基于時(shí)差定位法的聲發(fā)射源定位研究

羅志敏 尹 東 杜 劍 向建軍

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)汽車與機(jī)械工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，設(shè)備材料經(jīng)常產(chǎn)生不可預(yù)知的裂紋及相關(guān)缺陷，對(duì)生產(chǎn)及安全造成影響，因此對(duì)相關(guān)材料及產(chǎn)品進(jìn)行準(zhǔn)確精密的檢測(cè)是必不可少的［1］，但目前這方面的研究精度不高。聲發(fā)射檢測(cè)（AE）技術(shù)作為一種動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)方法，可實(shí)現(xiàn)多通道對(duì)整體或大范圍的快速檢測(cè)而不必進(jìn)行繁雜的掃查操作，易于提高檢測(cè)效率［2-3］。因而，本研究擬采用聲發(fā)射技術(shù)，利用時(shí)差定位理論對(duì)試件缺陷進(jìn)行定位，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 時(shí)差定位理論

時(shí)差定位理論通過(guò)比較信號(hào)源被不同傳感器接收到的時(shí)間差t以及傳感器布置的位置，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算得出缺陷的位置。

采用時(shí)差線定位確定缺陷位置時(shí)如圖1所示［4］，其定位公式為：

式中L為信號(hào)源與傳感器之間距離，l為傳感器之間距離，v為AE信號(hào)在試件中的傳播速度。其中時(shí)間t=t2-t1，t2為右側(cè)傳感器接收時(shí)間，t1為左側(cè)傳感器接收時(shí)間。

采用時(shí)差面定位確定缺陷位置時(shí)如圖2所示，其定位公式為：

其中t4、t5分別為傳感器2、傳感器3和傳感器1的時(shí)間差；r1、r2、R分別為信號(hào)源到傳感器之間的距離。

圖1 線定位原理圖

圖2 面定位原理圖

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)研究主要分析線定位和面定位對(duì)于信號(hào)源的定位誤差。采用PAC公司生產(chǎn)的PCI-2多通道數(shù)字化聲發(fā)射系統(tǒng)及配套設(shè)備，線定位傳感器安裝位置距離信號(hào)源為L(zhǎng)=5cm。兩傳感器之間距離l=20cm。面定位傳感器安裝如圖2所示。試驗(yàn)中AE信號(hào)源由0.5mm硬度的HB的標(biāo)準(zhǔn)斷鉛，鉛筆芯伸長(zhǎng)2.5mm并與試件表面成30°折斷產(chǎn)生；同時(shí)，為了減少測(cè)量誤差，對(duì)每種材料分別進(jìn)行了5次試驗(yàn)，且每次斷鉛時(shí)的強(qiáng)度保持不變；最后取5次實(shí)驗(yàn)平均值作為測(cè)量數(shù)據(jù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

依據(jù)實(shí)驗(yàn)線定位、面定位采集到數(shù)據(jù)以及由公式（1）、（4）、（5）求解結(jié)果分別如表1、表2所示：

表1 線定位實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

表2 面定位實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

由表1可知：線定位實(shí)驗(yàn)結(jié)果為5.27cm，與實(shí)際傳感器布置的5cm的誤差約為5.4%。誤差較小，結(jié)果比較準(zhǔn)確。其可能誤差原因在于一般試驗(yàn)中將傳感器位置視為一點(diǎn)，而此次所用試驗(yàn)材料較小，兩傳感器距離僅為20cm，而傳感器覆蓋了一定區(qū)域，傳感器位置的計(jì)算誤差可能影響定位源的精度。

由表2可知：面定位實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別為R=14.89cm，r1=14.37cm，r2=3.64cm，其定位誤差約為3.8%。其誤差產(chǎn)生可能由于不同位置的清潔度、銹跡不同，其波速可能在不斷變化，難以準(zhǔn)確把握而造成誤差。

比較表1、表2可知，面定位產(chǎn)生的誤差明顯小于線定位，其可能原因在于面定位新增了兩組數(shù)據(jù)，通過(guò)平均計(jì)算分?jǐn)偭藬?shù)據(jù)較大的誤差，致使數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確。

3 結(jié)論

本文從三個(gè)方面對(duì)缺陷信號(hào)源進(jìn)行定位，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，其結(jié)論如下：

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，線定位實(shí)驗(yàn)結(jié)果為5.27cm，其相對(duì)實(shí)際誤差為5.4%。面定位相對(duì)實(shí)際誤差約為3.8%。

面定位對(duì)于信號(hào)源的定位精度較線定位準(zhǔn)確。這為提高聲發(fā)射（AE）檢測(cè)對(duì)于材料缺陷定位的可靠性以及為傳感器的安裝提供依據(jù)。

［1］楊瑞峰，馬鐵華.聲發(fā)射技術(shù)研究及應(yīng)用進(jìn)展［J］.中北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，27（5）：456-461.

［2］王永兵.聲發(fā)射技術(shù)的研究進(jìn)展［J］.石油和化工設(shè)備，2009，12（7）：48-50.

［3］楊瑞峰，馬鐵華.聲發(fā)射技術(shù)研究及應(yīng)用進(jìn)展［J］.中北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，27（5）：456-461.

［4］沈功田，劉時(shí)風(fēng).聲發(fā)射源定位技術(shù)［J］.無(wú)損檢測(cè)，2002，24（3）：114-117.