基于時差定位法的聲發射源定位研究

羅志敏 尹 東 杜 劍 向建軍

（長沙理工大學汽車與機械工程學院，湖南 長沙 410004）

在現代工業生產中，設備材料經常產生不可預知的裂紋及相關缺陷，對生產及安全造成影響，因此對相關材料及產品進行準確精密的檢測是必不可少的［1］，但目前這方面的研究精度不高。聲發射檢測（AE）技術作為一種動態無損檢測方法，可實現多通道對整體或大范圍的快速檢測而不必進行繁雜的掃查操作，易于提高檢測效率［2-3］。因而，本研究擬采用聲發射技術，利用時差定位理論對試件缺陷進行定位，并進行實驗驗證。

1 時差定位理論

時差定位理論通過比較信號源被不同傳感器接收到的時間差t以及傳感器布置的位置，經過數學運算得出缺陷的位置。

采用時差線定位確定缺陷位置時如圖1所示［4］，其定位公式為：

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

采用時差面定位確定缺陷位置時如圖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的時間差；r1、r2、R分別為信號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 實驗及結果分析

2.1 實驗準備

實驗研究主要分析線定位和面定位對于信號源的定位誤差。采用PAC公司生產的PCI-2多通道數字化聲發射系統及配套設備，線定位傳感器安裝位置距離信號源為L=5cm。兩傳感器之間距離l=20cm。面定位傳感器安裝如圖2所示。試驗中AE信號源由0.5mm硬度的HB的標準斷鉛，鉛筆芯伸長2.5mm并與試件表面成30°折斷產生；同時，為了減少測量誤差，對每種材料分別進行了5次試驗，且每次斷鉛時的強度保持不變；最后取5次實驗平均值作為測量數據。

2.2 實驗結果分析

依據實驗線定位、面定位采集到數據以及由公式（1）、（4）、（5）求解結果分別如表1、表2所示：

表1 線定位實驗設計與結果分析

表2 面定位實驗設計與結果分析

由表1可知：線定位實驗結果為5.27cm，與實際傳感器布置的5cm的誤差約為5.4%。誤差較小，結果比較準確。其可能誤差原因在于一般試驗中將傳感器位置視為一點，而此次所用試驗材料較小，兩傳感器距離僅為20cm，而傳感器覆蓋了一定區域，傳感器位置的計算誤差可能影響定位源的精度。

由表2可知：面定位實驗結果分別為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，難以準確把握而造成誤差。

比較表1、表2可知，面定位產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據，通過平均計算分攤了數據較大的誤差，致使數據較為準確。

3 結論

本文從三個方面對缺陷信號源進行定位，并進行實驗分析，其結論如下：

由實驗結果可以看出，線定位實驗結果為5.27cm，其相對實際誤差為5.4%。面定位相對實際誤差約為3.8%。

面定位對于信號源的定位精度較線定位準確。這為提高聲發射（AE）檢測對于材料缺陷定位的可靠性以及為傳感器的安裝提供依據。

［1］楊瑞峰，馬鐵華.聲發射技術研究及應用進展［J］.中北大學學報（自然科學版），2006，27（5）：456-461.

［2］王永兵.聲發射技術的研究進展［J］.石油和化工設備，2009，12（7）：48-50.

［3］楊瑞峰，馬鐵華.聲發射技術研究及應用進展［J］.中北大學學報（自然科學版），2006，27（5）：456-461.

［4］沈功田，劉時風.聲發射源定位技術［J］.無損檢測，2002，24（3）：114-117.