一种基于正方体阵列的声发射源定位方法及系统
阅读说明：本技术 一种基于正方体阵列的声发射源定位方法及系统 (Cube array-based acoustic emission source positioning method and system ) 是由 刘志兵 陈洪涛 王西彬 刘书尧 焦黎 解丽静 梁志强 颜培 周天丰 于 2020-12-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于正方体阵列的声发射源定位方法及系统,涉及声发射定位检测领域。声发射检测技术是一种重要的无损检测方法,通过及时发现损伤及潜在威胁从而保障结构的安全性。本发明包括正方体阵列布置声发射传感器,利用互相关函数确定声发射传感器时间差,根据试验标定确定是否调整声发射传感器的距离,接着采集声发射信号,利用互相关函数计算确定时间差,最后根据时间差和正方体边长确定声发射源位置。本发明不涉及到声发射速度,不受材料各向同性和各向异性的影响。计算时不需要迭代过程,提高了计算的速度和准确性,更加适用于三维结构的声发射源定位。(The invention discloses an acoustic emission source positioning method and system based on a cube array, and relates to the field of acoustic emission positioning detection. The acoustic emission detection technology is an important nondestructive detection method, and the safety of the structure is guaranteed by timely discovering damage and potential threats. The method comprises the steps of arranging acoustic emission sensors in a cube array, determining time difference of the acoustic emission sensors by using a cross-correlation function, determining whether to adjust the distance of the acoustic emission sensors according to test calibration, then acquiring acoustic emission signals, calculating and determining the time difference by using the cross-correlation function, and finally determining the position of an acoustic emission source according to the time difference and the side length of the cube. The invention does not relate to the sound emission speed and is not influenced by the isotropy and the anisotropy of the material. The iterative process is not needed during calculation, the calculation speed and accuracy are improved, and the method is more suitable for positioning the acoustic emission source with a three-dimensional structure.)
技术领域
本发明涉及声发射动态检测领域，具体涉及一种利用声发射时差法定位声发射源的方法及系统。
背景技术
声发射是由材料内部局部源能量快速释放而产生瞬态弹性波的现象。利用声发射传感器监测加工过程是非常有效的，并且由于传感器引起的故障检测对加工过程非常敏感，更加可靠。声发射技术被认为是机械加工中最精确的监测方法之一，具有相对优越的信噪比和灵敏度，比传统传感器更有优势。
目前，声发射定位技术在工程中扮演着越来越重要的角色，工程材料在应用过程中由于载荷的多样性和外部环境的复杂性，材料内部往往会产生诸如裂纹和空洞之类的微损伤。在外部载荷的作用下，这些微损伤会进一步扩展，导致材料或结构发生失效破坏。对产生声发射源的微缺陷位置进行监测在工程领域中有着重要的意义。工程中常常需要利用声发射技术对工程中的表面缺陷和材料损伤点进行实时监测和定位。声发射传感器接收的信号是被检测对象自身发出的，被检测对象的内部缺陷主动参与检测过程，这是声发射检测技术与其他无损检测技术的本质区别，具有其他检测方法不可替代的优越性。
通过声发射信号对材料的微缺陷进行定位，通常有时差定位法、区域定位法、相关关系定位法和模式识别定位法等，其中时差定位法是应用最广泛的一种方法。时差定位法的原理是根据同一声发射源发射的声发射信号到达各个声发射传感器的时间差异以及各个声发射传感器的空间位置，通过声发射源与声发射传感器的几何关系列线性方程组来进行求解。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于正方体阵列的声发射源定位方法及系统。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于正方体阵列的声发射源定位方法，包括以下步骤：
建立三维结构正方体阵列布置的声发射源定位传感器；
接收到的声发射的声信号经声发射传感器转换为声发射的电信号；
所述声发射的电信号进入信号采集与处理系统；
对经过所述信号采集与处理系统的电信号进行互相关函数计算，所述互相关函数相邻波峰之间的时间差即为声发射信号得到所需时间差τ；
根据所述时间差τ确定声发射源的位置。
优选地，所述互相关函数计算过程具体如下：任意一个波A(t)和另一个延迟时间为τ的波B(t+τ)之间的互相关函数如下：
任意一个函数A(t)和时间延迟为τ′的函数B(t)，两个函数A(t)和B(t+τ′)在有限时间间隔内的互相关函数RAB(τ)在τ＝τ′时包含一个最大值，这一互相关方法用于连续型声发射源的定位。
优选地，所述正方体阵列的边长为d，利用所述时间差τ得出所述声发射源的位置P(x，y，z)，则若l＞＞d并且r＞＞d，则继续进行检测；反之，调整声发射传感器的距离，直至满足l＞＞d并且r＞＞d为止。其中远远大于是指两个数量级——100倍以上。
优选地，声发射源定位方法具体如下：
第一声发射传感器S1、第二声发射传感器S2、第三声发射传感器S3、第四声发射传感器S4为一组，所述第二声发射传感器S2、所述第三声发射传感器S3、所述第四声发射传感器S4与所述第一声发射传感器S1的时间差分别为Δt12、Δt13、Δt14；S1P长为l，P在以所述第一声发射传感器S1为坐标原点的坐标系xoy平面内的投影为Pxy1，P在以所述第一声发射传感器S1为坐标原点的坐标系yoz平面内的投影为Pyz；x轴与S1P的夹角为α1，y轴与S1P的夹角为α2，z轴与S1P的夹角为α3，y轴与S1Pxy1的夹角为β1，z轴与S1Pyz的夹角为β2；
当l＞＞d并且r＞＞d，得出：
由于Pxy1为P点在以所述第一声发射传感器S1为坐标原点的坐标系xoy平面内的投影，有：
两式相比得：
由于Pyz为P点在以所述第一声发射传感器S1为坐标原点的坐标系yoz平面内的投影，有：
两式相比得：
P点在以所述第一声发射传感器S1为坐标原点的坐标系的坐标设为(xp1，yp1，zp1)，则有，
得：
第五声发射传感器S5、第六声发射传感器S6、第七声发射传感器S7、第八声发射传感器S8为一组，所述第六声发射传感器S6、所述第七声发射传感器S7、所述第八声发射传感器S8与所述第五声发射传感器S5的时间差分别为Δt56、Δt57、Δt58；S5P长为r，P在以所述第五声发射传感器S5为坐标原点的坐标系xoy平面内的投影为Pxy5，P在以所述第五声发射传感器S5为坐标原点的坐标系yoz平面内的投影为Pyz；x轴与S5P的夹角为θ1，y轴与S5P的夹角为θ2，z轴与S5P的夹角为θ3；y轴与S5Pxy5的夹角为γ1，z轴与S5Pyz的夹角为γ2；
当l＞＞d并且r＞＞d，得出：
由于Pxy5为P点在以所述第五声发射传感器S5为坐标原点的坐标系xoy平面内的投影，有：
两式相比得：
由于Pyz为P点在以所述第五声发射传感器S5为坐标原点的坐标系yoz平面内的投影，有：
rcosθ2＝rcosθ1sinγ2；
rcosθ3＝rcosθ1cosγ2；
两式相比得：
P点在以所述第五声发射传感器S5为坐标原点的坐标系的坐标设为(xp5，yp5，zp5)，则有，
得：
其中，xp5＝xp1-d、yp5＝yp1-d、zp5＝zp1-d，联立得：
则确定声发射源的位置。
一种基于正方体阵列的声发射源定位系统，所述定位系统包括声发射传感器、信号放大器、信号采集与处理系统、显示与记录系统，所述声发射传感器与所述信号放大器通过信号线连接，所述信号放大器通过信号线连接信号采集与处理系统，所述信号采集与处理系统和显示与记录系统通过信号线连接。
优选地，所述信号采集与处理系统对采集到的声发射信号进行互相关函数计算，得到各个传感器之间的时间差，最后通过记录与显示系统利用所述时间差和正方体边长对声发射源进行位置的确定。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于正方体阵列的声发射源定位方法及系统，具有以下有益效果：
(1)声发射是一种动态检测方法，声发射探测到的能量来自被测物本身，提高了检测的准确性。
(2)对于被测物的几何形状不敏感，适合检测其他方法受到限制的形状复杂的构件。同时适用于其他方法难于或不能接近的环境检测。
(3)定位方法与声发射信号传播速度无关，避免由于材料各向异性造成的声发射信号传播速度差异的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明的方法流程示意图；
图2附图为本发明的互相关函数求时差原理图；
图3附图为本发明的正方体阵列布置图；
图4附图为本发明的声发射源的位置P示意图；
图5附图为本发明的声发射源确定示意图；
图6附图为本发明的系统流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
本实施例公开了一种基于正方体阵列的声发射源定位方法及系统，选用八个声发射传感器，以正方体阵列布置，正方体边长为d。本发明不涉及到声发射速度，不受材料各向同性和各向异性的影响。计算时不需要迭代过程，提高了计算的速度和准确性，更加适用于三维结构的声发射源定位。声发射检测技术是一种重要的无损检测方法，通过及时发现损伤及潜在威胁从而保障结构的安全性。本发明对声发射检测中的声发射源定位问题提出了新的方法，如图1所示，一种基于正方体阵列的声发射源定位方法，包括以下步骤：建立三维结构正方体阵列布置的声发射源定位传感器；接收到的声发射的声信号经声发射传感器转换为声发射的电信号；声发射的电信号进入信号采集与处理系统；对经过信号采集与处理系统的电信号进行互相关函数计算，互相关函数相邻波峰之间的时间差即为声发射信号得到所需时间差τ；根据时间差τ确定声发射源的位置。
优选地，如图2所示，互相关函数求时间差的具体过程如下：
互相关函数表示两个时间序列之间的相关程度，即描述信号x(t)、y(t)在任意两个不同时刻t1，t2的取值之间的相关程度。两信号错开一个时间间隔τ处相关程度最高，它反映两信号x(t)、y(t)之间主传输通道的滞后时间。对采集的两个声发射信号进行互相关函数分析，可得到相应的互相关函数图像，互相关函数图像上最大峰值对应的时间间隔τ即为声发射信号间的时间差τ，任意一个波A(t)和另一个延迟时间为τ的波B(t+τ)之间的互相关函数如下：
任意一个函数A(t)和时间延迟为τ′的函数B(t)，两个函数A(t)和B(t+τ′)在有限时间间隔内的互相关函数RAB(τ)在τ＝τ′时肯定包含一个最大值，这一互相关方法用于连续型声发射源的定位。如声发射传感器A接收连续声发射信号A(t)，声发射传感器B接收连续声发射信号B(t+τ′)，相对于波A(t)的时间延迟为τ′，那么声发射信号从源传播到两个探头间的时差可以从其互相关函数RAB(τ)的最大峰值部位来得到，即ΔtAB＝τ′。
如图4所示，八个声发射传感器，按照正方体的阵列布置，在正方体的八个顶点分别放置，如下图所示。正方体的边长为d，以S1为坐标原点建立坐标系。
首先，采集声发射信号进行互相关函数计算，得到声发射传感器之间的时间差，利用时间差可得出声发射源的位置P(x，y，z)，则 若l＞＞d并且r＞＞d，则继续进行检测。反之，调整声发射传感器的距离，直至满足l＞＞d并且r＞＞d为止。其中，远远大于是指两个数量级——100倍以上。
优选地，如图5所示，声发射源确定的具体过程如下：
第一声发射传感器S1、第二声发射传感器S2、第三声发射传感器S3、第四声发射传感器S4为一组，第二声发射传感器S2、第三声发射传感器S3、第四声发射传感器S4与第一声发射传感器S1、的时间差分别为Δt12、Δt13、Δt14；S1P长为l，P在以第一声发射传感器S1为坐标原点的坐标系xoy平面内的投影为Pxy1，P在以第一声发射传感器S1为坐标原点的坐标系yoz平面内的投影为Pyz；x轴与S1P的夹角为α1，y轴与S1P的夹角为α2，z轴与S1P的夹角为α3，y轴与S1Pxy1的夹角为β1，z轴与S1Pyz的夹角为β2；
当l＞＞d并且r＞＞d，得出：
由于Pxy1为P点在以第一声发射传感器S1为坐标原点的坐标系xoy平面内的投影，有：
两式相比得：
由于Pyz为P点在以第一声发射传感器S1为坐标原点的坐标系yoz平面内的投影，有：
两式相比得：
P点在以第一声发射传感器S1为坐标原点的坐标系的坐标设为(xp1，yp1，zp1)，则有，
得：
第五声发射传感器S5、第六声发射传感器S6、第七声发射传感器S7、第八声发射传感器S8为一组，第六声发射传感器S6、第七声发射传感器S7、第八声发射传感器S8与第五声发射传感器S5的时间差分别为Δt56、Δt57、Δt58；S5P长为r，P在以第五声发射传感器S5为坐标原点的坐标系xoy平面内的投影为Pxy5，P在以第五声发射传感器S5为坐标原点的坐标系yoz平面内的投影为Pyz；x轴与S5P的夹角为θ1，y轴与S5P的夹角为θ2，z轴与S5P的夹角为θ3；y轴与S5Pxy5的夹角为γ1，z轴与S5Pyz的夹角为γ2；
当l＞＞d并且r＞＞d，得出：
由于Pxy5为P点在以第五声发射传感器S5为坐标原点的坐标系xoy平面内的投影，有：
两式相比得：
由于Pyz为P点在以第五声发射传感器S5为坐标原点的坐标系yoz平面内的投影，有：
rcosθ2＝rcosθ1sinγ2；
rcosθ3＝rcosθ1cosγ2；
两式相比得：
P点在以第五声发射传感器S5为坐标原点的坐标系的坐标设为(xp5，yp5，zp5)，则有，
得：
其中，xp5＝xp1-d、yp5＝yp1-d、zp5＝zp1-d，联立得：
则确定声发射源的位置，可见三维空间的声发射源位置可由正方体阵列的八个声发射传感器确定。
实施例2：
实施例2与实施例1仅存在以下不同之处，其余部分均相同，相同部分参见实施例1。
一种基于正方体阵列的声发射源定位系统，如图6所示，定位系统包括声发射传感器、信号放大器、信号采集与处理系统、显示与记录系统。声发射传感器与信号放大器通过信号线连接，信号放大器通过信号线连接信号采集与处理系统，信号采集与处理系统和显示与记录系统通过信号线连接。其中，声发射传感器的作用是将接收到的声发射的声信号转变成声发射的电信号。声发射传感器的型号选用声华科技公司的SR150M，频率为6kHz～400kHz，数量为8个，通过中温硅脂耦合剂固定在正方体阵列的八个顶点上。声发射传感器通过信号线连接放大器，放大器主要是放大微弱的输入信号，提高信号的信噪比，防止信号衰减。信号采集与处理系统选用声华科技公司的16通道采集卡，采样频率为10MHz，采样精度为16位。具体步骤如下：
建立三维结构声发射源定位传感器阵列，如图3所示。构建一个边长为d的正方体，八个声发射传感器分别布置在正方体的八个顶点，以S1为坐标原点建立空间直角坐标系。S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8的空间位置如图3所示。
声发射信号经过声发射传感器处理，进入信号采集与处理系统。
对采集到的声发射信号进行互相关函数计算，计算声发射信号得到所需时间差。尽管声波产生的准确时间和声波到达声发射传感器的准确时刻是未知的，但是任意两个声发射传感器的时间差是已知的。求得第二声发射传感器S2、第三声发射传感器S3、第四声发射传感器S4与第一声发射传感器S1的时间差分别为Δt12、Δt13、Δt14，第六声发射传感器S6、第七声发射传感器S7、第八声发射传感器S8与第五声发射传感器S5的时间差分别为Δt56、Δt57、Δt58。
最后通过记录与显示系统利用时间差和正方体边长对声发射源进行位置的确定。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
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