基于壓電換能器的聲發射源定位成像研究

王少鋒，王道瑞，王建國

(內蒙古科技大學 機械工程學院,內蒙古 包頭 014010)

0 引言

薄板類金屬結構件被廣泛用于制造工程結構，如汽車、壓力容器和飛機[1-3]等。隨著使用年限和負載的增加及自身老化，板結構中會產生疲勞裂紋和腐蝕，其整體穩定受到嚴重影響，從而導致結構破壞，甚至造成嚴重事故[4-5]。

近年來，聲發射(AE)技術以其實時、動態的優點得到快速發展，但在聲發射源的定位方面始終沒有較大的突破。劉增華等[6]以碳纖維復合材料板為研究對象，將多個聲發射傳感器按一定的幾何關系布置，組成多組傳感器陣列，研究了聲發射源與傳感器陣列之間的相對角度關系，并在此基礎上實現了碳纖維復合材料板中的聲發射源定位。Sedlak等[7]將Akaike信息準則(AIC)方法與短期平均/長期平均值(STA/LTA)技術結合，通過分析信號的首次到達時間，在多層薄板中進行聲發射源定位研究。

基于以上論述，為了快速、直觀地定位聲發射源，本文提出一種基于時間反轉(TR)聚焦成像的聲發射源定位方法[8-9]，對采集到的聲發射信號進行時間反轉處理，實現板件中聲發射源的精確定位。

1 時間反轉法

1.1 時間反轉聚焦原理

時間反轉最早應用在光學領域，法國科學家芬克將其引入聲學領域，并進行了相關的研究[10-11]。時間反轉法的基本原理是聲的互異性原理。時反聚焦是指不同傳感器接收到的信號在時間上有先后差異，將信號在時域反轉后，再從相應的傳感器重發回聲源，最終信號會同時到達聲源處，形成聚焦。

聲場的互易性原理[12-13]是指a點發射的信號由位于b點的傳感器接收等于由b點發射的信號被a點傳感器接收，即聲場在兩點間傳播具有可逆性，用格林函數表示為

G(a,t0|b,t)=G(b,t0|a,t)

(1)

假設聲發射信號S(ω)經過介質傳播被傳感器接收，則接收到的信號可表示為

E(ω)=S(ω)×Hi

(2)

式中：Hi為聲發射信號從聲源傳到第i個傳感器的傳遞函數；E(ω)為聲發射信號的頻譜。將時域上的聲發射信號E(t)時間上反轉，即在信號E(ω)的頻域取共軛，故時反后的信號E(-t)可表示為

(3)

式中“*”表示聲發射信號的復共軛。將時反后的信號在對應的傳感器加載并發射回聲源處，即傳感器代替聲源位置，兩者位置相互交換，由于傳播的介質未發生變化，故傳遞函數仍為Hi，在聲源處接收到的信號D(ω)為

(4)

多個信號D(ω)時間反轉后，重新發回聲源處，則它們在時間零點處時域是同相疊加的，即信號同時刻、同相位到達聲源處，則它們會在同一時刻得到主相關峰值，實現聚焦。

1.2 定位成像原理

由以上時間反轉理論分析可知，時反信號只會在聲發射源處實現聚焦，因此，將監測件劃分監測區域，該區域即為聲發射源的搜索區域，區域中的每個網格點作為搜索點。當聲發射應力波在結構中傳播時，通過處理聲發射信號可以獲得信號的能量和幅值。計算從所有點到傳感器的長度，通過距離和波速計算得到時間延遲。從第一個搜索點到最后一個搜索點重復掃描聚焦過程，通過獲得信號在每個點疊加的幅值，最后以每個點的幅值作為像素值在計算機軟件中以損傷波動圖像進行表示，像素最大值即顏色最深處為聲發射源的位置。

2 實驗與分析

本文所有的實驗均在一個表面光滑的5052鋁合金板上進行，板件尺寸為1 200 mm×1 200 mm，厚為3 mm。信號采集系統采用美國物理聲學公司(PAC)的Express二代采集儀。傳感器為R15型聲發射傳感器，其共振頻率為150 kHz，每個傳感器通過前置放大器(PAC，MISTRAS，2/4/6)與聲發射采集系統相連接，信號經由前置放大器進行放大處理。

2.1 波速的測量

波速的選取通過對實驗材料的實際測量計算獲得，測量方案如圖1所示。采用國際通用的Hsu-Nielsen斷鉛法[14-15]模擬聲發射事件的發生，兩個傳感器分別布置在實驗板左側，用來接收聲發射信號，斷鉛點位于兩個傳感器的右側。通過對聲發射傳感器采集到的信號進行互相關分析[16-18]，最高部分峰值對應的時間點分別為信號到達兩個傳感器的時間，由此可得到達時間差，波速(v)為

(5)

式中：d為兩傳感器間的距離；τ為時間差。

圖1 速度測量原理

圖2 速度測量實驗圖

表1 波速計算結果

2.2 聲發射源定位

聲發射源定位實驗在鋁合金板中選定的區域進行，如圖3所示。圖中正方形陰影區域為監測區域，監測面積為600 mm×600 mm，在正方形的4個頂點分別布置4個聲發射傳感器，通過專用耦合劑與鋁合金板表面緊密貼合。實驗中，聲發射信號由斷鉛實驗模擬產生，斷鉛點位置坐標為(150,150)，如圖4所示。

圖3 傳感器布置及監測區域示意圖

圖4 聲發射源定位實驗圖

傳感器采集到信號的時域圖如圖5所示。由圖可見，信號之間有明顯的時間延遲，通過對信號進行時域的反轉得到的結果如圖6所示。按照時間反轉理論，信號需重新發射回聲源處，本文通過在計算機上進行虛擬重發的過程，根據定位成像的原理，將信號聚焦的幅值作為像素值以圖像表示出來。

圖5 4個傳感器采集到信號的時域圖

圖6 時間反轉后的聲發射信號

3 定位結果與誤差分析

根據定位成像的原理，聲發射源的定位結果如圖7所示。為了突出聲發射源位置，對圖像進行了閾值化處理以消除干擾數據。圖8為閾值處理的結果。依據成像理論，監測區域圖像中的像素最大值處表示聲發射源，則圖中的亮點位置即為聲發射源的位置。依據時間反轉法定位的聲發射源坐標為(169.3,170.1)，與實際聲發射源位置相比，徑向誤差為27.8 mm。同時，為了驗證結果的準確性，進行了多組實驗，實驗結果與誤差分析如表2所示。

圖7 鋁合金板中聲發射源的定位

圖8 閾值化處理結果

表2 聲發射源定位結果及誤差

由表2可見，本文方法定位到的聲發射源坐標與實際的位置基本吻合，其誤差的存在主要是采集到的信號中有來自板的邊緣回波，但誤差保持在可控范圍內，能滿足精度要求。

綜上所述，通過本文提出的聲發射源定位技術可實現對板類件的聲發射源的定位，且具有較高的準確性和穩定性。

4 結束語

為了高效定位薄壁板件的聲發射源，本文提出了基于時間反轉法的聲發射源定位成像方法。該方法通過在鋁合金板上進行了實驗驗證，結果表明該方法能準確地定位聲發射源位置。這不僅避免了復雜的數學計算，還提高了定位效率，定位結果通過二維圖像表示，形象直觀，簡化了定位過程。