大型起重機械聲發射動態監測定位方法探討

何才厚李秋鋒

（1.江西省特種設備檢驗檢測研究院鷹潭分院 鷹潭 335000）

（2.無損檢測技術教育部重點實驗室（南昌航空大學） 南昌 330063）

大型起重機械聲發射動態監測定位方法探討

何才厚1李秋鋒2

（1.江西省特種設備檢驗檢測研究院鷹潭分院 鷹潭 335000）

（2.無損檢測技術教育部重點實驗室（南昌航空大學） 南昌 330063）

為了實現對大型起重機械聲發射動態監測，利用時間反轉原理，將采集到的信號進行時間反轉，再施加到對應傳感器上作為激勵，在構件中激發的信號在聲源中聚集，隨機獲取反映起重機械損傷狀態特征參數，實時監測損傷及預測評估起重機械壽命。

聲發射 時間反轉 定位測試

聲發射技術是根據材料或結構內部發出的應力波判斷結構內部損傷程度的一種動態無損檢測方法［1,2］，從20世紀50年代開始聲發射技術被廣泛應用于設備無損檢測，在線監控等場合［3-5］。聲發射的源定位技術是聲發射技術研究的核心問題之一，其定位準確程度反映聲源檢測位置與真實位置的符合程度［6-8］。

根據多次實驗：常規聲發射源定位方法（不作闡述）具有一定的局限性和缺陷。筆者選擇基于時間反轉聚焦技術的聲發射源定位方法，以克服起重機工作時各種聲響帶來的干擾，精確地實施大型起重機械聲發射動態監測機理及壽命預測課題研究。

1 時間反轉原理

時間反轉（時反）是聲互易性原理的應用之一，它可以使得能量在空間和時間上得到聚焦，從而得到聲源的具體位置并對聲源信號進行重建 。法國科學家芬克（Fink）最早將時間反轉法由光學領域轉向到聲學領域中，同時展開了大量的理論和實驗研究工作［9,10］。

根據信號與系統分析的思想，傳感器、傳播媒介構成了一個完整的信號傳輸系統，信號經過傳輸通道傳播到傳感器得到的信號頻譜可表示為：

式中，H（r，w）為傳輸系統的通道傳遞函數。將該信號在時間域反轉，也就是等效于在頻域內取共扼，令X（w）為S（w）的復共軛，則時反響應信號為：

根據聲波互易性原理,對于傳感器、驅動器確定的結構，傳感器和驅動器位置可以互易，具有相同的頻率響應傳遞函數。因此分別將時間反轉后的信號X（w）在對應的傳感器上加載，波源處可得到信號則為：

式中，H（r，w）H*（r，w）一項為實、偶、正函數, 它在時間零點的傅里葉反變換是同相疊加的，會得到主相關峰值；S*（w）為激勵信號的共軛信號，也就是時間反轉信號。式（3）表明對于同樣的信號P（w），Z（w）中信號主波峰因為H（r，w）H（r，w）同相疊加比S（w）中的主波峰會突出很多。當多個傳感器一起按照上述操作執行時，那么在損傷出的散射信號就會形成聚焦而得到增強，這就是時間反轉聚焦的基本原理。

聲發射時反聚焦定位的原理如圖1所示。聲發射信號就是聲發射源在傳播介質中激發出一定形式的波形，這些信號被各個傳感器所接收。將這些采集到的信號進行時間反轉，再施加到對應傳感器上作為激勵，在結構中激發的信號可以在聲源處產生聚焦。

圖1 聲發射信號時間反轉示意圖

2 聲發射源定位算法仿真研究

數值仿真研究采用ABAQUS軟件完成，由于起重機械制造材料為鋼材Q345，因此仿真對象也設定為這種材料。本次仿真材料橫向寬度設置為450mm，縱向寬度為350mm。仿真四個聲發射傳感器坐標分別為（249.375,128.25）、（128.25,242.25）、（0,128.25）、（128.25,0），在坐標（128.25,128.25）位置激勵聲發射信號，具體布置情況如圖2所示。

圖2 仿真模型及傳感器分布圖

根據突發型聲發射源特點，在加載點激勵的模擬聲發射信號如圖3所示。

圖3 加載點的聲發射信號

經過時間反轉聚焦處理后，得到聲發射源成像定位圖，如圖4所示。

圖4 聲源成像定位圖

對結果進行分析，實際聲源位置為（128.25mm,128.25mm），基于時間反轉聚焦的聲發射源定位算法算出的聲源位置為（130mm，130mm），坐標差為（1.75mm,1.75mm）。

誤差非常小，可以滿足實際定位要求。

3 實驗聲發射源定位測試

實驗采用美國PAC的8通道PCI-2系統聲發射檢測設備進行實驗測試，實驗采用了其中四個通道采集，顯示器則用來顯示操作系統和聲發射軟件AEwin。

實驗試塊采用鋼材Q345，鋼板的長為360mm，寬為240mm，厚度為12mm，與仿真一樣，以四個探頭的中心位置為坐標原點，探頭編號以最左邊的開始，逆時針編號分別為S1，S2，S3，S4。以S1到S3的連線位置為橫坐標，那么S1，S2，S3，S4四個探頭的坐標分別為（-60mm，0mm）、（0mm，-80mm）、（60mm， 0mm）、（0mm，80mm），具體布置如圖5所示。

圖5 試塊以及探頭布置

探頭布置好后，在采集數據前，還要先對軟件進行相關的設置：門檻設為40dB，定時參數為低衰減材料的定時參數，輸入的坐標位置和之前規定的一樣，布置一個定位界面并將定位類型設為平板，采樣率設置為10MHz，采集長度為2k等。用鉛筆斷芯的形式模擬聲發射信號，這一點和仿真不一樣，仿真的時候加載的信號是設計的聲發射信號，而斷鉛信號則是未知的，因此在判斷斷鉛信號等方面比仿真時的要難些。為了驗證之后采用改進的時間反轉增強定位方法的準確性，記下了此時斷鉛的位置為（-3mm，-13mm）。

圖6 軟件聲源定位圖

設置完所有參數后，開始采集，采用0.5mm的HB石墨鉛筆斷芯，軟件直接獲得的定位圖如圖6所示，其中綠色代表探頭，上面的數字代表所選用的通道，從圖6可以看出，S1、S2、S3、S4分別對應著通道3、5、1、4，為了不致于弄混，后面全部用S1、S2、S3、S4來表示。紅色的點為檢測到的斷鉛信號，軟件中顯示出的定位坐標為（-5.1mm，-17.4mm）。

將四個傳感器最先接收到的四次撞擊的波形數據導出后，利用MATLAB將它們進行時反處理后成像結果如圖7所示。

圖7 實驗聲發射源成像定位圖

從誤差上面來分析，采用改進時間反轉增強方法的實驗結果與實際聲源位置誤差為（-1mm，-2mm），即相差2.24mm，相對誤差為1.4%，之前聲發射儀器定位的誤差為4%，可見通過這樣改進，聲發射定位精度更高。

4 結論

本文根據大型起重機械聲發射檢測損傷準確定位的要求，提出了一種時反聚焦損傷定位方法，結合聲發射信號傳播特點與時間反轉理論，實現對聲源的準確定位。通過有限元分析軟件建立平面模型，模擬聲發射源發出信號及其傳播過程，根據聚焦機理對該聲發射源進行定位，結果表明該定位方法能準確找到聲源位置；在對Q345材料的模擬聲發射試驗中也得到了相同的結果，與現有聲發射儀器自帶定位軟件比較，該方法能有效提高定位精度。

［1］ 沈功田，王鶴瑩，李麗菲，等. 鑄鐵承壓設備聲發射特征研究［J］.中國特種設備安全，2014，30（9）：9-17.

［2］ 沈功田，戴光，劉時風.中國聲發射技術進展［A］.全國第十屆聲發射會議論文集［C］.2004，1-6.

［3］ 吳占穩，沈功田，王少梅，等.聲發射技術在起重機無損檢測中的現狀［J］.起重運輸機械，2007（10）：1-4.

［4］ 王福綿，張喜明，王莉，等.起重機械故障類型分析及無損檢測問題［J］.中國特種設備安全，2008，24（4）：5-8.

［5］ 駱紅云，張崢，鐘群鵬，等.聲發射技術在大型裝卸設備安全評定中的應用［J］.起重運輸機械，2005，1：36-39.

［6］ 龔斌，金志浩，包日東，等.壓力容器上聲發射源的新型定位方法［J］.壓力容器，2005，22（6）：13-14.

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［國家質檢總局科技計劃項目：2013zjjz180］

Discussion on Dynamic Monitoring and Positioning Method Based on Acoustic Emission for Large Crane

He Caihou1Li Qiufeng2
（1. Yingtan Branch of Special Equipment Inspection and Research Institute of Jiangxi Yingtan 335000）
（2. Key Laboratory of Nondestructive Test （Nanchang Hangkong University）， Ministry of Education Nanchang 330063）

In order to achieve monitoring acoustic emission dynamically for large crane， collected signals are time reversed by using time reversal principle， and then excite the corresponding sensors as an incentive respectively. Signals excited in the structure are focused in sound source in random access， and damage state characteristic parameters of the crane can be reflected， and real-time damage monitoring and assessment and prediction of the large crane lifecycle can be realized.

Acoustic Emission Time reversal Location test

X941

B

1673-257X（2015）05-49-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.05.010

何才厚（1959～）， 男，本科，院長，副高級工程師，從事機電類特種設備檢驗檢測及管理工作。

2014-11-27）