基于二維波束聚焦算法的低速?zèng)_擊監(jiān)測研究

常 琦，孟 瑤，楊維希，劉 君

(西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，西安 710048)

沖擊損傷是影響飛行器安全運(yùn)行[1]的主要結(jié)構(gòu)損傷形式之一，其大多由鳥撞、起飛時(shí)碎石的蹦濺[2]以及維修工具的掉落等引起。2009年美國一架航空飛機(jī)起飛后6 min，因飛鳥撞擊而使得兩個(gè)引擎失去動(dòng)力，所幸機(jī)上人員全數(shù)生還。2013年11月17日，俄羅斯一架客機(jī)在機(jī)場第二次試降時(shí)與地面碰撞導(dǎo)致油箱發(fā)生爆炸，機(jī)上44名乘客和6名機(jī)組人員全部遇難。由于低速?zèng)_擊極易在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生肉眼無法察覺的基體損傷，這種暗傷對(duì)材料的使用性能危害極大，在結(jié)構(gòu)運(yùn)行的過程中極易產(chǎn)生應(yīng)力集中從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效，進(jìn)而導(dǎo)致飛行事故[3]。因此對(duì)沖擊損傷的檢測是十分必要的，及時(shí)發(fā)現(xiàn)沖擊發(fā)生的位置可以對(duì)此區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)檢測，以保證飛行器的安全性[4-5]。

目前，關(guān)于大型構(gòu)件的低速?zèng)_擊檢測技術(shù)的研究開展的比較廣泛。Saeedifara等[6]將兩個(gè)聲發(fā)射(Acoustic Emission, AE)寬帶傳感器和一個(gè)由8個(gè)壓電(Piezoelectric Ceramic Transducer,PZT)傳感器組成的網(wǎng)絡(luò)安裝在復(fù)合材料板表面，采用基于被動(dòng)和主動(dòng)聲學(xué)的健康監(jiān)測方法對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行沖擊損傷評(píng)估。利用聲發(fā)射(Acoustic Emissions，AE)方法在線監(jiān)測結(jié)構(gòu)的臨界損傷發(fā)生情況，通過主動(dòng)Lamb波掃描板以確定損傷類型，對(duì)結(jié)構(gòu)卸載時(shí)的損傷進(jìn)行定位，最大誤差為3.6%。Shrestha等[7]提出了一種由6個(gè)光纖光柵傳感器(Fiber Bragg Grating, FBG)組成的線性陣列傳感器結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料機(jī)翼的任意撞擊點(diǎn)進(jìn)行沖擊定位。證明了采用一維陣列傳感器配置和參考數(shù)據(jù)庫算法，最大定位誤差限制在35.0 mm左右。熊稚莉等[8]構(gòu)建了一種基于分布式光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)沖擊監(jiān)測系統(tǒng)，針對(duì)低采樣率光纖光柵傳感模式，提出了一種基于關(guān)聯(lián)維數(shù)計(jì)算與三圓取交原理的低能量沖擊位置辨識(shí)法。并且引入了關(guān)聯(lián)維數(shù)作為沖擊響應(yīng)信號(hào)的特征參量，利用三圓取交法并結(jié)合參考權(quán)重，實(shí)現(xiàn)了對(duì)四邊固支鋁合金板結(jié)構(gòu)沖擊載荷位置的快速辨識(shí)。以上方法對(duì)整個(gè)系統(tǒng)定位精度較高，且整體的定位性能較為一致，但其大部分采用分散化布置傳感器，或者分為兩個(gè)區(qū)域集中布置傳感器，在如何集約化布置傳感器的同時(shí)又不降低整個(gè)構(gòu)件的定位精度這方面的研究工作開展的較少。而將集中布置傳感器的系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際時(shí)，其便于黏貼傳感器，可以有效減少后續(xù)布線的繁雜程度[9]，同時(shí)便于后續(xù)的信號(hào)采集。

針對(duì)以上結(jié)構(gòu)沖擊損傷監(jiān)測研究中由于傳感器布置分散帶來的布線繁雜且信號(hào)難以采集等問題[10]，本文擬通過集約化的傳感器布置方法達(dá)到最大化的監(jiān)測范圍以及較高的監(jiān)測精度，基于一種十字陣列型的新型傳感器布置的二維波束聚焦方法對(duì)沖擊損傷進(jìn)行定位研究。該方法將壓電傳感器PZT集約化布置在結(jié)構(gòu)中心，同時(shí)將系統(tǒng)分為內(nèi)場與外場。基于此布置方法，其垂直方向與水平方向布置的PZT采集到的數(shù)據(jù)相互融合可以提高定位精度，有效避免了一維線性陣列在與自身平行方向存在盲區(qū)的現(xiàn)象，且其不需要先驗(yàn)知識(shí)匹配通道在算法上較容易實(shí)現(xiàn)。同時(shí)較一維的沖擊定位方法實(shí)現(xiàn)了傳感器數(shù)據(jù)的冗余，即在某一傳感器失效后其數(shù)據(jù)仍可由其余傳感器提供，從而提高了系統(tǒng)的魯棒性。但二維陣列傳感器在內(nèi)場仍然存在小區(qū)域盲區(qū)，因此在內(nèi)部采用四點(diǎn)圓弧定位方法進(jìn)行彌補(bǔ)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)區(qū)域的完整沖擊監(jiān)測。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文所提方法具有較高的定位精度與較好的可靠性。

1 波束聚焦定位方法

1.1 聲發(fā)射檢測基本原理

聲發(fā)射AE是一種常用的無損檢測方法[11]。當(dāng)被測結(jié)構(gòu)部件受到應(yīng)力時(shí)會(huì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生微小形變，微小形變不斷地在結(jié)構(gòu)中累積并形成缺陷，此時(shí)會(huì)在材料中產(chǎn)生應(yīng)力波，因此產(chǎn)生聲發(fā)射。固體介質(zhì)中傳播的聲發(fā)射信號(hào)含有聲發(fā)射源和介質(zhì)的特征信息,要利用這些信息反映材料特性或缺陷發(fā)展?fàn)顟B(tài),就要在固體表面接收這種聲發(fā)射信號(hào)。聲發(fā)射源發(fā)射出的彈性波在材料內(nèi)部傳播,最終傳播到達(dá)材料的表面,引起可以用聲發(fā)射傳感器探測到的表面振動(dòng)信號(hào),這些傳感器將材料的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),然后經(jīng)過放大器放大、再經(jīng)過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和配套采集軟件實(shí)時(shí)采集保存、處理這些電信號(hào)并采用適當(dāng)?shù)乃惴ㄟM(jìn)一步分析以進(jìn)行沖擊定位。

1.2 波束聚焦方法

1.2.1 一維波束聚焦理論

在各向同性的板材上，假設(shè)沖擊信號(hào)波從沖擊源開始沿各個(gè)方向以恒定速度行進(jìn)。如圖1所示，沖擊源到各個(gè)傳感器的距離為Ri，以沖擊源為圓心畫同心圓分別與各個(gè)傳感器相交，半徑為Ri。

圖1 一維線性傳感器陣列示意圖

假設(shè)沖擊源坐標(biāo)位置為(X,Y)，傳感器坐標(biāo)為(xi,yi),則依據(jù)圖2可以得出各個(gè)傳感器與其對(duì)應(yīng)圓半徑Ri之間關(guān)系如下所示：

(1)

陣列中兩個(gè)傳感器與沖擊源之間的半徑差δij為：

|Ri-Rj|=δi,i≠j

(2)

假設(shè)波速恒定為v，ΔTij為兩傳感器接收到?jīng)_擊信號(hào)的延遲，有：

δij=v·ΔTij

(3)

由于上述方程未知數(shù)個(gè)數(shù)大于方程個(gè)數(shù)即方程為不定方程，所以要在二維平面上用線性傳感器陣列準(zhǔn)確定位沖擊源最少需要三個(gè)傳感器，聯(lián)立式(1)～(3)得到其解為如圖2所示的一組雙曲線。單一一組不定方程的解為其對(duì)應(yīng)雙曲線上任何一點(diǎn)，所以至少需要兩組雙曲線，兩組雙曲線交點(diǎn)為實(shí)際計(jì)算所得沖擊源所在位置。

圖2 一維光束聚焦傳感器定位沖擊圖

但一維線性傳感器仍存在如下弊端：① 虛假定位，通過計(jì)算得出在傳感器所在坐標(biāo)軸兩邊各有一個(gè)沖擊源，同時(shí)在y軸對(duì)稱區(qū)域分布兩個(gè)定位源(如圖2所示)；② 存在定位盲區(qū)，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，光束聚焦算法由于其自身特性在靠近自身所在軸即0°與180°附近不能夠準(zhǔn)確定位[12],(如圖3所示)，即存在定位盲區(qū)。這是由于本方法采用兩條雙曲線的交點(diǎn)作為沖擊定位結(jié)果導(dǎo)致的，當(dāng)沖擊源坐標(biāo)靠近x軸時(shí)，其兩圓的半徑差δij發(fā)生微小波動(dòng)時(shí)，其雙曲線的兩臂會(huì)發(fā)生大幅度的偏移，從而導(dǎo)致定位結(jié)果不準(zhǔn)確。

圖3 一維光束聚焦傳感器定位沖擊圖

1.2.2 二維波束聚焦方法

為了盡量減小盲區(qū)對(duì)一維陣列定位精度的影響，通常將傳感器陣列布置于小型板面的邊緣，從物理上消除虛假定位現(xiàn)象。然而在將其應(yīng)用于大型板面時(shí)又引入了新問題，即傳感器對(duì)結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)端定位精度較差的問題。為了解決一維陣列存在的問題，本文在一維光束聚焦定位理論的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)提出了二維光束聚焦方法，可以將一維陣列傳感器的盲區(qū)大大減小，其傳感器布置方法與定位過程，如圖4所示。

圖4 二維光束聚焦傳感器定位沖擊圖

通過傳感器2-5構(gòu)成的矩形將整個(gè)平面劃分為內(nèi)場與外場兩個(gè)區(qū)域。通過一維波束聚焦理論可有通過聯(lián)立傳感器1、2可得到一組雙曲線，同理聯(lián)立傳感器1、3；1、4；1、5又可得到三組雙曲線。假設(shè)沖擊源坐標(biāo)位置為(X,Y)，沖擊源與傳感器之間的半徑差為δij，傳感器坐標(biāo)為(xi,yi),PZT 1與PZTi之間時(shí)延為ΔTij、距離為L，有：

(4)

假設(shè)波速恒定為v有：

δij=v·ΔTij

(5)

通過二維波束聚焦定位方法將一維定位中的不定方程組改進(jìn)為超定方程組，即橫向交點(diǎn)與縱向交點(diǎn)疊加區(qū)域?yàn)槎S波束聚焦的最終定位結(jié)果，避免了一維定位中的虛假定位問題。同時(shí)超定方程組對(duì)于定方程組形成了數(shù)據(jù)冗余，事實(shí)上只需三組方程既可以準(zhǔn)確定位沖擊源，而多出來的一組方程作為備份數(shù)據(jù)。當(dāng)某一組傳感器失效時(shí)，仍可對(duì)沖擊源定位，從而提高了系統(tǒng)的魯棒性。同時(shí)通過垂直布置的兩列傳感器在外場其定位盲區(qū)恰好相互彌補(bǔ)，即在外場一組傳感器所不能定位的區(qū)域恰為另一組傳感器的定位區(qū)域，從而大大減小了結(jié)構(gòu)的盲區(qū)，從而整個(gè)平面外場可準(zhǔn)確定位。

1.3 四點(diǎn)圓弧定位方法

盡管二維波束聚焦方法可以大大降低監(jiān)測盲區(qū)，但在內(nèi)場仍然存在監(jiān)測盲區(qū)(如圖4所示)，為了進(jìn)一步消除監(jiān)測盲區(qū)，本文采用了四點(diǎn)圓弧定位方法(如圖5所示)對(duì)傳感器陣列的內(nèi)部區(qū)域進(jìn)行沖擊監(jiān)測，彌補(bǔ)了二維波束聚焦方法對(duì)內(nèi)場的定位不足，實(shí)現(xiàn)了全區(qū)域的沖擊監(jiān)測。

圖5 四點(diǎn)圓弧算法定位沖擊圖

假設(shè)x軸上PZT 1與PZT 3之間的時(shí)延為tx，y軸時(shí)延為ty，波速為v，PZT 2與坐標(biāo)原點(diǎn)之間距離為L,則沖擊點(diǎn)坐標(biāo)(a，b)可由下式求出：

(6)

式中：

(7)

將一維陣列傳感器改進(jìn)為二維陣列傳感器后，解決了其虛假定位問題，并且提高了外場的精度。此時(shí)全部的定位盲區(qū)存在于內(nèi)場，采用四點(diǎn)圓弧定位方法可以有效在內(nèi)場進(jìn)行定位，實(shí)現(xiàn)了通過布置少量傳感器監(jiān)測大面積結(jié)構(gòu)范圍的沖擊損傷的目標(biāo)。

2 基于二維波束聚焦方法的沖擊定位方法

在使用二維陣列進(jìn)行沖擊定位中，整個(gè)算法流程如圖6所示。基于二維波束聚焦理論對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行沖擊可以分為四個(gè)主要步驟，首先對(duì)傳感器獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換，取得其主頻包絡(luò)線。其次，對(duì)小波變換后的兩路信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)處理得到兩路信號(hào)的時(shí)差，并確定其所在象限。再次，運(yùn)用波束聚焦定位方法求出沖擊點(diǎn)的定位結(jié)果1，如該位置在外場，則輸出定位結(jié)果1。最后，若該定位坐標(biāo)不在外場則我們認(rèn)為該定位結(jié)果位于內(nèi)場二維波束聚焦的盲區(qū)，利用四點(diǎn)圓弧定位算法重新求取定位坐標(biāo)2，在進(jìn)行判斷該坐標(biāo)是否在內(nèi)場，若該定位坐標(biāo)在內(nèi)場，則將該坐標(biāo)作為最終定位結(jié)果輸出。此外，還有一種特殊情況，即當(dāng)沖擊源位于內(nèi)場與外場的交界處附近時(shí)，由于兩種對(duì)某一點(diǎn)的定位均存在誤差而導(dǎo)致波束聚焦的定位結(jié)果顯示在內(nèi)場，而四點(diǎn)圓弧的定位結(jié)果在外場。即兩種定位方法均不能給出定位結(jié)果，此時(shí)由于此處未處于波束聚焦算法的盲區(qū)，而由大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可有波束聚焦的定位精度稍高于四點(diǎn)圓弧定位方法，所以此處選用波束聚焦的定位坐標(biāo)1作為最終的定位結(jié)果輸出。

圖6 兩種理論結(jié)合定位算法流程圖

2.1 基于廣義互相關(guān)函數(shù)的時(shí)延估計(jì)方法

要實(shí)現(xiàn)對(duì)沖擊源的準(zhǔn)確定位，就必須精確求出各路傳感器的波達(dá)時(shí)間[12]或者相對(duì)的時(shí)延。小波變換與互相關(guān)函數(shù)法是常用的幾種時(shí)延估計(jì)方法之一，本文采用了一種基于小波變換和廣義互相關(guān)分析相結(jié)合的時(shí)延估計(jì)方法[13]，相比于傳統(tǒng)的互相關(guān)方法廣義互相關(guān)首先要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，提取出信噪比較高的信號(hào)再進(jìn)行互相關(guān)處理，本文采用時(shí)頻分辨率較高的Gabort小波函數(shù)[14]對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，有效提高了估計(jì)精度。

2.1.1 Gabor小波變換

廣義互相關(guān)方法首先要對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行濾波處理，而聲發(fā)射信號(hào)是一種非平穩(wěn)的隨機(jī)信號(hào)，具有瞬態(tài)性、突發(fā)性及隨機(jī)性等特點(diǎn)，并且具有較多的頻率和模式。因此要求聲發(fā)射信號(hào)的濾波技術(shù)要具有時(shí)頻分析能力，可以清楚地描述信號(hào)頻率隨時(shí)間變化的關(guān)系[15-16]。而Gabor函數(shù)可以提供最佳的時(shí)頻分辨率[17]，首先經(jīng)過頻譜分析得到主要能量所在的區(qū)間即主頻信號(hào)所在區(qū)間，其次采用Gabor小波對(duì)信號(hào)進(jìn)行變時(shí)窗分析，濾掉不相關(guān)的頻率信息，提取出所需的主頻信號(hào)所在的時(shí)域信息[18]。

給定K個(gè)沖擊位置采集數(shù)據(jù)，每個(gè)位置由五個(gè)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)送給上位機(jī)，得到的沖擊響應(yīng)信號(hào)組成了信號(hào)矩陣mi=(xi1,xi2,…，xi5),i=1,2,…,k，作為沖擊樣本信號(hào)。

經(jīng)過小波變換后得到的主頻信號(hào)包絡(luò)為mi=(xi1,xi2,…，xi5),i=1,2,…,k。其中小波變換表達(dá)式為：

(8)

其Fourier變換為：

(9)

2.1.2 廣義互相關(guān)求取時(shí)間延遲參數(shù)

(10)

2.2 定位算法

二維波束聚焦定位算法當(dāng)中的關(guān)鍵即為聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)間延遲，經(jīng)過基于小波變換和廣義互相關(guān)分析相結(jié)合的時(shí)延估計(jì)方法之后，得到外圍傳感器與中心傳感器聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)間延遲。將得到的時(shí)間延遲首先經(jīng)過二維波束聚焦算法的公式(4)、(5)得到定位坐標(biāo)。上文提到二維波束聚焦算法在內(nèi)場存在定位盲區(qū)(如圖5所示)，即存在內(nèi)場定位不準(zhǔn)確以及無法定位問題，此時(shí)應(yīng)當(dāng)對(duì)該定位坐標(biāo)進(jìn)行判斷，如果定位坐標(biāo)在十字傳感器布置的外場，則所得坐標(biāo)為最終所需定位坐標(biāo)。而如果該定位坐標(biāo)在傳感器布置區(qū)域的內(nèi)場或未輸出定位坐標(biāo)，則認(rèn)為其定位結(jié)果不準(zhǔn)確，采用四點(diǎn)圓弧定位公式(6)、(7)對(duì)沖擊位置進(jìn)行計(jì)算，得到最終沖擊損傷的定位坐標(biāo)并輸出。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)

本文對(duì)基于十字陣列傳感器的波束聚焦沖擊定位算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成如圖7所示，采用了飛機(jī)中常用的LY12-CZ的航空鋁材平板(100 cm×100 cm×0.25 cm),四邊采用螺釘固支[19]。結(jié)構(gòu)中的PZT傳感器布置如圖7所示，在圖示坐標(biāo)原點(diǎn)處黏貼一個(gè)PZT,x軸與y軸的正負(fù)半軸距坐標(biāo)原點(diǎn)20 cm處各黏貼一個(gè)PZT。結(jié)構(gòu)沖擊能量通過斷鉛進(jìn)行標(biāo)定。信號(hào)采集系統(tǒng)采用PicoScope-4824示波器進(jìn)行信號(hào)采集。

圖7 傳感器黏貼示意圖

3.2 波速測量與沖擊信號(hào)分析

本方法中波速測量的準(zhǔn)確性是影響定位精度的重要因素[20]，由于實(shí)驗(yàn)板材各向同性，在前面二維光束聚焦理論中假設(shè)了波速為恒定值[21]。在距離傳感器6～40 cm的范圍上每隔4 cm選取一個(gè)點(diǎn)，共選取九個(gè)點(diǎn)進(jìn)行波速標(biāo)定。標(biāo)定結(jié)果顯示：波速穩(wěn)定在1 580 m/s左右，取其九個(gè)數(shù)據(jù)平均值1 582.25 m/s作為定位算法中的標(biāo)準(zhǔn)波速進(jìn)行定位計(jì)算。在如圖7所示沖擊位置6處進(jìn)行斷鉛實(shí)驗(yàn)，傳感器接收到的信號(hào)如圖9所示,由于存在板面的振動(dòng)導(dǎo)致有低頻噪聲存在，對(duì)其進(jìn)行高通濾波可以去除其帶來的低頻噪聲，濾波后信號(hào)如圖10所示。對(duì)進(jìn)過濾波后的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，如圖11所示。

圖8 沖擊系統(tǒng)示意圖

圖9 原始信號(hào)時(shí)域圖

圖10 濾波后信號(hào)時(shí)域圖

本文采用基于廣義互相關(guān)的方法提取信號(hào)的時(shí)延參數(shù)，其第一步需要濾波提取出主要能量所在區(qū)間信號(hào)，由信號(hào)頻譜圖可見信號(hào)的主要能量分布在0～80 kHz，且在20～40 kHz之間能量最為集中，所以本文以30 kHz作為信號(hào)的中心頻率對(duì)信號(hào)采用Gabor小波進(jìn)行變時(shí)窗分析提取特征值。Gabor小波變換后取其包絡(luò)線如圖11所示，可以很清晰的看出各個(gè)信號(hào)存在時(shí)間延遲，但由于噪聲不可能完全消除，一些殘余的于主頻相近的噪聲可能會(huì)導(dǎo)致小波變換得到的包絡(luò)線出現(xiàn)峰值偏移現(xiàn)象，此時(shí)本文采用互相關(guān)算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。如圖12中峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間值為兩路信號(hào)的時(shí)間延遲。

圖11 信號(hào)頻譜圖

圖12 Gabor小波包絡(luò)線

其時(shí)延如表1所示。

表1 互相關(guān)得到時(shí)間延遲

圖13 廣義互相關(guān)求取時(shí)延遲

3.3 沖擊定位結(jié)果分析

本文沖擊實(shí)驗(yàn)斷鉛點(diǎn)取如圖7所示星號(hào)所在位置，其中1、2、3、9、10、11位于坐標(biāo)軸；9、10、11、12位于內(nèi)場的二維陣列盲區(qū)，十二個(gè)點(diǎn)平均分布在四個(gè)象限。

對(duì)以上十二個(gè)點(diǎn)進(jìn)行沖擊定位實(shí)驗(yàn)研究，首先將互相關(guān)處理后得到的時(shí)間延遲先經(jīng)過辨象環(huán)節(jié)分辨出其位于哪個(gè)坐標(biāo)區(qū)域；其次通過二維波束聚焦算法的公式(4)、(5)對(duì)沖擊位置進(jìn)行計(jì)算，如果定位坐標(biāo)在十字傳感器布置的外場，則輸出該定位坐標(biāo)。再次，如果定位坐標(biāo)在十字傳感器布置的外場，則認(rèn)為該定位坐標(biāo)不準(zhǔn)確，此時(shí)利用四點(diǎn)圓弧定位公式(6)、(7)計(jì)算得到最終的沖擊損傷定位坐標(biāo)。沖擊定位結(jié)果如表2所示，其中時(shí)間延遲中(2-1，…)代表傳感器2與穿傳感器1之間的時(shí)間延遲。由表2可見在外場隨著沖擊源與傳感器陣列距離的增加，相對(duì)誤差逐步擴(kuò)大，其相對(duì)誤差由計(jì)算所得坐標(biāo)與實(shí)際沖擊點(diǎn)之間的距離和實(shí)際沖擊點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)之間的距離相比得到。從而在全板材實(shí)現(xiàn)了較為準(zhǔn)確的沖擊定位。

表2 沖擊定位結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:采用十字陣列型的傳感器布置方法可以通過二維波束聚焦算法對(duì)在外場對(duì)實(shí)驗(yàn)構(gòu)件進(jìn)行比較準(zhǔn)確的定位，交叉排列的傳感器可以將外場的盲區(qū)去除；在內(nèi)場通過四點(diǎn)圓弧定位方法對(duì)二維波束聚焦算法進(jìn)行彌補(bǔ)，增加了定位面積。從而實(shí)現(xiàn)了通過布置少量傳感器監(jiān)測大面積結(jié)構(gòu)范圍的沖擊損傷的目標(biāo)。

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于十字陣列型傳感器布置的二維波束聚焦沖擊定位算法，可以實(shí)現(xiàn)大面積、高精度的結(jié)構(gòu)沖擊損傷監(jiān)測，同時(shí)集約化的傳感器布置大大提高了傳感器的使用效率。采用基于小波理論的廣義互相關(guān)方法可以更加準(zhǔn)確的求取出傳感器采集到的聲發(fā)射信號(hào)之間的時(shí)延參數(shù)，使得后續(xù)的定位算法求取的坐標(biāo)更加精確。提出二維波束聚焦算法采用縱向與橫向交叉布置傳感器大大增加了有效定位區(qū)域,減少了定位盲區(qū)，并且采用四點(diǎn)圓弧定位算法對(duì)內(nèi)場有限的盲區(qū)進(jìn)行沖擊損傷定位，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)大結(jié)構(gòu)區(qū)域的有效沖擊損傷監(jiān)測。通過針對(duì)大型航空鋁板的沖擊監(jiān)測實(shí)驗(yàn)研究，證明了該方法具有較高的沖擊定位精度和較好的可靠性，傳感器集約化布置具有一定的經(jīng)濟(jì)性，定位算法高效，具有一定的實(shí)用性。