一種基于時間反轉聚焦技術的聲發射源定位方法
【專利摘要】本發明公開一種基于時間反轉聚焦技術的聲發射源定位方法，通過將時間反轉理論引入了聲發射檢測技術中，利用時間反轉聚焦處理后的信號能在聲發射源處形成時間和空間上的聚焦和增強，達到精確定位效果。由于實際對傳感器反相加載信號在物理上很難實現，且聲發射檢測信號信噪比較低，根據時間反轉理論，利用信號與系統的描述方法，即將信號在介質中的傳播和接收過程通過公式描述出來，最終推導出時間反轉加載后各傳感器再次接收到的時反信號，并通過變換處理后，聲發射源反射位置可以得到增強，從而提高信噪比，實現聲發射源準確定位。
【專利說明】一種基于時間反轉聚焦技術的聲發射源定位方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及利用時間反轉對聲發射源進行準確定位，是屬于超聲無損檢測范圍的一種新的聲發射源定位方法。
【背景技術】
[0002]聲發射是指材料在外力或者內力的作用下，其中某一局部源會迅速釋放出能量而產生瞬態彈性波的一種現象。這種彈性波會包含該局部源的一些性質并傳播到材料表面，放置在材料表面的聲發射傳感器能夠撲捉到這些信息。而且根據所采集到信號的一些特點以及施加的外部條件，不僅可以了解缺陷現狀，還能夠了解這個缺陷之前的形成狀況，甚至判斷在之后的使用中發展的趨勢，這一點也是其它無損檢測方法難以做到的，所以用聲發射技術可以判斷缺陷的活動性和嚴重性。
[0003]在聲發射技術中，聲源的信號通常都比較微弱，而且信號本身也具有多樣性、突發性以及不確定性。要利用聲發射技術之前，這些弱點還需要得到克服，如聲發射由于是動態檢測，很容易受到各種噪聲的干擾，自身特性對材料也比較敏感，而且聲波在結構中的傳播過程也比較復雜，衰減、反射、模式轉換都會使傳感器接收到的信號與聲發射源發出的初始信號存在很大的不同，導致聲發射源識別的困難。在以往的很多情況中，利用聲發射技術對材料檢測和監測時，人們所感興趣的聲發射信號可能遠遠小于外部干擾的噪聲，加上聲發射源到傳感器之間的傳播路徑、傳感器本身的特性和聲發射檢測系統本身等多種因素的影響，最后接收到的聲發射信號往往是非常復雜而又雜亂的多模式波與噪聲的混疊。
[0004]聲發射源的定位方法主要有時差法和區域法，但這兩種方法都有著其局限性。時差定位雖然比較精確，但也相對復雜，而且容易丟失很多比較低能量的信號，定位的效果也會被波速、波形、衰減以及構件的幾何形狀等因素影響，因而在實際中往往得到的結果也不太滿意，同時也受到很多限制。區域定位雖然處理速度快，但是定位效果卻比較差，定位出來的是一片區域，準確性不夠，而且一般是在要求不高或者時差法較難應用的情況下使用。
[0005]時間反轉的優勢是不需要先了解傳播介質和傳感器自身性質，就可以針對聲波達到自適應聚焦和檢測的一種方法。正是由于它的這一特點，使得時間反轉在超聲聚焦以及檢測中得到了極大的發展和廣泛的應用，也被越來越多的人們所重視和關注。法國科學家馬蒂亞斯芬克是最早把時間反轉理論從光學領域引用到聲學領域的人，同時和他的研究團隊開展了大量的理論探討與實驗研究；研究水下物理的美國加州圣地亞哥大學比爾庫伯曼等人，利用真實的海洋環境，將時間反轉應用在水下通信領域中，通過應用研究以及實驗使得時間反轉方法在水下通信和聲納技術中都得到了應用。在國內，對時間反轉方法的應用研究相對較少，較早研究該方法的當屬中國科學院聲學研究所，研究所的汪承灝等人在固體中的自適應聚焦驗證工作中對時間反轉理論進行了引用，取得了一定的應用成果。

【發明內容】

[0006]本發明的目的是:針對聲發射源定位傳統方法的局限性，提出一種新的基于時間反轉聚焦技術的聲發射源定位方法，引入了時間反轉的聚焦增強功能，利用信號與系統的描述方法將信號在介質中的傳播和接收過程通過公式描述出來，推導出時間反轉加載后各傳感器再次接收到的時反信號，并通過變換處理后，聲發射源反射位置可以得到增強，從而提高信噪比，提高聲發射源定位的準確性和可靠性。
[0007]本發明的技術方案:利用聲發射檢測系統進行檢測，被檢測材料可以為不規則物體，實驗采用了長360_、寬240_、厚度12_的鋼制板材進行實驗。實驗時將儀器參數設置好，將傳感器按照對稱布置在檢測區域表面。利用鉛筆斷芯的方式在板材上模擬一個聲發射信號，該信號在板材中以聲波的方式傳播到傳感器處并被傳感器接收，將接收到的信號提取出來，利用改進的時間反轉方法處理這些信號并達到準確定位的效果；
利用改進的時間反轉達到增強信號信噪比的效果:假設聲發射源處發出的信號為DM ,第i個傳感器接收到的信號為Si(W)，令從聲源處到第i個傳感器的傳遞函數為
,這里的傳遞函數也包括壓電元件的機電耦合系數。那么芩(w)和U(W)有如下的關
系:
【權利要求】
1.一種基于時間反轉聚焦技術的聲發射源定位方法，其特征是利用時間反轉后的信號能在聲發射源處形成時間和空間上的聚焦達到定位效果，由于對傳感器反相加載信號在物理上很難實現，為了實現對檢測信號進行時間反轉聚焦處理和簡化實驗操作，同時為了提高聲發射信號的信噪比，利用信號與系統的描述方法，即將信號在介質中的傳播和接收過程通過公式描述出來，最終推導出時間反轉加載后各傳感器再次接收到的時反信號，并通過變換處理后，聲發射源反射位置可以得到增強，從而提高信噪比，實現聲發射源準確定位。
2.根據權利要求1所述的基于時間反轉聚焦技術的聲發射源定位方法，其特征是:具體方法是:利用聲發射檢測系統進行檢測，被檢測材料為不規則物體，檢測時將儀器參數設置好，將傳感器按照對稱布置在檢測區域表面，利用鉛筆斷芯的方式在板材上模擬一個聲發射信號，該信號在板材中以彈性波的方式傳播到傳感器處并被傳感器接收，將接收到的信號提取出來，利用如下方法處理這些接收信號: 利用改進的時間反轉達到增強信號信噪比的效果:假設聲發射源處發出的信號為i?(w),第i個傳感器接收到的信號為Sf(W)，令從聲源處到第i個傳感器的傳遞函數為 這里的傳遞函數也包括壓電元件的機電耦合系數，那么馬(W)和U(W)有如下的關系:
3.根據權利要求1所述的基于時間反轉聚焦技術的聲發射源定位方法，其特征是實驗采用的被檢測材料為長360mm、寬240mm、厚度12mm的鋼制板材。
【文檔編號】G01N29/14GK103941232SQ201410170605
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月26日 優先權日:2014年4月26日
【發明者】李秋鋒, 黃攀, 盧超, 劉志云 申請人:南昌航空大學