の周波数との差が大きいため、もし検出対象信号の周波数とＤｕｆｆｉｎｇ方程式の駆動力の周波数との差が３％以上となれば、検出対象信号によってＤｕｆｆｉｎｇ方程式の解の変化が引き起こされないという限定条件が満たされる。このとき、後の２項が無視可能で、下記式のようになる。
In step S33, when n is 20 or less in equation (4), the difference between the frequency of the signal indicated by the last two terms and the frequency of the driving force is large. is 3% or more, the limiting condition is satisfied that the signal to be detected does not cause a change in the solution of the Duffing equation. At this time, the latter two terms can be ignored, and the following equation is obtained.
ステップＳ３４は、Ｄｕｆｆｉｎｇ方程式が周期状態からカオス状態に遷移する臨界状態にある時に、ガイド波信号を重畳して、システムがカオス状態となり、式（５）におけるFc1の値を減少させることで、再び周期状態に入らせると、第一カオスシステムの閾値減少量ΔFが、下記式のようになり、
式（６）を利用して、目標信号の振幅の識別が実現される。
In step S34, when the Duffing equation is in a critical state transitioning from a periodic state to a chaotic state, the guided wave signal is superimposed so that the system becomes chaotic, and the value of F c1 in equation (5) is reduced by: When the periodic state is entered again, the threshold reduction amount ΔF of the first chaotic system becomes as follows,
Using equation (6), identification of the amplitude of the target signal is achieved.
ステップＳ４は、位相の影響を考慮した時の第一カオス解析システムの閾値減少量を確定する。 Step S4 establishes a threshold reduction amount for the first chaos analysis system when considering phase effects.
ステップＳ４１は、ステップＳ１における目標信号と、ステップＳ２における式（２）の右側の外部駆動力項の間に位相差φがあるとし、φ≦0の場合、ステップＳ３における第一カオス検出システムが、下記式のようになり、
ただし、ｋは整数であり、φは、目標信号の発生時刻に関係する。
In step S41, it is assumed that there is a phase difference φ between the target signal in step S1 and the external driving force term on the right side of equation (2) in step S2. , becomes
where k is an integer and φ relates to the time of occurrence of the target signal.
ステップＳ４２は、位相の影響を考慮すると、第一カオスシステムの閾値減少量ΔFが、下記式のようになり、
φ＝０の際、第一カオスシステムの閾値減少量ΔFが最大値を取り、目標信号の振幅Ａとなる。
In step S42, considering the influence of the phase, the threshold reduction amount ΔF of the first chaotic system is expressed by the following formula,
When φ=0, the threshold reduction amount ΔF of the first chaotic system takes the maximum value and becomes the amplitude A of the target signal.
ステップＳ５は、第二カオス解析システムを構築して第二カオス解析検出システムを確立し、第一カオス解析検出システムと共同で目標信号の測位を行わせる。 Step S5 builds a second chaos analysis system to establish a second chaos analysis detection system, and causes the target signal to be positioned jointly with the first chaos analysis detection system.
ステップＳ５１は、第一カオスシステムの外部駆動力に初期位相φ１（φ１＞０）を追加して、位相補償を行うと、式（７）が、下記式のようになる。
In step S51, the initial phase φ 1 (φ 1 >0) is added to the external driving force of the first chaotic system, and phase compensation is performed.
ステップＳ５２は、初期位相φ１の各々の値に対して、目標信号を重畳し、もしシステムがカオス状態に入った場合、駆動力の振幅を減少させて、システムを再び周期状態に戻し、駆動力の振幅の減少量を第一カオスシステムの閾値減少量ΔFと記し、もしシステムが周期
Step S52 superimposes the target signal for each value of the initial phase φ1 , and if the system enters the chaotic state, reduces the amplitude of the driving force to bring the system back into the periodic state, driving We denote the decrease in force amplitude as the threshold decrease ΔF of the first chaotic system, and if the system is periodic
ステップＳ５３は、第二カオスシステムを構築するステップであり、第二パラメータ条件の下で、外部駆動力の振幅Ｆを変換して、当該システムが周期状態からカオス状態に遷移する第二カオスシステム閾値Ｆｃ２を得て、第二カオスシステム閾値Ｆｃ２、第二減衰ｃ２、第二外部駆動力の円周波数ω２といったパラメータによって確定されたシステムを第二カオスシステムとして設定し、ステップＳ５３において、第二パラメータ条件は、第二カオスシステムの第二減衰と第一カオスシステムの第一減衰とが同じであり、即ちｃ２＝ｃ＝ｃ１であり、且つ第二カオスシステムの第二外部駆動力の円周波数ω２が以下の関係を満たすこととされ、
ただし、Ｔは、検出対象信号の長さを表す。
Step S53 is a step of constructing a second chaotic system, which transforms the amplitude F of the external driving force under the condition of the second parameter, and the second chaotic system threshold at which the system transitions from the periodic state to the chaotic state F c2 is obtained, and the system determined by parameters such as the second chaotic system threshold F c2 , the second damping c2, and the circular frequency ω 2 of the second external driving force is set as the second chaotic system; The two-parameter conditions are that the second damping of the second chaotic system and the first damping of the first chaotic system are the same, i.e. c2=c=c1, and the second external driving force circle It is assumed that the frequency ω 2 satisfies the following relationship,
However, T represents the length of the detection target signal.
１つの具体的な実施例において、第二減衰ｃ２＝０．４であり、当該システムが周期状態からカオス状態に遷移する臨界値としてＦｃ２＝０．４５６０９が得られ、Ｆｃ２＝０．４５６０９、ｃ２＝０．４、ω２＝ω1－π/Tといったパラメータによって確定されたシステムを第二カオスシステムとして設定する。 In one specific example, the second damping c2=0.4, yielding Fc2 =0.45609 as the critical value for the system to transition from the periodic state to the chaotic state, Fc2 =0.45609 , c2=0.4, and ω 2= ω 1 −π/T are set as the second chaotic system.
ステップＳ５４は、第二カオス解析検出システムの数学モデルを下記式のように確立し、
ただし、φ２は、第二カオス検出システムの第二外部駆動力の補償初期位相を表す。
Step S54 establishes a mathematical model of the second chaos analysis detection system as:
where φ 2 represents the compensation initial phase of the second external driving force of the second chaos detection system.
ステップＳ５５は、第二カオス検出システムの第二外部駆動力の初期位相φ２を変換して、目標信号を重畳し、もしシステムがカオス状態に入った場合、駆動力の振幅を減少させて、システムを再び周期状態に戻し、駆動力の振幅の減少量を第二カオスシステムの閾値減少量ΔFと記し、もしシステムが周期状態のままの場合、ΔF＝０と記して、ΔF－φ２曲線を描き、第二カオスシステムの閾値減少量ΔFが極大値を取る時のφ２を（φ２）maxと記す。 Step S55 transforms the initial phase φ2 of the second external driving force of the second chaos detection system to superimpose the target signal, and if the system enters the chaotic state, reducing the amplitude of the driving force, Returning the system to the periodic state again, the reduction in the amplitude of the driving force is denoted as the threshold reduction of the second chaotic system ΔF, and if the system remains in the periodic state, ΔF = 0, and the ΔF- φ2 curve , and φ 2 when the threshold decrease ΔF of the second chaotic system takes a maximum value is denoted as (φ 2 ) max .
ステップＳ５６は、目標信号のピークの発生時刻txが、下記式のようになり、
検出対象信号の開始時間ｔ０を重畳して、目標信号の真のピークの発生時刻ｔｄを下記式のように得て、
目標信号の検出及び測位が完了する。
In step S56, the peak occurrence time t x of the target signal is obtained by the following formula,
By superimposing the start time t0 of the target signal to be detected, the true peak occurrence time td of the target signal is obtained by the following formula,
Target signal detection and positioning is complete.
ステップＳ６は、管路の欠陥の定量検出を行うステップであり、超音波ガイド波の伝搬速度及び構造における垂直入射超音波ガイド波の反射法則に基づいて、管路の欠陥の位置及び大きさを確定し、超音波ガイド波による管路の欠陥の検出の原理図は、図３に示すようになる。 Step S6 is a step of quantitatively detecting defects in the pipeline, and the position and size of the defect in the pipeline are determined based on the propagation speed of the guided ultrasonic wave and the law of reflection of the vertically incident guided ultrasonic wave in the structure. A principle diagram of detection of defects in a pipeline by an ultrasonic guided wave is as shown in FIG.
ステップＳ６１は、超音波ガイド波の伝搬速度がｃであることが既知の場合、ステップＳ５により目標信号の真のピークの発生時刻ｔｄ、即ち欠陥エコーの発生時刻を求め、欠陥から信号の励起即ち受信位置までの距離Lxを下記式のように計算する。
In step S61, when it is known that the propagation speed of the ultrasonic guided wave is c, the true peak occurrence time t d of the target signal, that is, the defect echo occurrence time is obtained in step S5, and the signal is excited from the defect. That is, the distance L x to the receiving position is calculated by the following formula.
欠陥エコーの反射係数が欠陥の大きさに正比例するため、第一カオス解析検出システムを利用して欠陥エコーの振幅が識別されると、反射係数の求解に使用可能になるため、欠陥の大きさが得られる。 Since the reflection coefficient of a defect echo is directly proportional to the defect size, once the amplitude of the defect echo is identified using the first chaos analysis detection system, it can be used to solve for the reflection coefficient, and therefore the defect size is obtained.
ステップＳ６２は、構造における垂直入射超音波ガイド波の反射法則に従って、反射係数Ｒを下記式のように得て、
ただし、βは、構造の断面損失率を表す。
Step S62 obtains the reflection coefficient R according to the following formula according to the reflection law of the vertically incident guided ultrasonic waves in the structure,
where β represents the area loss ratio of the structure.
ステップＳ６３は、反射係数Ｒが、下記式のように欠陥エコーの振幅Ad＝Ａと入射波の振幅A0との比となり、
ただし、Ｋは、減衰補正係数を表し、０＜Ｋ＜１である。
In step S63, the reflection coefficient R becomes the ratio of the amplitude A d =A of the defect echo and the amplitude A 0 of the incident wave as shown in the following formula,
However, K represents an attenuation correction coefficient, and 0<K<1.
ステップＳ６４は、式（１５）及び式（１６）により、構造の断面損失率βを下記式のように得る。
A step S64 obtains the area loss rate β of the structure as shown in the following formula from the formulas (15) and (16).
ステップＳ６５は、構造の断面損失率β、及び、欠陥から信号の励起即ち受信位置までの距離Lxに基づいて、管路の欠陥の位置及び大きさを確定する。 Step S65 determines the location and size of the conduit defect based on the cross-sectional loss factor β of the structure and the distance L x from the defect to the signal excitation or reception location.
本方法の有効性を検証するために、長さ５ｍの継ぎ目のない鋼管に対して実験研究を行った。使用した設備としては、図４ａに示すように、主に任意の信号発生器、低周波増幅器及びオシロスコープが含まれ、圧電トランスデューサを用いて超音波ガイド波信号が励起及び収集される。試験システムは、図４ｂに示すように築かれ、励起信号として、ｎ＝１０で中心周波数が７０ｋＨｚのハニング窓変調信号が使用される。 To verify the effectiveness of the method, an experimental study was conducted on a 5m long seamless steel pipe. The equipment used mainly included an arbitrary signal generator, a low frequency amplifier and an oscilloscope, as shown in Fig. 4a, where piezoelectric transducers were used to excite and collect ultrasonic guided wave signals. The test system was built as shown in Fig. 4b, where a Hanning window modulated signal with n = 10 and center frequency of 70 kHz is used as the excitation signal.
表１に示す３種類の作業条件を用意し、作業条件１は、無傷な管路とされ、次に励起端から３ｍ離れた箇所で切断機を用いてひび割れを加工して欠陥をシミュレートし、それぞれ断面を３．２％及び６．４％減少させて、作業条件２及び作業条件３とする。 Three types of working conditions shown in Table 1 were prepared. Working condition 1 was an intact pipeline, and then cracks were processed using a cutting machine at a point 3 m away from the excitation end to simulate defects. , reducing the cross-section by 3.2% and 6.4%, respectively, to Working Condition 2 and Working Condition 3.
図５ａ及び５ｂは、それぞれ無傷な管路及び断面損失３．２％の場合の試験信号を示しており、損傷した管路の試験信号についても、無傷な管路と比較して、欠陥エコーが明確に見られないことが分かる。図５ａ及び５ｂでは、左側が入射波ＩＷ、右側が端面エコーＲＷ、中間部分が検出対象信号Ｃｓとなる。 Figures 5a and 5b show the test signal for the intact conduit and cross-sectional loss of 3.2%, respectively, and the test signal for the damaged conduit also shows less defect echoes compared to the intact conduit. I can see that you can't see it clearly. In FIGS. 5a and 5b, the left side is the incident wave IW, the right side is the end face echo RW, and the intermediate portion is the signal to be detected Cs.
従来の検出方法では、フィルタリングによってノイズの影響を低減することで、欠陥エコー情報を得ることが可能である。本方法では、図４における試験信号に対してＢｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈバンドパスフィルタを用いてフィルタリングを行い、その中心周波数が７０ｋＨｚ、低域カットオフ周波数が６０ｋＨｚ、高域カットオフ周波数が８０ｋＨｚとされる。フィルタリング後の無傷な管路及び断面損失３．２％の場合の効果は、それぞれ図６ａ及び６ｂに示すようになる。図６ａ及び６ｂにおける図示では、上の線が元の信号Ａ、下の線がフィルタリングされた信号Ｂである。 In conventional detection methods, it is possible to obtain defect echo information by reducing the influence of noise through filtering. In this method, the test signal in FIG. 4 is filtered using a Butterworth bandpass filter with a center frequency of 70 kHz, a low cutoff frequency of 60 kHz, and a high cutoff frequency of 80 kHz. The effect for an intact line after filtering and a cross-sectional loss of 3.2% is shown in Figures 6a and 6b, respectively. In the illustration in FIGS. 6a and 6b the original signal A is the top line and the filtered signal B is the bottom line.
明らかなことに、フィルタリングされた後でも、損傷したものとされる作業条件では、欠陥エコーが観察され難くなっており、これは主に、小さな欠陥に起因した欠陥エコーが微弱なもので、それに、超音波ガイド波信号も長距離の伝搬を経ているため、欠陥エコーが極めて微弱になってしまうからである。 Clearly, even after filtering, the allegedly damaged working conditions make the defect echoes less observable, mainly due to faint defect echoes caused by small defects and This is because the ultrasonic guided wave signal also propagates over a long distance, so that the defect echo becomes extremely weak.
本発明に係るデュアルカオス解析検出システムを使用すれば、小さな欠陥エコー情報を効果的に識別することが可能となる。 Using the dual chaos analytical detection system according to the present invention, it is possible to effectively identify small defect echo information.
無傷な管路とされる作業条件での入射波と端面エコーとの間（０．６５ｍｓ～１．６５ｍｓ）の信号（図５ａ参照）を検出対象信号として切り取ると、Ｔ＝１ｍｓとなり、それには、欠陥エコーが含まれず、ノイズ信号しかないため、デュアルカオス検出システムを利用して当該信号を識別すると、第一カオス検出システム及び第二カオス検出システムの結果は、それぞれ図７ａ及び７ｂに示すようになり、第一カオス検出システム及び第二カオス検出システムの何れでも、ΔFの値が非常に小さく、且つランダムに分布していることが分かり、これは、当該検出対象信号に欠陥エコー（目標信号）がないことを示している。 If the signal (0.65 ms to 1.65 ms) between the incident wave and the end face echo (see Fig. 5a) is clipped as the signal to be detected in working conditions assumed to be an intact pipeline, then T = 1 ms, which gives , there is no defect echo and only a noise signal, so when the dual chaotic detection system is used to identify the signal, the results of the first and second chaotic detection systems are shown in FIGS. 7a and 7b, respectively. It can be seen that the value of ΔF is very small and randomly distributed in both the first chaos detection system and the second chaos detection system. ).
同様に、損傷したものとされる作業条件で、（０．６５ｍｓ～１．６５ｍｓ）の間の信号（図５ｂ参照）を切り取り、デュアルカオス検出システムを利用して識別すると、第一カオス検出システム及び第二カオス検出システムの結果は、それぞれ図８ａ及び８ｂに示すようになり、両方でも、ΔF －φi曲線上のピーク値が明確に見える。各々のカオス検出システムに複数のピーク値が見られるが、これは、識別結果と位相との間に周期性があることに関連しており、式（１２）を利用して、(φ1)maxと(φ2)maxとが以下の関係を満たすように保証すればよい。
よって、２つのカオス解析検出システムの各々において、最初のピーク値を選択すれば、要件を満たすことができる。
Similarly, in the assumed damaged working condition, if the signal between (0.65 ms and 1.65 ms) (see Fig. 5b) is clipped and identified using the dual chaos detection system, the first chaos detection system and the results of the second chaotic detection system are shown in FIGS. 8a and 8b, respectively, in both of which the peak values on the ΔF −φ i curve are clearly visible. Multiple peak values are found for each chaos detection system, which are related to the periodicity between the discriminant results and the phase. It suffices to ensure that max and (φ 2 ) max satisfy the following relationship.
Therefore, in each of the two chaos analysis detection systems, selecting the first peak value satisfies the requirement.
図８ａのピーク値により、欠陥エコーのピーク値として０．０４ｍＶが識別され、式（１７）により、欠陥の大きさとして、断面損失３．４５％、相対誤差７．８１％が識別される。 The peak value in FIG. 8a identifies 0.04 mV as the peak value of the defect echo, and equation (17) identifies a cross-sectional loss of 3.45% and a relative error of 7.81% as the defect magnitude.
図８ａ及び８ｂを用いて欠陥の測位が行われ、波の速度は、入射波と端面エコーとの時間差、及びそれらの伝搬距離によって求めることが可能であり、
Defect localization is performed using FIGS. 8a and 8b, the wave velocity can be determined by the time difference between the incident wave and the edge echo, and their propagation distance,
信号の開始時刻は、t0=０．６５ｍｓになるように切り取られる。 The start time of the signal is clipped to t 0 =0.65 ms.
同じ方法で別の作業条件を識別すると、欠陥の大きさの識別結果としては、断面損失６．６１％、相対誤差３．２８％となり、欠陥の位置の識別結果は３．２０３ｍとなり、相対誤差が６．７％であり、識別精度は、需要を満たすことができる。 When different working conditions are identified by the same method, the identification result of the defect size is a section loss of 6.61%, the relative error is 3.28%, and the identification result of the defect position is 3.203m, a relative error of 3.28%. is 6.7%, and the identification accuracy can meet the demand.
本発明が設計した弱い超音波ガイド波信号のデュアルカオスシステム検出方法は、周期状態からカオス状態に遷移するＤｕｆｆｉｎｇ方程式の臨界状態をカオス検出システムとして、目標信号を駆動力項に重畳して、システムがカオス状態に遷移し、更に駆動力の振幅を調整することで、システムを周期状態に戻すようにして、駆動力の振幅調整量により目標信号の振幅を確定し、カオスシステムを利用した弱い信号の振幅の検出を実現し、目標信号の大きさの評価に根拠を与えており、そして、駆動力の周波数が異なるものの、一定の関係を満たすＤｕｆｆｉｎｇカオスシステムを２つ構築し、デュアルカオスシステムの構築用の駆動力項に対して初期位相補償を行うとともに、弱い信号の検出を行い、両システムのΔF－φi（i=1,2）曲線をそれぞれ描き、欠陥の位置が確定されるよう、２本の曲線のピーク値に対応する位相差により目標信号の発生時刻を確定するようにして、デュアルカオス検出システムを利用して、目標信号の発生時刻を位相差により迅速かつ正確に検出し、求解リソースを節約し、分析効率を向上させたとともに、提案したΔF－φi（i=1,2）曲線による信号の振幅及び発生時刻の分析は、直観的かつ速くて便利である利点を持っており、また、管路の欠陥の定量検出において、小さな欠陥に起因した欠陥エコーが微弱なもので、それに、超音波ガイド波信号も長距離の伝搬を経ているため、欠陥エコーが極めて微弱になるにも関わらず、当該方法は、正確に識別でき、従来の方法よりも遥かに優れており、超音波ガイド波による管路の小さな欠陥の検出又は遠距離の検出の効率を向上させ、超音波ガイド波の検出効率の向上に重要な意義を持っている。 The dual chaotic system detection method for weak ultrasonic guided wave signals designed by the present invention uses the critical state of the Duffing equation, which transitions from the periodic state to the chaotic state, as the chaos detection system, and superimposes the target signal on the driving force term to obtain the system transitions to a chaotic state, and by further adjusting the amplitude of the driving force, the system is returned to the periodic state, and the amplitude of the target signal is determined by the amount of adjustment of the amplitude of the driving force, and the weak signal using the chaotic system of the amplitude of the dual chaos system. Initial phase compensation is performed on the driving force term for construction, weak signal detection is performed, and ΔF-φ i (i=1,2) curves for both systems are drawn, respectively, so that the position of the defect can be determined. , the time of occurrence of the target signal is determined by the phase difference corresponding to the peak values of the two curves, and the dual chaos detection system is used to quickly and accurately detect the time of occurrence of the target signal by the phase difference. , which saves solution-finding resources and improves analysis efficiency, and the proposed ΔF-φ i (i=1,2) curve analysis of signal amplitude and occurrence time is intuitive, fast and convenient. In addition, in the quantitative detection of defects in pipelines, the defect echo caused by small defects is weak, and the ultrasonic guided wave signal also propagates over a long distance, so the defect echo is extremely weak. Nevertheless, the method can be accurately identified, far superior to conventional methods, and improves the efficiency of detecting small flaws in pipelines or long-distance detection by ultrasonic guided waves, It has important significance in improving the detection efficiency of ultrasonic guided wave.
最後に説明すべきなのは、以上の実施例は、本発明の技術案を説明するためのものに過ぎず、本発明を制限するものではなく、上記実施例を参照して本発明を詳しく説明したが、同業者であれば理解されるように、本発明は、依然として修正又は等価な置換が可能であり、本発明の精神及び範囲から逸脱しない全ての修正又は部分的置換は、本発明の特許請求の範囲に含まれるものとする。 Finally, it should be noted that the above embodiments are only for describing the technical solution of the present invention, and not for limiting the present invention. However, as will be appreciated by those skilled in the art, the invention is still susceptible to modifications or equivalent substitutions, and all modifications or partial substitutions that do not depart from the spirit and scope of the invention are subject to the shall be included in the claims.
Claims (5)
ステップＳ１は、目標信号を確定するステップであり、目標信号を、ハニング窓によって変調された単周波数信号ｓ（ｔ）とし、円周波数をωとし、
ステップＳ２は、第一カオス解析システムを構築して第一カオス解析システム閾値Ｆｃ１を確定し、
ステップＳ２１は、Ｄｕｆｆｉｎｇ方程式で第一カオス解析システムを下記式のように構築し、
ただし、ωは、第一外部駆動力の円周波数を表し、ｃは、第一減衰定数を表し、且つ定数であり、ｘは、カオス解析システムの変位変数を表し、Ｆは、外部駆動力の振幅を表し、ｔは、カオス解析システムの進化時間を表し、
ステップＳ２２は、第一パラメータ条件の下で、外部駆動力の振幅Ｆを変換して、周期状態からカオス解析状態に遷移する第一カオス解析システムのカオス解析閾値Ｆｃ１を得て、第一カオス解析システム閾値Ｆｃ１、第一減衰定数ｃ、第一外部駆動力の円周波数ωといったパラメータによって確定されたシステムを第一カオス解析システムとして設定し、
ステップＳ３は、第一カオス解析システムのパラメータを利用して第一カオス解析検出システムを確立して目標信号の振幅を識別するステップであり、目標信号を式（２）の右側の外部駆動力項に重畳して第一カオス解析検出システムを確立し、Ｄｕｆｆｉｎｇカオス解析システムに対する目標信号の相変化特性を利用して、目標信号の振幅の識別を実現し、
ステップＳ４は、信号を重畳した時の位相差による第一カオス解析検出システムの識別信号の振幅への影響を確定し、
ステップＳ４１は、ステップＳ１における目標信号と、ステップＳ２における式（２）の右側の外部駆動力との間に位相差φがあるとし、φ≦0の場合、
ステップＳ３における第一カオス検出システムが、下記式のようになり、
ただし、ω１ は、目標信号の円周波数を表し、且つω１＝２πｆであり、ｆは、目標信号の周波数を表し、ｎは、目標信号の谷の数を表し、ｋは整数であり、Ａは、目標信号の振幅を表し、Δｔは、目標信号の長さを表し、且つΔｔ＝２πｎ／ωであり、
ステップＳ４２は、位相の影響を考慮すると、第一カオス解析システムの閾値減少量ΔＦが、下記式のようになり、
φ＝０の際、第一カオス解析システムの閾値減少量ΔＦｃ１ が最大値を取り、目標信号の振幅Ａとなり、
ステップＳ５は、第二パラメータ条件の下で、第二カオス解析システムを構築して第二カオス解析検出システムを確立し、第一カオス解析検出システムと共同で目標信号の検出及び測位を行わせ、
長距離の管路の欠陥の定量検出に適用され、以下のステップを更に含み、
ステップＳ６は、管路の欠陥の定量検出を行うステップであり、超音波ガイド波の伝搬速度及び構造における垂直入射超音波ガイド波の反射法則に基づいて、管路の欠陥の位置及び大きさを確定し、
ステップＳ６１は、超音波ガイド波の伝搬速度がｃであることが既知の場合、ステップＳ５により目標信号の真のピークの発生時刻ｔｄ、即ち欠陥エコーの発生時刻を求め、欠陥から信号の励起即ち受信位置までの距離Ｌｘを下記式のように計算し、
ステップＳ６２は、構造における垂直入射超音波ガイド波の反射法則に従って、反射係数Ｒを下記式のように得て、
ただし、βは、構造の断面損失率を表し、
ステップＳ６３は、反射係数Ｒが、下記式のように欠陥エコーの振幅Aｄ＝Aと入射波の振幅A０との比となり、
ただし、Ｋは、減衰補正係数を表し、０＜Ｋ＜１であり、
ステップＳ６４は、式（１５）及び式（１６）により、構造の断面損失率βを下記式のように得て、
ステップＳ６５は、構造の断面損失率β、及び、欠陥から信号の励起即ち受信位置までの距離ＬＸに基づいて、管路の欠陥の位置及び大きさを確定する、
ことを特徴とする弱い超音波ガイド波信号のデュアルカオス解析システム検出方法。 A method of detecting a weak ultrasonic guided wave signal by a dual chaos analysis system, comprising the steps of:
Step S1 is a step of determining a target signal, where the target signal is a single-frequency signal s(t) modulated by a Hanning window, the circular frequency is ω,
A step S2 establishes a first chaos analysis system and establishes a first chaos analysis system threshold value Fc1,
A step S21 constructs a first chaos analysis system using the Duffing equation as shown in the following equation,
where ω represents the circular frequency of the first external driving force, c represents the first damping constant and is a constant, x represents the displacement variable of the chaos analysis system, and F is the external driving force represents the amplitude, t represents the evolution time of the chaos analysis system,
A step S22 converts the amplitude F of the external driving force under the first parameter condition, obtains the chaos analysis threshold Fc1 of the first chaos analysis system transitioning from the periodic state to the chaos analysis state, and performs the first chaos analysis . A system determined by parameters such as the system threshold Fc1, the first damping constant c, and the circular frequency ω of the first external driving force is set as the first chaos analysis system,
Step S3 is the step of establishing a first chaos analysis detection system using the parameters of the first chaos analysis system to identify the amplitude of the target signal, where the target signal is the external driving force term on the right side of equation (2). establish a first chaos analysis detection system by superimposing on the Duffing chaos analysis system, and use the phase change characteristics of the target signal to the Duffing chaos analysis system to realize the amplitude identification of the target signal;
A step S4 determines the influence of the phase difference when the signals are superimposed on the amplitude of the identification signal of the first chaos analysis detection system,
In step S41, it is assumed that there is a phase difference φ between the target signal in step S1 and the external driving force on the right side of equation (2) in step S2.
The first chaos detection system in step S3 is as follows,
where ω1 represents the circular frequency of the target signal and ω1=2πf, f represents the frequency of the target signal, n represents the number of troughs in the target signal, k is an integer, and A represents the amplitude of the target signal, Δt represents the length of the target signal, and Δt=2πn/ω,
In step S42, considering the influence of the phase, the threshold reduction amount ΔF of the first chaos analysis system is expressed by the following formula,
When φ = 0, the threshold reduction amount ΔFc1 of the first chaos analysis system takes the maximum value and becomes the amplitude A of the target signal,
Step S5 is to build a second chaos analysis system to establish a second chaos analysis detection system under a second parameter condition, and to jointly detect and locate a target signal with the first chaos analysis detection system;
applied to quantitative detection of defects in long-distance pipelines, further comprising the steps of:
Step S6 is a step of quantitatively detecting defects in the pipeline, and the position and size of the defect in the pipeline are determined based on the propagation speed of the guided ultrasonic wave and the law of reflection of the vertically incident guided ultrasonic wave in the structure. Confirm,
In step S61, when it is known that the propagation speed of the ultrasonic guided wave is c, the step S5 obtains the true peak occurrence time td of the target signal, that is, the defect echo occurrence time, and excites the signal from the defect, i.e., Calculate the distance Lx to the receiving position as shown in the following formula,
Step S62 obtains the reflection coefficient R according to the following formula according to the reflection law of the vertically incident guided ultrasonic waves in the structure,
where β represents the area loss ratio of the structure,
In step S63, the reflection coefficient R becomes the ratio of the amplitude A d =A of the defect echo and the amplitude A 0 of the incident wave as shown in the following formula,
However, K represents an attenuation correction coefficient, 0<K<1,
A step S64 obtains the cross-sectional loss ratio β of the structure as shown in the following formula from the formulas (15) and (16),
A step S65 determines the location and size of the conduit defect based on the cross-sectional loss factor β of the structure and the distance LX from the defect to the signal excitation or reception location;
A dual chaos analysis system detection method for weak ultrasonic guided wave signals, characterized by:
ステップＳ５１は、前記第一カオス解析システムの外部駆動力に初期位相φ１（φ１＞０）を追加して、位相補償を行うと、式（７）が、下記式のようになり、
ステップＳ５２は、初期位相φ１の各々の値に対して、目標信号を重畳し、もしシステムがカオス解析状態に入った場合、駆動力の振幅を減少させて、システムを再び周期状態に戻し、駆動力の振幅の減少量を第一カオス解析システムの閾値減少量ΔＦと記し、もしシステムが周期状態のままの場合、ΔＦ＝０と記して、ΔＦ－φ１曲線を描き、|φ－φ１|＝２ｋπ の際、第一カオス解析システムの閾値減少量ΔＦが極大値を取り、（ΔＦ）ｍａｘ＝Ａとなり、このときの初期位相φ１を（φ１）ｍａｘ と記し、
ステップＳ５３は、第二カオス解析システムを構築するステップであり、第二パラメータ条件の下で、外部駆動力の振幅Ｆを変換して、当該システムが周期状態からカオス解析状態に遷移する第二カオス解析システム閾値Ｆｃ２を得て、第二カオス解析システム閾値Ｆｃ２、第二減衰ｃ２、ｃ２は、第二減衰定数を表し、且つ定数であり、第二外部駆動力の円周波数ω２といったパラメータによって確定されたシステムを第二カオス解析システムとして設定し、
ステップＳ５４は、第二カオス解析検出システムの数学モデルを下記式のように確立し、
ただし、φ２は、第二カオス解析検出システムの第二外部駆動力の補償初期位相を表し、
ステップＳ５５は、第二カオス解析検出システムの第二外部駆動力の初期位相φ２を変換して、目標信号を重畳し、もしシステムがカオス解析状態に入った場合、駆動力の振幅を減少させて、システムを再び周期状態に戻し、駆動力の振幅の減少量を第二カオス解析システムの閾値減少量ΔＦと記し、もしシステムが周期状態のままの場合、ΔＦ＝０と記して、ΔＦ－φ２曲線を描き、第二カオス解析システムの閾値減少量ΔＦが極大値を取る時のφ２を（φ２）ｍａｘと記し、
ステップＳ５６は、目標信号のピークの発生時刻ｔｘが、下記式のようになり、
ただし、Ｔは、検出対象信号の長さを表し、
検出対象信号の開始時間ｔ０を重畳して、目標信号の真のピークの発生時刻ｔｄを下記式のように得て、
目標信号の検出及び測位が完了する、ことを特徴とする請求項１に記載の弱い超音波ガイド波信号のデュアルカオス解析システム検出方法。 The step S5 specifically includes the following steps,
In step S51, the initial phase φ 1 (φ 1 >0) is added to the external driving force of the first chaos analysis system, and phase compensation is performed.
Step S52 superimposes the target signal for each value of the initial phase φ1 , and if the system enters the chaos analysis state, reduces the amplitude of the driving force to return the system to the periodic state again; Denote the decrease in the amplitude of the driving force as the threshold decrease ΔF of the first chaos analysis system. When 1 |=2kπ, the threshold reduction amount ΔF of the first chaos analysis system takes a maximum value, and ( ΔF ) max =A.
Step S53 is a step of constructing a second chaos analysis system, and under second parameter conditions, transforms the amplitude F of the external driving force, and the system transitions from the periodic state to the chaos analysis state. Obtaining an analysis system threshold F c2 , a second chaos analysis system threshold F c2 , a second damping c2, c2 represents a second damping constant and is a constant, a parameter such as the circular frequency ω 2 of the second external driving force Set the system determined by as the second chaos analysis system,
Step S54 establishes a mathematical model of the second chaos analysis detection system as:
where φ2 represents the compensation initial phase of the second external driving force of the second chaos analysis detection system,
Step S55 transforms the initial phase φ2 of the second external driving force of the second chaos analysis detection system, superimposes the target signal, and reduces the amplitude of the driving force if the system enters the chaos analysis state; Then, the system is returned to the periodic state again, and the amount of reduction in the amplitude of the driving force is denoted as the threshold reduction amount ΔF of the second chaos analysis system. Draw a φ 2 curve, write φ 2 when the threshold reduction amount ΔF of the second chaos analysis system takes a maximum value as (φ 2 ) max ,
In step S56, the peak occurrence time tx of the target signal is expressed by the following formula,
However, T represents the length of the signal to be detected,
By superimposing the start time t0 of the target signal to be detected, the true peak occurrence time td of the target signal is obtained by the following formula,
The dual chaos analysis system detection method of weak ultrasonic guided wave signal as claimed in claim 1, characterized in that the detection and positioning of the target signal is completed.
ステップＳ３１は、目標信号をＤｕｆｆｉｎｇ方程式の右側の外部駆動力に重畳すると、第一カオス解析検出システムが、下記式のようになり、
ステップＳ３２は、目標信号が重畳された部分を着目すると、下記式のようになり、
ステップＳ３３は、式（４）においてｎが２０以下の場合、下記式のようになり、
ステップＳ３４は、Ｄｕｆｆｉｎｇ方程式が周期状態からカオス解析状態に遷移する臨界状態にある時に、ガイド波信号を重畳して、システムがカオス解析状態となり、式（５）におけるＦｃ１の値を減少させることで、再び周期状態に入らせると、第一カオス解析システムの閾値減少量ΔＦが、下記式のようになり、
式（６）を利用して、目標信号の振幅の識別が実現される、ことを特徴とする請求項１に記載の弱い超音波ガイド波信号のデュアルカオス解析システム検出方法。 The step S3 specifically includes the following steps,
In step S31, when the target signal is superimposed on the external driving force on the right side of the Duffing equation, the first chaos analysis detection system becomes as follows,
In step S32, focusing on the part where the target signal is superimposed, the following formula is obtained,
In step S33, when n is 20 or less in formula (4), the following formula is obtained.
Step S34 is to superimpose the guided wave signal when the Duffing equation is in the critical state of transition from the periodic state to the chaotic analysis state, so that the system enters the chaotic analysis state and decreases the value of Fc1 in equation (5). Then, when the periodic state is entered again, the threshold reduction amount ΔF of the first chaos analysis system becomes as shown in the following formula,
The dual chaos analysis system detection method of weak ultrasonic guided wave signals according to claim 1, characterized in that equation (6) is used to identify the amplitude of the target signal.
といった関数関係を満たす、ことを特徴とする請求項１に記載の弱い超音波ガイド波信号のデュアルカオス解析システム検出方法。 In step S1, the target signal s(t) is
The dual chaos analysis system detection method for weak ultrasonic guided wave signals according to claim 1, wherein the functional relationship is satisfied.
といった関係を満たすこととされる、ことを特徴とする請求項１に記載の弱い超音波ガイド波信号のデュアルカオス解析システム検出方法。 In step S2, the first parameter condition is the first attenuation c=c1 of the first chaos analysis system, and the circular frequency ω of the first external driving force and the circular frequency ω1 of the target signal of the first chaos analysis system , that is, ω= ω1 , and in step S53, the second parameter condition is that the second damping of the second chaos analysis system and the first damping of the first chaos analysis system are the same. Yes, i.e. c2=c=c1, and the circular frequency ω2 of the second external driving force of the second chaos analysis system is
The dual chaos analysis system detection method for weak ultrasonic guided wave signals according to claim 1, characterized in that the following relationship is satisfied:
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