基于模態(tài)理論降低聲發(fā)射源定位誤差的方法

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(1.中國(guó)石油大學(xué) 勝利學(xué)院, 東營(yíng) 257000;2.中國(guó)石化股份勝利油田分公司技術(shù)檢測(cè)中心, 東營(yíng) 257000; 3.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院, 青島 266580)

聲發(fā)射檢測(cè)方法是一種動(dòng)態(tài)非破壞性檢測(cè)技術(shù)[1]，常被用于材料的缺陷定位檢測(cè)中。時(shí)差定位法是一種較為準(zhǔn)確但又復(fù)雜的定位方式，定位精度易受波速、衰減和波形等多參量的影響[2]。由模態(tài)聲發(fā)射理論可知，聲發(fā)射源在板狀結(jié)構(gòu)中所激勵(lì)的聲發(fā)射信號(hào)在傳播過程中具有多頻率分量、多模態(tài)的特點(diǎn)，不同模態(tài)、不同頻率的聲發(fā)射波傳播速度存在差別[3]。聲發(fā)射波時(shí)間的精確提取是實(shí)現(xiàn)時(shí)差定位方法的前提條件[4]。傳統(tǒng)的聲發(fā)射源定位技術(shù)，由于傳播距離、傳播路徑存在差別，不同的傳感器可能被不同模態(tài)的波觸發(fā)，聲發(fā)射波的到達(dá)時(shí)間不能精確提取，因此聲發(fā)射源的定位誤差較大[5]。為了降低玻璃鋼聲發(fā)射源的定位誤差，筆者根據(jù)模態(tài)理論并結(jié)合聲發(fā)射信號(hào)在玻璃鋼中的傳播規(guī)律，對(duì)聲發(fā)射波到達(dá)時(shí)間的提取進(jìn)行了研究[6]。

1 試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)所用材料為邊長(zhǎng)為1 200 mm，厚度為4 mm正交編織玻璃纖維復(fù)合材料板1個(gè)。

試驗(yàn)采用德國(guó)Vallen公司生產(chǎn)的AMSY-5 36通道聲發(fā)射檢測(cè)儀，3個(gè)VS150-RIC探頭以及適量的耦合劑。

1.2 試驗(yàn)方法

沿玻璃纖維復(fù)合材料板90°傳播方向上布置3個(gè)傳感器，第一個(gè)傳感器布置在距斷鉛源100 mm的位置，傳感器間距為400 mm。測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)噪聲，設(shè)置門限值。根據(jù)GB/T 18182-2012《金屬壓力容器聲發(fā)射檢測(cè)及結(jié)果評(píng)價(jià)方法》的要求，采用直徑為φ0.5 mm的HB鉛筆芯在斷鉛位置進(jìn)行斷鉛模擬聲發(fā)射源，鉛芯伸長(zhǎng)量為2.5 mm，與板面成30°夾角進(jìn)行斷鉛試驗(yàn)。對(duì)采集到的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行處理分析，確定聲發(fā)射波到達(dá)時(shí)間的準(zhǔn)確提取方法。試驗(yàn)前后均需通過斷鉛信號(hào)對(duì)傳感器靈敏度進(jìn)行校準(zhǔn)，每通道響應(yīng)幅值與所有通道的平均幅值之差要求不大于4 dB。

2 聲發(fā)射信號(hào)傳播規(guī)律研究

在模態(tài)聲發(fā)射理論中，聲發(fā)射源在板中主要激勵(lì)起擴(kuò)展波、彎曲波和水平切變波[7]，不同模式波的傳播速度存在較大的不同，導(dǎo)致難以準(zhǔn)確判別聲發(fā)射信號(hào)的到達(dá)時(shí)間。對(duì)于相同閾值，不同的傳感器可能被不同的模式波觸發(fā)，此時(shí)利用獲得的時(shí)間差進(jìn)行聲發(fā)射源定位則會(huì)產(chǎn)生較大的定位誤差。

圖1 距聲發(fā)射源100 mm處采集的波形與FFT變換結(jié)果

聲發(fā)射波在玻璃鋼中傳播時(shí)，不同頻率成分的波的傳播速度不同。為了得到玻璃鋼聲發(fā)射信號(hào)的傳播規(guī)律，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)噪聲設(shè)定門檻值為34 dB，采用譜分析法[8]對(duì)過門限的斷鉛信號(hào)在玻璃鋼中傳播時(shí)頻率的變化進(jìn)行了研究。玻璃纖維板90°傳播方向時(shí)，在距聲發(fā)射源不同位置采集的聲發(fā)射信號(hào)波形及其對(duì)應(yīng)的FFT變換如圖1～3所示。

圖3 距聲發(fā)射源900 mm處采集的波形與FFT變換結(jié)果

從不同位置采集到的聲發(fā)射信號(hào)波形與對(duì)應(yīng)的FFT變換結(jié)果圖中可看出：在距聲發(fā)射源較近位置，傳感器采集到的聲發(fā)射波的頻率集中在25 kHz～200 kHz，隨著傳播距離的增加，100 kHz以上的聲發(fā)射波衰減較大，在距聲發(fā)射源較遠(yuǎn)位置傳感器采集的聲發(fā)射波的頻率主要在100 kHz以下。且從不同傳播距離所采集到的波形可以看出，不同位置傳感器觸發(fā)的波形存在較大差別，因此不同位置處傳感器可能由不同的模態(tài)、不同頻率成分波所觸發(fā)，由此波形提取到的到達(dá)時(shí)間是不準(zhǔn)確的。

3 聲發(fā)射波到達(dá)時(shí)間的精確提取方法

由聲發(fā)射波在玻璃鋼中的傳播規(guī)律可看出，在距聲發(fā)射源不同位置處，聲發(fā)射波含有不同頻率成分。根據(jù)模態(tài)聲發(fā)射理論可知，不同頻率段聲發(fā)射信號(hào)的傳播速度存在差別。因此，由不同頻率段聲發(fā)射波觸發(fā)的傳感器獲得的聲發(fā)射到達(dá)時(shí)間進(jìn)行聲源定位時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。

為了確定玻璃鋼聲發(fā)射源定位時(shí)濾波器的設(shè)置，利用小波變換對(duì)信號(hào)頻率成分進(jìn)行了分析[9]。聲發(fā)射采集過程中采樣頻率為2 000 kHz，對(duì)采集的波形數(shù)據(jù)在MATLAB軟件里進(jìn)行了db6小波分解重構(gòu) 。其原始波形及小波分析重構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 信號(hào)的原始波形及其多層小波變換結(jié)果

通過小波分解重構(gòu)結(jié)果可以看出聲發(fā)射信號(hào)的頻率主要集中在d3～d5層，其頻率范圍分別為31.25 kHz～62.5 kHz,62.5 kHz～125 kHz,125 kHz～250 kHz。

工程中為了能夠獲得聲發(fā)射信號(hào)中的擴(kuò)展波成分，常采用高通濾波器(低頻截止頻率100 kHz)或高頻帶通濾波器(帶通范圍100 kHz～1 000 kHz)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。為能夠獲得聲發(fā)射信號(hào)中的彎曲波分量(頻率相對(duì)較低)，采用低頻帶通濾波器(帶通范圍20 kHz～70 kHz)對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行處理。通過軟件將濾波器頻率范圍分別設(shè)置為25 kHz～70 kHz,95 kHz～300 kHz,25 kHz～300 kHz,25 kHz～45 kHz 4個(gè)頻率段 ，每組進(jìn)行10次斷鉛模擬聲發(fā)射源。建立各頻率段采集的聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)間差與傳播距離的關(guān)系圖，做對(duì)比分析，如圖5～8所示。

圖5 25 kHz～70 kHz頻率段聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)間差與距離的關(guān)系

圖6 95 kHz～300 kHz頻率段聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)間差與距離的關(guān)系

圖7 25 kHz～300 kHz頻率段聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)間差與距離的關(guān)系

圖8 25 kHz～45 kHz頻率段聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)間差與距離的關(guān)系

由上述各頻率段所獲得的時(shí)間差-距離的關(guān)系圖可看出，25 kHz～70 kHz 頻率段所獲得的聲發(fā)射

波到達(dá)時(shí)間差與距離保持較好的線性，其R的平方為0.999 7，即在這一頻率段隨著傳播距離的增加，聲發(fā)射波到達(dá)時(shí)間的提取所受的影響較小，在不同傳感器位置所測(cè)的波速基本相同。其他頻率段獲得的聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)間差與距離之間的線性關(guān)系相對(duì)較差。在聲發(fā)射源定位時(shí)，不同傳感器間距所測(cè)得的波速差別越小，則聲發(fā)射源定位時(shí)產(chǎn)生的定位誤差相對(duì)越小。濾波器通帶頻率控制在25 kHz～70 kHz時(shí)，即能準(zhǔn)確提取聲發(fā)射波的到達(dá)時(shí)間。

4 聲發(fā)射波時(shí)間提取定位對(duì)比

在玻璃鋼的定位試驗(yàn)中，采用三角定位[10]對(duì)3個(gè)傳感器圍成的三角形區(qū)域中的7個(gè)位置進(jìn)行斷鉛定位試驗(yàn)，分別采用低頻帶通濾波器(帶通范圍20 kHz～70 kHz)和直通無濾波兩種濾波形式，對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行采集。采用傳統(tǒng)到達(dá)時(shí)間提取方法和文中根據(jù)模態(tài)波形改進(jìn)的時(shí)間提取方法的定位結(jié)果如表1所示。

表1 兩種到達(dá)時(shí)間提取方法定位結(jié)果

從表1中的結(jié)果可以看出，根據(jù)模態(tài)波形理論進(jìn)行濾波提取到達(dá)時(shí)間的定位方法，比傳統(tǒng)提取聲發(fā)射波到達(dá)時(shí)間的定位方法的誤差相對(duì)較小。說明此種聲發(fā)射波到達(dá)時(shí)間的提取方法是有效的。

5 結(jié)論

(1) 不同頻率的聲發(fā)射波在玻璃鋼中傳播時(shí)的衰減程度不同，隨著傳播距離的增加，聲發(fā)射波頻率主要集中在100 kHz以下。

(2) 隨著聲發(fā)射波傳播距離的增加，采用25 kHz～70 kHz帶通濾波器濾波后，獲得的聲發(fā)射波到達(dá)時(shí)間差保持較好的線性,即不同傳播距離下的波速基本相同，對(duì)聲發(fā)射波到達(dá)時(shí)間的提取的影響較小。從定位對(duì)比試驗(yàn)中可看出，采用20 kHz～70 kHz帶通濾波器濾波后的定位誤差要比傳統(tǒng)定位方法的定位誤差小。

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