基于模態理論降低聲發射源定位誤差的方法

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(1.中國石油大學 勝利學院, 東營 257000;2.中國石化股份勝利油田分公司技術檢測中心, 東營 257000; 3.中國石油大學(華東) 機電工程學院, 青島 266580)

聲發射檢測方法是一種動態非破壞性檢測技術[1]，常被用于材料的缺陷定位檢測中。時差定位法是一種較為準確但又復雜的定位方式，定位精度易受波速、衰減和波形等多參量的影響[2]。由模態聲發射理論可知，聲發射源在板狀結構中所激勵的聲發射信號在傳播過程中具有多頻率分量、多模態的特點，不同模態、不同頻率的聲發射波傳播速度存在差別[3]。聲發射波時間的精確提取是實現時差定位方法的前提條件[4]。傳統的聲發射源定位技術，由于傳播距離、傳播路徑存在差別，不同的傳感器可能被不同模態的波觸發，聲發射波的到達時間不能精確提取，因此聲發射源的定位誤差較大[5]。為了降低玻璃鋼聲發射源的定位誤差，筆者根據模態理論并結合聲發射信號在玻璃鋼中的傳播規律，對聲發射波到達時間的提取進行了研究[6]。

1 試驗過程

1.1 試驗材料及設備

試驗所用材料為邊長為1 200 mm，厚度為4 mm正交編織玻璃纖維復合材料板1個。

試驗采用德國Vallen公司生產的AMSY-5 36通道聲發射檢測儀，3個VS150-RIC探頭以及適量的耦合劑。

1.2 試驗方法

沿玻璃纖維復合材料板90°傳播方向上布置3個傳感器，第一個傳感器布置在距斷鉛源100 mm的位置，傳感器間距為400 mm。測定現場噪聲，設置門限值。根據GB/T 18182-2012《金屬壓力容器聲發射檢測及結果評價方法》的要求，采用直徑為φ0.5 mm的HB鉛筆芯在斷鉛位置進行斷鉛模擬聲發射源，鉛芯伸長量為2.5 mm，與板面成30°夾角進行斷鉛試驗。對采集到的聲發射信號進行處理分析，確定聲發射波到達時間的準確提取方法。試驗前后均需通過斷鉛信號對傳感器靈敏度進行校準，每通道響應幅值與所有通道的平均幅值之差要求不大于4 dB。

2 聲發射信號傳播規律研究

在模態聲發射理論中，聲發射源在板中主要激勵起擴展波、彎曲波和水平切變波[7]，不同模式波的傳播速度存在較大的不同，導致難以準確判別聲發射信號的到達時間。對于相同閾值，不同的傳感器可能被不同的模式波觸發，此時利用獲得的時間差進行聲發射源定位則會產生較大的定位誤差。

圖1 距聲發射源100 mm處采集的波形與FFT變換結果

聲發射波在玻璃鋼中傳播時，不同頻率成分的波的傳播速度不同。為了得到玻璃鋼聲發射信號的傳播規律，根據現場噪聲設定門檻值為34 dB，采用譜分析法[8]對過門限的斷鉛信號在玻璃鋼中傳播時頻率的變化進行了研究。玻璃纖維板90°傳播方向時，在距聲發射源不同位置采集的聲發射信號波形及其對應的FFT變換如圖1～3所示。

圖3 距聲發射源900 mm處采集的波形與FFT變換結果

從不同位置采集到的聲發射信號波形與對應的FFT變換結果圖中可看出：在距聲發射源較近位置，傳感器采集到的聲發射波的頻率集中在25 kHz～200 kHz，隨著傳播距離的增加，100 kHz以上的聲發射波衰減較大，在距聲發射源較遠位置傳感器采集的聲發射波的頻率主要在100 kHz以下。且從不同傳播距離所采集到的波形可以看出，不同位置傳感器觸發的波形存在較大差別，因此不同位置處傳感器可能由不同的模態、不同頻率成分波所觸發，由此波形提取到的到達時間是不準確的。

3 聲發射波到達時間的精確提取方法

由聲發射波在玻璃鋼中的傳播規律可看出，在距聲發射源不同位置處，聲發射波含有不同頻率成分。根據模態聲發射理論可知，不同頻率段聲發射信號的傳播速度存在差別。因此，由不同頻率段聲發射波觸發的傳感器獲得的聲發射到達時間進行聲源定位時，會產生較大的誤差。

為了確定玻璃鋼聲發射源定位時濾波器的設置，利用小波變換對信號頻率成分進行了分析[9]。聲發射采集過程中采樣頻率為2 000 kHz，對采集的波形數據在MATLAB軟件里進行了db6小波分解重構 。其原始波形及小波分析重構圖如圖4所示。

圖4 信號的原始波形及其多層小波變換結果

通過小波分解重構結果可以看出聲發射信號的頻率主要集中在d3～d5層，其頻率范圍分別為31.25 kHz～62.5 kHz,62.5 kHz～125 kHz,125 kHz～250 kHz。

工程中為了能夠獲得聲發射信號中的擴展波成分，常采用高通濾波器(低頻截止頻率100 kHz)或高頻帶通濾波器(帶通范圍100 kHz～1 000 kHz)對信號進行處理。為能夠獲得聲發射信號中的彎曲波分量(頻率相對較低)，采用低頻帶通濾波器(帶通范圍20 kHz～70 kHz)對聲發射信號進行處理。通過軟件將濾波器頻率范圍分別設置為25 kHz～70 kHz,95 kHz～300 kHz,25 kHz～300 kHz,25 kHz～45 kHz 4個頻率段 ，每組進行10次斷鉛模擬聲發射源。建立各頻率段采集的聲發射信號的時間差與傳播距離的關系圖，做對比分析，如圖5～8所示。

圖5 25 kHz～70 kHz頻率段聲發射信號的時間差與距離的關系

圖6 95 kHz～300 kHz頻率段聲發射信號的時間差與距離的關系

圖7 25 kHz～300 kHz頻率段聲發射信號的時間差與距離的關系

圖8 25 kHz～45 kHz頻率段聲發射信號的時間差與距離的關系

由上述各頻率段所獲得的時間差-距離的關系圖可看出，25 kHz～70 kHz 頻率段所獲得的聲發射

波到達時間差與距離保持較好的線性，其R的平方為0.999 7，即在這一頻率段隨著傳播距離的增加，聲發射波到達時間的提取所受的影響較小，在不同傳感器位置所測的波速基本相同。其他頻率段獲得的聲發射信號的時間差與距離之間的線性關系相對較差。在聲發射源定位時，不同傳感器間距所測得的波速差別越小，則聲發射源定位時產生的定位誤差相對越小。濾波器通帶頻率控制在25 kHz～70 kHz時，即能準確提取聲發射波的到達時間。

4 聲發射波時間提取定位對比

在玻璃鋼的定位試驗中，采用三角定位[10]對3個傳感器圍成的三角形區域中的7個位置進行斷鉛定位試驗，分別采用低頻帶通濾波器(帶通范圍20 kHz～70 kHz)和直通無濾波兩種濾波形式，對聲發射信號進行采集。采用傳統到達時間提取方法和文中根據模態波形改進的時間提取方法的定位結果如表1所示。

表1 兩種到達時間提取方法定位結果

從表1中的結果可以看出，根據模態波形理論進行濾波提取到達時間的定位方法，比傳統提取聲發射波到達時間的定位方法的誤差相對較小。說明此種聲發射波到達時間的提取方法是有效的。

5 結論

(1) 不同頻率的聲發射波在玻璃鋼中傳播時的衰減程度不同，隨著傳播距離的增加，聲發射波頻率主要集中在100 kHz以下。

(2) 隨著聲發射波傳播距離的增加，采用25 kHz～70 kHz帶通濾波器濾波后，獲得的聲發射波到達時間差保持較好的線性,即不同傳播距離下的波速基本相同，對聲發射波到達時間的提取的影響較小。從定位對比試驗中可看出，采用20 kHz～70 kHz帶通濾波器濾波后的定位誤差要比傳統定位方法的定位誤差小。

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