一種用于中小型長方狀箱體聲發(fā)射源定位的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種用于中小型長方狀箱體聲發(fā)射源定位的方法，具體作法為：在箱體六個面正中間位置布置聲發(fā)射傳感器，獲取聲發(fā)射數(shù)據(jù)；先假設(shè)損傷聲發(fā)射源在某一平面上，將與該面直接相連的四個面展開到該面所在平面并建立直角坐標(biāo)系；對該面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)網(wǎng)格法找出該面上損傷聲發(fā)射源位置，記下誤差；以上述方法求出其它五個面上損傷聲發(fā)射源位置及其誤差；比較六個面的誤差，找出其中的最小值，最小值對應(yīng)的損傷定位點即為真實損傷位置。通過以上步驟，實現(xiàn)了采用六個傳感器進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動態(tài)損傷監(jiān)測與定位，解決了目前長方狀封閉箱體損傷和泄漏定位缺乏有效聲發(fā)射定位算法的問題。
【專利說明】
一種用于中小型長方狀箱體聲發(fā)射源定位的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明提出一種用于封閉長方狀箱體結(jié)構(gòu)損傷聲發(fā)射源定位的方法，該方法通過 逐面計算確定最短傳播路徑，搜索損傷聲發(fā)射源的位置，進(jìn)而實現(xiàn)損傷定位，屬于聲發(fā)射無 損檢測技術(shù)領(lǐng)域。 技術(shù)背景
[0002] 很多工業(yè)設(shè)備為承載板或類板狀(如殼體)結(jié)構(gòu)，如飛機(jī)的機(jī)身、機(jī)翼和艙門、旋轉(zhuǎn) 翼飛機(jī)的機(jī)身和螺旋槳葉、艦船和潛艇的殼體、液體火箭燃料儲罐等。此類結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷將 對裝備整體性能產(chǎn)生不良影響，甚至導(dǎo)致災(zāi)難性的裝備損毀和人員傷亡事故。目前，雖然已 有很多針對結(jié)構(gòu)損傷檢測的無損檢測方法，包括超聲波法、X射線法、計算機(jī)層析照相法、熱 成像法等，但這些方法都有一個共同的問題，即無法實現(xiàn)真正的在線動態(tài)無損檢測，因此并 不適用于處于正常工作狀態(tài)下的設(shè)備的結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)控和定位。而聲發(fā)射作為一種動態(tài)無損 檢測技術(shù)，克服了傳統(tǒng)無損檢測技術(shù)的很多缺點，能基于聲發(fā)射源發(fā)出的信號，在線評估結(jié) 構(gòu)內(nèi)部損傷的存在、位置和擴(kuò)展趨勢，且對缺陷的變化極為敏感，可以檢測到微米數(shù)量級的 疲勞裂紋變化，在結(jié)構(gòu)損傷檢測領(lǐng)域有重要應(yīng)用前景。近年來，基于聲發(fā)射方法的結(jié)構(gòu)損傷 定位逐漸受到重視并得到廣泛研究，現(xiàn)在己成為結(jié)構(gòu)損傷檢測不可或缺的方法。
[0003] 所謂聲發(fā)射(Acoustic Emission，簡稱AE)，是指材料局部因能量的快速釋放而發(fā) 出瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象。聲發(fā)射信號來自于損傷本身，因此它攜帶有結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷發(fā)展的信 息，利用一定的手段(如元件)將聲發(fā)射源產(chǎn)生的彈性波轉(zhuǎn)換為電信號，通過對這些電信號 進(jìn)行分析便可以獲得與聲發(fā)射源有關(guān)的信息，包括損傷位置、類型和嚴(yán)重程度等，實現(xiàn)結(jié)構(gòu) 的損傷檢測。當(dāng)結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)微觀損傷但尚未形成宏觀破壞時，聲發(fā)射現(xiàn)象通常就已經(jīng)比較 明顯了，因此，這種方法具有很高的檢測靈敏度。與其他無損檢測方法相比，聲發(fā)射檢測技 術(shù)在動態(tài)損傷監(jiān)測與定位等方面具有潛在的優(yōu)勢：
[0004] (1)信號來源于檢測對象本身，適合作為一種動態(tài)評估方法對檢測對象進(jìn)行損傷 評估和實時診斷；
[0005] (2)聲發(fā)射檢測方法對檢測對象的適用性較好，對與被檢對象的距離要求不高，同 時對檢測對象的幾何形狀不敏感；
[0006] (3)檢測的覆蓋面廣，在一次試驗過程中，只需要布置足夠數(shù)量的傳感器，就能夠 探測和評價整個結(jié)構(gòu)中活性缺陷的狀態(tài)。
[0007] 時差定位法是目前聲發(fā)射定位最常用的方法。該方法是基于聲發(fā)射波到達(dá)不同傳 感器有時間差的原理來確定聲發(fā)射源的位置。只有獲得結(jié)構(gòu)中彈性波傳播的精確波速和波 達(dá)時刻，才能利用此方法得到較好的定位結(jié)果?，F(xiàn)階段，時差定位法在傳播特性比較簡單的 結(jié)構(gòu)損傷定位中應(yīng)用廣泛，例如球罐、圓柱罐體的泄露定位，但針對長方狀箱體損傷定位算 法的研究較少，并且現(xiàn)有方法在信號處理時往往忽略了上下端面，將其他四個面展成平面 進(jìn)行定位，實際上忽視了上下兩個端面聲發(fā)射的傳播途徑，僅適用于一些特殊的箱體，如本 來就沒有上下兩個端面的箱體，或箱體較長且端面離損傷/泄露源較遠(yuǎn)的箱體等，而并不適 用于中小型箱體的聲發(fā)射源定位。此處的"中小型"為一種特征，指聲發(fā)射源的聲發(fā)射信息 能夠傳遞到各個面，并且能被所有聲發(fā)射傳感器拾取到。針對中小型箱體，聲發(fā)射波到達(dá)傳 感器的傳播路徑有多個通道，只有找到合適的算法，確定最短路徑和到達(dá)時間，才能對其結(jié) 構(gòu)損傷進(jìn)行有效定位。不過，目前尚未有在工程實際中有應(yīng)用的算法。鑒于此，本發(fā)明提出 了一種僅需要六個傳感器即可實現(xiàn)中小型長方狀箱體損傷定位的聲發(fā)射方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 1、本發(fā)明的目的
[0009] 對于中小型長方狀箱體，聲發(fā)射波從一個面到另一個面的傳播有多個通道，當(dāng)聲 源處于不同位置時，這些通道的長短將隨之變化。所以，當(dāng)聲源位置未知時，由于無法確定 最短的傳播通道，因此難以利用時差定位法進(jìn)行有效定位。鑒于此，本發(fā)明提出了一種僅需 要六個傳感器的中小型長方狀箱體損傷的聲發(fā)射定位方法，通過逐面計算確定最短傳播路 徑，搜索聲發(fā)射源的位置，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的動態(tài)損傷監(jiān)測與定位。本發(fā)明的提出，解決了目前長 方狀封閉箱體損傷定位缺乏有效聲發(fā)射定位算法的問題。
[0010] 2、技術(shù)方案
[0011] 本發(fā)明提出的采用六個傳感器用于中小型長方狀箱體聲發(fā)射源定位的方法，包括 下列主要步驟：
[0012] 步驟一:將箱體的六個面進(jìn)行編號，分別為A、B、C、D、E、F;
[0013] 步驟二:在待監(jiān)測的箱體的六個面A、B、C、D、E、F的正中間的位置分別布置六個聲 發(fā)射傳感器，對應(yīng)的傳感器編號分別為①、②、③、④、⑤、⑥，并且這六個聲發(fā)射傳感器的頻 響特性要盡量接近；
[0014] 步驟三:將聲發(fā)射傳感器與聲發(fā)射檢測儀相連；
[0015] 步驟四：接通電源，打開聲發(fā)射信號采集儀，然后在待測箱體各個表面上進(jìn)行斷鉛 實驗，觀察各通道波形是否正常顯示;若正常，則進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；
[0016] 步驟五:先假設(shè)損傷聲發(fā)射源在A面，將與A面直接相連的四個面C、D、E、F面展開到 A面所在平面，建立平面坐標(biāo)系，計算①、③、④、⑤、⑥聲發(fā)射傳感器之間的位置；
[0017] 步驟六:將展開的A面按照精度要求進(jìn)行網(wǎng)格劃分；
[0018] 步驟七:根據(jù)網(wǎng)格法找出A面上可能的損傷聲發(fā)射源位置，并記下此方法計算的誤 差；
[0019] 步驟八：重復(fù)步驟五~七，將箱體分別沿其它五個面展開，分別求出B、C、D、E、F五 個面可能的損傷聲發(fā)射源位置及其誤差；
[0020] 步驟九：比較六個面可能的損傷聲發(fā)射源位置的誤差，找出其中的最小值。最小值 對應(yīng)的面即為箱體的損傷面，其對應(yīng)的損傷位置即為聲發(fā)射的真實損傷位置。
[0021] 其中，在步驟二中所述的"聲發(fā)射傳感器"是指接收聲發(fā)射信號的各類聲發(fā)射傳感 器，例如常用的壓電諧振傳感器或激光測振儀；
[0022] 其中，在步驟三中所述的"聲發(fā)射檢測儀"由前置放大器、聲發(fā)射信號采集儀、計算 機(jī)組成；
[0023] 其中，在步驟四中所述的"斷鉛實驗"，是采用直徑為0.5mm的2H石墨鉛筆芯，與待 監(jiān)測的箱體表面呈30°左右夾角，傾斜折斷；
[0024] 其中，在步驟七中所述的"網(wǎng)格法"，是進(jìn)行損傷聲發(fā)射源定位的方法，該方法的作 法如下：
[0025] (1)將定位的損傷聲發(fā)射源面按照所需的定位精度進(jìn)行網(wǎng)格劃分；
[0026] (2)設(shè)置一個目標(biāo)函數(shù)為
[0028]式中，F(xiàn)為定位誤差，Atll為測得的第i個聲發(fā)射傳感器和①號聲發(fā)射傳感器之間 的時間差;Xl，yi為第i個聲發(fā)射傳感器的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，x，y為網(wǎng)格交點的橫坐標(biāo)和縱坐 標(biāo)，v為聲發(fā)射波在板中的傳播速度；
[0029] (3)求出網(wǎng)格的各個交點的目標(biāo)函數(shù)；
[0030] (4)比較各個交點的目標(biāo)函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)值最小點所在位置即為該面上可能的損 傷位置。
[0031] 其中，在步驟七中所述的"記下此方法計算的誤差"，該誤差是指步驟六中的目標(biāo) 函數(shù)的大小。通過以上步驟，逐面計算確定最短傳播路徑，搜索聲發(fā)射源的位置，實現(xiàn)了采 用六個傳感器進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動態(tài)損傷監(jiān)測與定位，解決了目前長方狀封閉箱體損傷和泄露定 位缺乏有效聲發(fā)射定位算法的問題。
[0032] 本發(fā)明的基本原理是:對于中小型長方狀箱體，聲發(fā)射波從一個端面到其它端面 的傳播有多個通道，當(dāng)聲源處于不同位置時，這些通道的長短將隨之變化。所以，在聲源位 置未知的情況下，無法確定聲發(fā)射信號最短的傳播通道，從而難以利用時差定位法進(jìn)行有 效定位。本發(fā)明先假設(shè)聲發(fā)射源在某一端面上，以假定面為中心面，將與其相鄰的4個面展 開到假定面的平面，則該面出現(xiàn)的損傷聲發(fā)射信號在展開平面上傳播路徑是確定的，解決 了傳播路徑的問題，進(jìn)而可以對該面的損傷進(jìn)行時差定位。然后利用網(wǎng)格法的時差定位方 法對每個面的損傷可能性進(jìn)行分析，每個面都可以得到一個對應(yīng)相對最小誤差的可能損傷 位置。由于真實聲發(fā)射源所在面的相對最小誤差值最小，通過比較各面，找出最小值對應(yīng)的 聲發(fā)射源位置即為箱體的真實損傷位置。
[0033] 3、本發(fā)明的優(yōu)點
[0034] (1)本發(fā)明能實現(xiàn)中小型長方狀無開口箱體損傷的準(zhǔn)確定位；
[0035] (2)本發(fā)明實現(xiàn)方法簡單，僅需在箱子的六個面布置六個聲發(fā)射傳感器；
[0036] (2)本發(fā)明方法無需過多的復(fù)雜信號處理，通過網(wǎng)格法實現(xiàn)損傷定位，可有效提高 聲發(fā)射源定位的效率和準(zhǔn)確度。
【附圖說明】
[0037] 下面將結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的一個示例性實施范例，以更好地理解本發(fā)明的 目的、特性、優(yōu)點、技術(shù)和工程價值?！靖綀D說明】如下：
[0038] 圖1為箱體尺寸和傳感器布置的示意圖，黑點即為傳感器的布置位置。
[0039]圖2為本發(fā)明所述方法的流程圖。
[0040]圖3為聲發(fā)射損傷定位方法示意圖。其中，1-模擬聲發(fā)射源位置，2-箱體，3-前置放 大器，4-聲發(fā)射采集儀，5-計算機(jī)。黑點①-⑥分別表示在43、(：、04、？六個面上布置的傳感 器。
[0041] 圖4為箱體沿面A展開后的聲發(fā)射波傳播路徑示意圖。由圖可見，當(dāng)面A劃分網(wǎng)格 后，假設(shè)聲發(fā)射源為任意一個網(wǎng)格交點，其信號傳播到五個傳感器將會產(chǎn)生五條傳播路徑。
[0042] 圖5(a)、（b)、（c)、（d)、（e)分別為A、C、D、E、F五個表面上傳感器接收到的信號。
【具體實施方式】
[0043] 下面將根據(jù)示例性實施例詳細(xì)地描述本發(fā)明。
[0044] 本發(fā)明提出的基于聲發(fā)射時差定位的箱體損傷定位方法，待監(jiān)測結(jié)構(gòu)為各向同性 材料制成的箱體，尺寸為3 0 0mm X 40 0mm X 5 0 0mm，壁厚為5mm，如圖1所示。在箱體的A表面上 坐標(biāo)為(200mm，280mm，500mm)的位置上進(jìn)行斷鉛試驗，模擬聲發(fā)射的發(fā)生。采用該方法進(jìn)行 箱體的損傷定位的流程如圖2所示，具體實施步驟如下：
[0045]步驟一:將箱體的六個面進(jìn)行編號，分別為A、B、C、D、E、F。
[0046] 步驟二:在待監(jiān)測的箱體的六個面A、B、C、D、E、F的正中間的位置分別布置六個聲 發(fā)射傳感器，對應(yīng)的傳感器編號分別為①、②、③、④、⑤、⑥，并且這六個聲發(fā)射傳感器的頻 響特性要盡可能接近；
[0047] 步驟三:將聲發(fā)射傳感器通過前置放大器3與聲發(fā)射信號采集儀4相連；同時將采 集儀4與計算機(jī)5相連，如圖3所示；
[0048] 步驟四：接通電源，打開聲發(fā)射信號采集儀，然后在待測箱子各表面進(jìn)行斷鉛試 驗，觀察各通道波形是否正常顯示;若正常，則可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；
[0049] 步驟五:將箱子沿A面展開，選擇六、(：、04、？五個面中心布置的?、@、@、?、?，計 算①、③、④、⑤、⑥聲發(fā)射傳感器之間的位置；
[0050] 步驟六:將A面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小為1mmX 1mm建立箱體沿面A展開后的聲發(fā) 射波傳播路徑，如圖4所示；
[0051] 步驟七:各傳感器接收到的信號如圖5所示。根據(jù)網(wǎng)格法找到A面上可能的損傷點， 該點到傳感器③、④、⑤、⑥和傳感器①的理論時差應(yīng)與所測傳感器間時差之間的誤差最 小，記錄其對應(yīng)的位置為(194mm，275mm) ;
[0052] 步驟八：重復(fù)步驟五~七，將箱子沿其它五個面展開，分別求出B、C、D、E、F五個面 可能的損傷位置及其誤差，如表1所示；
[0053] 表 1
[0055] 步驟九：比較六個面可能的損傷位置的誤差，發(fā)現(xiàn)誤差的最小值所對應(yīng)的表面為A 表面，其定位即損傷位置的坐標(biāo)為（194mm，275mm)，由于A面的第三維坐標(biāo)(Z坐標(biāo))為500mm， 因此，得出定位出的損傷源位置為(194mm，275mm，500mm)。
[0056] 定位出的聲發(fā)射源位置（194mm，275mm，500mm)與實際的聲發(fā)射源位置（200mm， 280mm，500mm)有誤差，但誤差較小，約為7.8mm。經(jīng)分析，五個傳感器測試到的波形頻散和衰 減顯著，如圖5(8)、（13)、（(3)、（(1)、（幻所示，可見該誤差與信號的頻散特性相關(guān)。盡管如此， 本專利所提出的方法的定位精度相對比較高，定位誤差在可接受的范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種用于中小型長方狀箱體聲發(fā)射源定位的方法，其特征在于:主要包括下列步驟： 步驟一:將箱體的六個面進(jìn)行編號，分別為A、B、C、D、E、F; 步驟二:在待監(jiān)測的箱體的六個面A、B、C、D、E、F的正中間的位置分別布置六個聲發(fā)射 傳感器，對應(yīng)的傳感器編號分別為①、②、③、④、⑤、⑥，并且這六個聲發(fā)射傳感器的頻響特 性要盡量接近； 步驟三:將聲發(fā)射傳感器與聲發(fā)射檢測儀相連； 步驟四：接通電源，打開聲發(fā)射信號采集儀，然后在待測箱體各個表面上進(jìn)行斷鉛實 驗，觀察各通道波形是否正常顯示;若正常，則進(jìn)行數(shù)據(jù)采集； 步驟五:先假設(shè)損傷聲發(fā)射源在A面，將與A面直接相連的四個面C、D、E、F面展開到A面 的平面，建立平面坐標(biāo)系，計算①、③、④、⑤、⑥聲發(fā)射傳感器之間的位置； 步驟六:將展開的A面按照精度要求進(jìn)行網(wǎng)格劃分； 步驟七:根據(jù)網(wǎng)格法找出A面上的損傷聲發(fā)射源位置，并記下此方法計算的誤差； 步驟八：重復(fù)步驟五~七，將箱體分別沿其它五個面展開，分別求出B、C、D、E、F五個面 的損傷聲發(fā)射源位置及其誤差； 步驟九：比較六個面的損傷聲發(fā)射源位置的誤差，找出其中的最小值;最小值對應(yīng)的面 即為箱體的損傷面，其對應(yīng)的損傷位置即為聲發(fā)射的真實損傷位置； 通過以上步驟，逐面計算確定最短傳播路徑，搜索聲發(fā)射源的位置，實現(xiàn)了采用六個傳 感器進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動態(tài)損傷監(jiān)測與定位，解決了目前長方狀封閉箱體損傷和泄露定位缺乏有 效聲發(fā)射定位算法的問題。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于中小型長方狀箱體聲發(fā)射源定位的方法，其特征在 于： 在步驟二中所述的"聲發(fā)射傳感器"是指接收聲發(fā)射信號的各類聲發(fā)射傳感器。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于中小型長方狀箱體聲發(fā)射源定位的方法，其特征在 于： 在步驟三中所述的"聲發(fā)射檢測儀"是由前置放大器、聲發(fā)射信號采集儀和計算機(jī)組 成。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于中小型長方狀箱體聲發(fā)射源定位的方法，其特征在 于： 在步驟四中所述的"斷鉛實驗"，是采用直徑為0.5mm的2H石墨鉛筆芯，與待監(jiān)測的箱體 表面呈30°左右夾角，傾斜折斷。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于中小型長方狀箱體聲發(fā)射源定位的方法，其特征在 于： 在步驟七中所述的"網(wǎng)格法"，是進(jìn)行損傷聲發(fā)射源定位的方法，該方法的作法如下： (1) 將定位的損傷聲發(fā)射源面按照所需的定位精度進(jìn)行網(wǎng)格劃分； (2) 設(shè)置一個目標(biāo)函數(shù)為 i-2. \" / 式中，F(xiàn)為定位誤差，Atu為測得的第i個聲發(fā)射傳感器和①號聲發(fā)射傳感器之間的時 間差;xi，yi為第i個聲發(fā)射傳感器的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，X，y為網(wǎng)格交點的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，v 為聲發(fā)射波在板中的傳播速度； (3) 求出網(wǎng)格的各個交點的目標(biāo)函數(shù)； (4) 比較各個交點的目標(biāo)函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)值最小點所在位置即為該面上可能的損傷位 置。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于中小型長方狀箱體聲發(fā)射源定位的方法，其特征在 于： 步驟七中所述的"記下此方法計算的誤差"，該誤差是指步驟六中的目標(biāo)函數(shù)的大小。
【文檔編號】G01N29/44GK105866252SQ201610397835
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月7日
【發(fā)明人】何田, 謝穎, 潘強(qiáng), 劉文洋, 劉獻(xiàn)棟
【申請人】北京航空航天大學(xué)