一种利用声发射信号能量对声发射源进行定位的方法

摘要

本发明涉及一种利用声发射信号能量对声发射源进行定位的方法，属于力学传感器定位技术领域。其具体操作步骤为：①在被检测物上布置多个声发射传感器；②声发射传感器实时采集声发射信号能量；③利用声发射信号能量确定声发射源的位置坐标。本发明方法利用到弹性波衰减与传播距离的关系，直接对声发射源位置进行定位，整个计算过程中不需要测量波速，因而避免了弹性波波速测量的偏差对声发射源定位造成的影响。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用声发射信号能量对声发射源进行定位的方法，属于力学传感器定位技术领域。

背景技术

工程材料在应用过程或由于载荷的复杂性，材料内部会出现微损伤，如裂纹或空洞。在外载下，这些微缺陷会进一步扩展而导致材料或结构发生失效破坏。如何检测或识别这些微缺陷并对结构的损伤程度及损伤发展趋势进行评估是工程领域重要的问题。

声发射检测技术与超声或其它无损检测方法的本质区别是，声发射传感器接收的信号是被检测对象自身发出的，材料内部的缺陷主动参与检测过程，具有其它方法不可替代的优越性。

通过声发射信号对微缺陷源进行定位，研究人员们提出了许多定位方法，如时差定位法、基于小波分析的定位方法等。其中，应用广泛的时差定位算法在计算过程中需要事先测量弹性波在被测物中的传播速度，而由于弹性波的传播会受到介质细观结构的不均匀性、被测物体的尺寸、几何边缘等因素的影响，从而进一步影响定位精度。

本发明方法利用弹性波衰减与传播距离的关系，直接对声发射源位置进行定位，整个计算过程中不需要测量波速，因而避免了弹性波波速测量的偏差对声发射源定位造成的影响。

发明内容

本发明的目的是提出一种利用声发射信号能量对声发射源进行定位的方法，用于确定被检测物上微缺陷源的位置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明提出的一种利用声发射信号能量对声发射源进行定位的方法，其特征在于：其具体操作步骤为：

步骤一、在被检测物上布置n个声发射传感器。

当n个声发射传感器被布置在二维平面上时，n≥4；当n个声发射传感器被布置在三维空间中，n≥5。

步骤二、声发射传感器实时采集声发射信号能量。

在步骤一操作的基础上，n个声发射传感器实时采集声发射信号能量。

步骤三、确定声发射源的位置坐标，用符号(x,y,z)表示。

在步骤二操作的基础上，使用每个声发射传感器采集到的声发射信号能量，建立由n个关系式组成的声发射传感器和声发射源位置的方程组，如公式(1)所示。

$>\left(\begin{array}{c}{(k-\ln E_1)}^2={4\alpha }^2[{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2+{(z-z_1)}^2]\\ {(k-\ln E_2)}^2={4\alpha }^2[{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2+{(z-z_2)}^2]\\ ·\\ ·\\ ·\\ {(k-\ln E_n)}^2={4\alpha }^2[{(x-x_n)}^2+{(y-y_n)}^2+{(z-z_n)}^2]\end{array},---\left(1\right)\right)$>

其中，k为与测量电路及检测到的声发射信号相关的参数；α为衰减系数；E_i为第i个声发射传感器采集到的信号能量，i∈[1,n]；(x,y,z)为声发射源的位置坐标；(x_i,y_i,z_i)为第i个声发射传感器的位置坐标。

通过求解如公式(1)所示的方程组，即可得到未知量声发射源的位置坐标(x,y,z)，从而确定被检测物上微缺陷源的位置。

利用声发射传感器采集到的声发射信号能量，建立如公式(1)所示的由n个关系式组成的声发射传感器和声发射源位置的方程组的推导过程为：

第1步：被检测物的材料内发生微缺陷时产生弹性波，声发射传感器检测到的正弦阻尼波电压峰值(用符号V′表示)与微缺陷扩展量的关系如公式(2)所示。

其中，Y是与微缺陷形状相关的参数；c是微缺陷大小；Δl是微缺陷扩展量；E为材料的弹性模量；v为材料的泊松比；P为应力；随着弹性波的传播距离变大，将p的衰减形式表示为指数形式，如公式(3)所示。

$>P=P_0·e^{{-\mathrm{\alpha x}}_0}---\left(3\right)$>

其中，P₀为声源声压；x₀为弹性波的传播距离。

第2步：对于突发型声发射信号，将声发射传感器输出的信号视为正弦衰减信号，如公式(4)所示。

V(t)＝V′·e^-βtsinω₀t                             (4)

其中，V(t)是声发射传感器检测到的正弦阻尼波电压；β是检测得到的声发射信号衰减系数，对于确定的传感器，其为常数，并且β＞0；t是时间；ω₀是正弦衰减信号的圆频率。

第3步：被检测物的材料或结构受到载荷作用产生许多声发射信号，声发射信号的总能量(用符号E′表示)用单次声发射信号的电压表示，如公式(5)所示。

$>E^{\prime }=\frac{1}{R}\underset{0}{\overset{T}{\int }}{V}^2\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(5\right)$>

其中，R是电压测量线路的输入阻抗；T是正弦阻尼波的周期。

第4步：将公式(4)代入公式(5)，化简后可得声发射信号的总能量E′与正弦阻尼波电压峰值V′的二次方成正比，如公式(6)所示。

$>E^{\prime }\approx \frac{V^{\prime 2}}{A}---\left(6\right)$>

其中，A为与正弦阻尼波形状有关的参数。

第5步：由于正弦阻尼波电压峰值V′与声源声压P₀的成正比，比例系数用符号q表示，因此公式(6)可表示为公式(7)。

$>E^{\prime }\approx \frac{q^2{P_0}^2}{\mathrm{AR}}{e}^{{-2\mathrm{\alpha x}}_0}---\left(7\right)$>

其中，x₀为弹性波的传播距离。

第6步：令则声发射信号的总能量E′随弹性波传播距离x₀的衰减可表示为公式(8)。

$>E^{\prime }=e^k·e^{{-2\mathrm{\alpha x}}_0}---\left(8\right)$>

公式(8)可进一步表示为公式(9)。

(k-ln E′)＝2αx₀                              (9)

根据n个声发射传感器采集到的信号能量E₁,E₂...E_n可以得到如公式(1)所示的定位方程组。

有益效果

本发明提出的一种利用声发射信号能量对声发射源进行定位的方法与已有技术相比较，其优点为：本发明方法利用到弹性波衰减与传播距离的关系，直接对声发射源位置进行定位，整个计算过程中不需要测量波速，因而避免了弹性波波速测量的偏差对声发射源定位造成的影响。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中使用利用声发射信号能量对声发射源进行定位的方法检测混凝土长方体上的声发射源进行位置测量的操作流程示意图；

图2为本发明具体实施方式中在混凝土长方体上布置8个声发射传感器的位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步说明。

本实施例中的被检测物为混凝土长方体，人为设置声发射源的位置为(-7.158,39.70,-16.21)。使用本发明提出的利用声发射信号能量对声发射源进行定位的方法检测混凝土长方体上(-7.158,39.70,-16.21)位置的声发射源进行位置测量，其操作流程如图1所示，具体操作步骤为：

步骤一、在混凝土长方体上布置8个声发射传感器，其坐标分别为(a,0,c)、(0,-b,c)、(-a,0,c)、(0,b,c)、(a,0,-c)、(0,-b,-c)、(-a,0,-c)、(0,b,-c)，其中，a＝50mm,b＝50mm,c＝75mm，具体如图2所示。图2中的数字1至数字8分别表示8个声发射传感器的序号。

步骤二、步骤一中所述8个声发射传感器实时采集声发射信号能量，如表1所示。

表1声发射传感器采集得到的能量

传感器编号传感器能量(mv.us)1288122577329934316353059627617323483491

步骤三、使用每个声发射传感器采集到的信号能量，建立由8个关系式组成的声发射传感器和声发射源位置的方程组，如公式(10)所示。

$>\left(\begin{array}{c}{(k-\ln E_1)}^2={4\alpha }^2[{(a-x)}^2+y^2+{(c-z)}^2]\\ {(k-\ln E_2)}^2={4\alpha }^2[x^2+{(b+y)}^2+{(c-z)}^2]\\ {(k-\ln E_3)}^2={4\alpha }^2[{(a+x)}^2+y^2+{(c-z)}^2]\\ {(k-\ln E_4)}^2={4\alpha }^2[x^2+{(b-y)}^2+{(c-z)}^2]\\ {(k-\ln E_5)}^2={4\alpha }^2[{(a-x)}^2+y^2+{(c+z)}^2]\\ {(k-\ln E_6)}^2={4\alpha }^2[x^2+{(b+y)}^2+{(c+z)}^2]\\ {(k-\ln E_7)}^2={4\alpha }^2[{(a+x)}^2+{y^2}_{}+{(c+z)}^2]\\ {(k-\ln E_8)}^2={4\alpha }^2[x^2+{(b-y)}^2+{(c+z)}^2]\end{array}\right)---\left(10\right)$>

由公式(10)可得公式(11)。

$>k=\frac{{\ln }^2{E}_1+{\ln }^2{E}_2-{\ln }^2{E}_3-{\ln }^2{E}_4-{\ln }^2{E}_5-{\ln }^2{E}_6+{\ln }^2{E}_7+{\ln }^2{E}_8}{2(\ln E_1+\ln E_2-\ln E_3-\ln E_4-\ln E_5-\ln E_6+\ln E_7+\ln E_8)}---\left(11\right)$>

对公式(10)中的8个方程分别加减，可得公式(12)。

$>\left(\begin{array}{c}x=\frac{1}{4\alpha }·\frac{1}{8a}[-{\ln }^2{E}_1+{\ln }^2{E}_2+{\ln }^2{E}_3-{\ln }^2{E}_4-{\ln }^2{E}_5-{\ln }^2{E}_6+{\ln }^2{E}_7+{\ln }^2{E}_8\\ -2k(-\ln E_1+\ln E_2+\ln E_3-\ln E_4-\ln E_5-\ln E_6+\ln E_7+\ln E_8)]\\ y=\frac{1}{4\alpha }·\frac{1}{8b}[{\ln }^2{E}_1+{\ln }^2{E}_2-{\ln }^2{E}_3-{\ln }^2{E}_4-{\ln }^2{E}_5+{\ln }^2{E}_6+{\ln }^2{E}_7-{\ln }^2{E}_8\\ -2k(\ln E_1+\ln E_2-\ln E_3-\ln E_4-\ln E_5+\ln E_6+\ln E_7-\ln E_8)]\\ z=\frac{1}{4\alpha }·\frac{1}{16c}[{-\ln }^2{E}_1-{\ln }^2{E}_2-{\ln }^2{E}_3-{\ln }^2{E}_4+{\ln }^2{E}_5+{\ln }^2{E}_6+{\ln }^2{E}_7+{\ln }^2{E}_8\\ -2k(-\ln E_1-\ln E_2-\ln E_3-\ln E_4+\ln E_5+\ln E_6+\ln E_7+\ln E_8)]\end{array}\right)---\left(12\right)$>

将公式(12)改写成公式(13)。

$>\left(\begin{array}{c}x=\frac{m}{32\mathrm{\alpha a}}\\ y=\frac{n}{32\mathrm{\alpha b}}\\ z=\frac{p}{64\mathrm{\alpha c}}\end{array}\right)---\left(13\right)$>

其中，用符号m代替公式(12)中第1个方程右侧的分子部分；用符号n代替公式(12)中第2个方程右侧的分子部分；用符号p代替公式(12)中第3个方程右侧的分子部分。

通过公式(13)进一步可得公式(14)。

$>\left(\begin{array}{c}y=\frac{\mathrm{an}}{\mathrm{bm}}x\\ z=\frac{\mathrm{ap}}{2\mathrm{cm}}x\end{array}\right)---\left(14\right)$>

用公式(10)中的第1个和第7个方程相除，得到公式(15)。

$>{\left(\frac{k-\ln E_1}{k-\ln E_7}\right)}^2=\frac{{(a-x)}^2+y^2+{(c-z)}^2}{{(a+x)}^2+y^2+{(c+z)}^2}---\left(15\right)$>

令并将公式(14)带入公式(15)，得到公式(16)。

$>x_{\left(1\right)}=\frac{-2B_1(S_1+1)\pm \sqrt{{\Delta }_1}}{2A_1(S_1-1)}---\left(16\right)$>

其中，x₍₁₎为用公式(10)中的第1个和第7个方程计算得到的声发射源位置的横坐标值；A₁、B₁、Δ₁可通过公式(17)得到。

$>\left(\begin{array}{c}{A}_1=\frac{b^2{c}^2{m}^2+a^2{c}^2{n}^2+a^2{b}^2{p}^2}{b^2{c}^2{m}^2}\\ B_1=\frac{a(m+p)}{m}\\ {\Delta }_1=4({B_1}^2-A_1{C}_1){(S_1-1)}^2+16{B_1}^2{S}_1\end{array}\right)---\left(17\right)$>

其中，C₁＝a²+c²。

同理，利用公式(10)中的第2个和第8个方程相除，用公式(10)中的第3个和第5个方程相除，用公式(10)中的第4个和第6个方程相除，可分别求得用公式(10)中的第2个和第8个方程计算得到的声发射源位置的横坐标值x₍₂₎、用公式(10)中的第3个和第5个方程计算得到的声发射源位置的横坐标值x₍₃₎、用公式(10)中的第4个和第6个方程计算得到的声发射源位置的横坐标值x₍₄₎，并对x₍₁₎至x₍₄₎求平均值，即可求得声发射源位置的横坐标x＝-7.3672mm。同样方法可求得声发射源位置的横坐标y＝42.1944mm、z＝-17.2974mm。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。