時間反轉在列車轉向架聲發射源定位中的應用

胡 聰，吳 瓊，李秋鋒，盧 超，何才厚

（1.無損檢測與光電傳感技術及應用國家地方聯合工程實驗室，江西 南昌 330063；

2.南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室，江西 南昌 330063；3.江西省特種設備檢驗檢測研究院鷹潭分院，江西 鷹潭 335000）

時間反轉在列車轉向架聲發射源定位中的應用

胡 聰1，2，吳 瓊1，2，李秋鋒1，2，盧 超1，2，何才厚3

（1.無損檢測與光電傳感技術及應用國家地方聯合工程實驗室，江西 南昌 330063；

2.南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室，江西 南昌 330063；3.江西省特種設備檢驗檢測研究院鷹潭分院，江西 鷹潭 335000）

針對高速列車轉向架的動態檢測提出一種新的損傷聲源定位方法，采用聲發射檢測技術對轉向架易損傷的焊接部位進行時間反轉定位方法研究。首先利用有限元軟件建立轉向架焊接部位結構有限元模型；然后在模型上模擬發出一個聲發射損傷信號，通過預置的聲發射傳感器接收聲發射源信號；最后根據時間反轉聚焦原理對接收信號進行處理，并通過檢測區域成像，確定損傷聲發射源的準確位置。數值仿真實驗結果表明：該定位方法能夠準確定位聲源位置，定位結果比常規四點圓弧法更精確。

轉向架；聲發射；時間反轉；損傷定位

0 引 言

列車轉向架是機車的走行部分，承擔將列車牽引和制動力傳遞到車輪上的任務，此外還需支承列車廂體運行，是機車最重要的承載結構之一，它的性能決定著機車的穩定性、舒適性和安全性，轉向架零部件的連接一般是通過焊接完成[1-2]。目前對轉向架的檢測大都是在靜態情況下完成的，通常耗時費力，也給車輛的正常使用帶來了極大的不便[3]。

聲發射實質是一種力學現象，是應力波產生、傳播和接收的過程，是指材料在外部或內部應力的作用下，在局部產生微觀形變而迅速釋放能量，并在材料內部以彈性波形式傳播的一種現象，這種檢測技術作為一種成熟的無損檢測方法，已得到了廣泛應用[4-5]。聲發射檢測技術是一種動態無損檢測技術，即無損檢測是在構件或材料內部的結構損傷處于變化的整個過程中完成，產生的聲發射信號實際上是由損傷本身發出，因此相比于其他檢測方法，它能實現轉向架構架的動態監測，在裂紋發展的開始階段即可發現損傷缺陷位置，并判斷轉向架中缺陷的活性和嚴重性[6-7]。而采用聲發射技術對轉向架構架進行動態監測目前還未見報道。

在聲發射檢測中，聲發射源定位是一個重要的方面，在以往的聲源定位中主要是通過時差定位法完成，而為了提供定位精度，通常對檢測信號進行數據處理，提高信噪比，然后用四點圓弧法對聲源定位[8-10]。聲源本身一般都十分微弱，又易受到各種噪聲的干擾，而且聲波傳播的過程非常復雜。檢測信號在進行時間反轉處理后，可使損傷信號在空間上和時間上重新獲得聚焦，特定各反射信號可同時同相到達聚焦點，且信號能量也將同樣匯聚到該聚焦點，從而達到損傷缺陷定位的目的[11]。因此對定位方法的研究，有著重大的理論意義和實際應用價值。

本文采用CRH2轉向架作為研究對象，為H型構架，它主要由側梁、橫梁、縱向連接梁、空氣彈簧支承梁、制動吊座、定位臂座等組成[12]。通過仿真聲發射信號在轉向架構架中的傳播，采集其損傷聲發射信號，并將其時間反轉后在對應的傳感器重新激發出去，使得信號在損傷聲源處的時間和空間上獲得聚焦而達到缺陷定位的目的。

1 聲發射源時間反轉的基本原理

時間反轉是聲波互易性原理的一種應用，通過時間反轉可以在空間和時間上將聲波能量聚焦，從而重構聲源信號，實現聲源定位。這種方法最早是由Fink教授從光學檢測領域將時間反轉應用到聲學領域，同時進行了大量的研究工作，是一種不需要介質和傳感器性質和結構的先驗知識就可實現聲波自適應聚焦和檢測的方法[13-14]。

按照信號傳播理論，在聲發射檢測系統中每條信號傳播路徑上的傳感器和傳播路徑即為一個信號傳輸系統，在檢測區域內的任何聲發射信號P（w）經過傳播路徑后，被傳感器接收后信號S（w）可在頻域上用下式表示：

式中H（r，w）為傳輸系統的路徑傳遞函數。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、傳播路徑和聲源確定的傳播系統，傳感器和聲源位置可互換，傳遞路徑則具有相同頻響傳遞函數[15]。因此將時間反轉后的信號X（w）在對應的傳感器上反向加載，則在聲源處可獲得時反信號Z（w）為

式中：H（r，w）、H*（r，w）——實、偶、正函數，通過

同相疊加將得到主峰值；

P*（w）——聲源信號的共軛信號。

對比式（1）和式（3）可以看出，對同一聲源信號P（w），Z（w）中信號主峰通過疊加增強，其突出程度要比S（w）中的更顯著。當擴展到多個傳感器同時進行監測時，即可實現聲源信號在相應損傷處聚焦增強，這就是時間反轉聚焦的基本原理。

聲發射時反聚焦定位原理如圖1所示。在聲源位置處聲波通過傳播介質傳播一定形式的波形，這些信號被各個傳感器所接收；然后將這些接收到的信號進行時間反轉，并在各自對應的傳感器上同時加載，這些信號將會同時同相到達波源處，使得信號在波源處形成聚焦；最后將聚焦時刻上各個時反信號幅值用圖像顯示出來，即將各點信號幅值通過圖像矩陣中各像素點的像素值表示，則信號在聚焦時刻的波動圖可以用圖像的方法顯示出來，則圖像最亮處就是信號聚焦處，即為聲源位置[16-17]。

圖1 時間反轉定位原理圖

2 仿真實驗及其結果

利用ABAQUS中的CAE模塊建立高速列車轉向架構架的主要受力部分有限元模型，包括側梁、橫梁、以及縱向連接梁，這3個部位的材料均設置為耐候鋼。由于構架上最薄弱即最易受損的地方在焊接接頭區域，而檢測整體構架都是在焊接接頭區域布置傳感器進行區域監測，每一個區域都是獨立完成，相互不影響，所以這里僅取一個監測區域來進行定位研究。考慮到立體建模的運算復雜和硬件執行能力，研究僅采用檢測平面來進行仿真。仿真是在橫梁和縱向連接梁的焊接接頭區域模擬激勵一個聲發射信號，仿真整體效果云圖如圖2所示，由于衰減原因，信號主要能量在監測區域附近，如圖中顏色變化區域。本次定位算法研究實際是在這個區域布置傳感器，接收模擬損傷聲發射信號，然后通過時間反轉方法實現聲源反演定位。

圖2 構架焊接區域聲發射仿真效果云圖

實際損傷缺陷和傳感器布置如圖3所示，其中S1到S3的距離為120 mm，S2到S4距離為160 mm（以下單位均為mm）。以過S1點為縱坐標，過S2點為橫坐標，則4個傳感器坐標分別為（0，80）、（60，0）、（120，80）、（60，160），同時考慮到焊道有一定的厚度，因此將損傷缺陷位置設為（40，75）。假設聲源信號的峰值在t0時刻到達，信號被最后一個傳感器接收完成的時刻為 tm，則令tw≥tm，取（tw-t0）為時間窗口，對各傳感信號分別截取，并在時間窗內分別進行時間反轉可得到時反信號fn（n＝1，2，3，4）。根據時反原理，將反轉后的信號在對應的傳感器上反向加載，以時反信號的開始時刻為零時刻點，聚焦時刻tf為反轉信號停止加載時刻，通過控制聚焦時刻可以在損傷處實現信號的聚焦，其中tf=tw-t0。

圖3 傳感器布置及聲發射信號傳播仿真圖

根據實際鋼材中聲發射信號的頻率范圍，采用0.5MHz頻率的模擬聲發射信號如圖4所示。

4個傳感器得到的信號如圖5所示，從上到下分別為S1、S2、S3、S4得到的信號。對4個采集到的信號取絕對值，并采用希爾伯特變換求得其包絡線，如圖6所示。從圖中取出各反轉信號的峰值到達時刻，分別為1.132×10-5s，1.814×10-5s，1.862×10-5s，1.997× 10-5s。采用4點圓弧定位法求得t0為3.697×10-6s，缺陷定位為（43，74）。取tw為4.869 7×10-5s，則tf= 4.5×10-5s。根據聲波傳播原理，建立各時反信號在tf時刻的瞬態波動圖。各點的波動幅值由下式求得：

式中An為各信號補償放大系數，這里取歸一化系數。考慮到時反信號中tijn時刻幅值即為原信號中ty時刻的幅值，其中：

圖4 缺陷信號圖

圖5 S1、S2、S3、S4接收到的傳感信號波形圖

圖6 S1、S2、S3、S4信號包絡圖

根據式（4）和式（5），使用Matlab編程處理并成像，圖像大小為120mm×160mm，像素fν取1mm×1mm，最終成像結果如圖7所示。采用不同閾值成像對比，80%的效果最佳，處理之后如圖8所示。從數據中可以看出在（40，76）處取得最大值，按照最大兩傳感器間距160mm計算，定位誤差為1.25%。按照常規四點圓弧定位法計算結果為（43，74），同樣方法計算出定位誤差為3.37%。通過比較可以看出，采用時反定位結果更加精確。

圖7 時反成像圖

圖8 80%閾值化成像圖

3 結束語

根據高速列車轉向架動態無損檢測需要，采用聲發射檢測技術對轉向架損傷聲發射源進行定位研究。結合聲發射檢測特點和時間反轉理論，研究聲發射源定位方法。通過數值仿真實驗，模擬聲發射源發出聲發射信號在轉向架中傳播，并利用傳感器陣列對信號進行接收并進行時間反轉處理，通過幅值疊加的方式計算得到的模擬損傷聲發射源位置，與常規四點圓弧定位法比較，該定位結果更準確。

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（編輯：李妮）

Application of time reversal on acoustic emission source localization of train bogie

HU Cong1，2，WU Qiong1，2，LI Qiufeng1，2，LU Chao1，2，HE Caihou3
（1.National&Local Joint Engineering Laboratory for Nondestructive Testing and Optoelectronic Sensing Technology and Application，Nanchang 330063，China；2.Key Laboratory of Nondestructive Test of Ministry of Education，Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China；3.Yingtan Branch of Special Equipment Inspection and Research Institute of Jiangxi，Yingtan 335000，China）

For the dynamic testing to high speed train bogie，a new damage localization method was proposed here，and the acoustic emission testing technology was applied to test welding parts of the bogie with time reversal localization method.Firstly，the welding part structure model of the bogie was established based on finite element software;And then，acoustic emission signals from simulation damage were generated from the model and the signals were then received by the preset acoustic emission sensor;Finally，the accurate location of the damage acoustic source was obtained by processing the received signals by time reversal focusing principle and imaging detection area. The numerical simulation experiment results show that this method can locate the acoustic emission source accurately，which localization precision is greater than that of conventional four points arc method.

bogie；acoustic emission；time reversal；damage localization

A

：1674-5124（2016）12-0136-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.12.028

2016-04-08；

：2016-06-12

國家自然科學基金項目（11264032）；江西省自然科學基金項目（20122BAB201024）；國家質檢總局科技計劃項目（2013zjjz180）；航空科學基金項目（2014ZD56007）；上海航天科技創新基金項目（SAST201364）；江西省教育廳科技項目（GJJ14530）；無損檢測技術教育部重點實驗室開放基金項目（ZD201429002）

胡 聰（1989-），男，湖北武漢市人，碩士研究生，專業方向為超聲檢測技術。

吳 瓊（1976-），男，江西南昌市人，高級實驗師，主要從事材料的力學性能檢測、無損檢測及檢測信號處理等方面的研究。