時(shí)間反轉(zhuǎn)在列車(chē)轉(zhuǎn)向架聲發(fā)射源定位中的應(yīng)用

胡 聰，吳 瓊，李秋鋒，盧 超，何才厚

（1.無(wú)損檢測(cè)與光電傳感技術(shù)及應(yīng)用國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330063；

2.南昌航空大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330063；3.江西省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院鷹潭分院，江西 鷹潭 335000）

時(shí)間反轉(zhuǎn)在列車(chē)轉(zhuǎn)向架聲發(fā)射源定位中的應(yīng)用

胡 聰1，2，吳 瓊1，2，李秋鋒1，2，盧 超1，2，何才厚3

（1.無(wú)損檢測(cè)與光電傳感技術(shù)及應(yīng)用國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330063；

2.南昌航空大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330063；3.江西省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院鷹潭分院，江西 鷹潭 335000）

針對(duì)高速列車(chē)轉(zhuǎn)向架的動(dòng)態(tài)檢測(cè)提出一種新的損傷聲源定位方法，采用聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)向架易損傷的焊接部位進(jìn)行時(shí)間反轉(zhuǎn)定位方法研究。首先利用有限元軟件建立轉(zhuǎn)向架焊接部位結(jié)構(gòu)有限元模型；然后在模型上模擬發(fā)出一個(gè)聲發(fā)射損傷信號(hào)，通過(guò)預(yù)置的聲發(fā)射傳感器接收聲發(fā)射源信號(hào)；最后根據(jù)時(shí)間反轉(zhuǎn)聚焦原理對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行處理，并通過(guò)檢測(cè)區(qū)域成像，確定損傷聲發(fā)射源的準(zhǔn)確位置。數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該定位方法能夠準(zhǔn)確定位聲源位置，定位結(jié)果比常規(guī)四點(diǎn)圓弧法更精確。

轉(zhuǎn)向架；聲發(fā)射；時(shí)間反轉(zhuǎn)；損傷定位

0 引 言

列車(chē)轉(zhuǎn)向架是機(jī)車(chē)的走行部分，承擔(dān)將列車(chē)牽引和制動(dòng)力傳遞到車(chē)輪上的任務(wù)，此外還需支承列車(chē)廂體運(yùn)行，是機(jī)車(chē)最重要的承載結(jié)構(gòu)之一，它的性能決定著機(jī)車(chē)的穩(wěn)定性、舒適性和安全性，轉(zhuǎn)向架零部件的連接一般是通過(guò)焊接完成[1-2]。目前對(duì)轉(zhuǎn)向架的檢測(cè)大都是在靜態(tài)情況下完成的，通常耗時(shí)費(fèi)力，也給車(chē)輛的正常使用帶來(lái)了極大的不便[3]。

聲發(fā)射實(shí)質(zhì)是一種力學(xué)現(xiàn)象，是應(yīng)力波產(chǎn)生、傳播和接收的過(guò)程，是指材料在外部或內(nèi)部應(yīng)力的作用下，在局部產(chǎn)生微觀形變而迅速釋放能量，并在材料內(nèi)部以彈性波形式傳播的一種現(xiàn)象，這種檢測(cè)技術(shù)作為一種成熟的無(wú)損檢測(cè)方法，已得到了廣泛應(yīng)用[4-5]。聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)是一種動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，即無(wú)損檢測(cè)是在構(gòu)件或材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)損傷處于變化的整個(gè)過(guò)程中完成，產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)實(shí)際上是由損傷本身發(fā)出，因此相比于其他檢測(cè)方法，它能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，在裂紋發(fā)展的開(kāi)始階段即可發(fā)現(xiàn)損傷缺陷位置，并判斷轉(zhuǎn)向架中缺陷的活性和嚴(yán)重性[6-7]。而采用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)目前還未見(jiàn)報(bào)道。

在聲發(fā)射檢測(cè)中，聲發(fā)射源定位是一個(gè)重要的方面，在以往的聲源定位中主要是通過(guò)時(shí)差定位法完成，而為了提供定位精度，通常對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，提高信噪比，然后用四點(diǎn)圓弧法對(duì)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(guò)程非常復(fù)雜。檢測(cè)信號(hào)在進(jìn)行時(shí)間反轉(zhuǎn)處理后，可使損傷信號(hào)在空間上和時(shí)間上重新獲得聚焦，特定各反射信號(hào)可同時(shí)同相到達(dá)聚焦點(diǎn)，且信號(hào)能量也將同樣匯聚到該聚焦點(diǎn)，從而達(dá)到損傷缺陷定位的目的[11]。因此對(duì)定位方法的研究，有著重大的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

本文采用CRH2轉(zhuǎn)向架作為研究對(duì)象，為H型構(gòu)架，它主要由側(cè)梁、橫梁、縱向連接梁、空氣彈簧支承梁、制動(dòng)吊座、定位臂座等組成[12]。通過(guò)仿真聲發(fā)射信號(hào)在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架中的傳播，采集其損傷聲發(fā)射信號(hào)，并將其時(shí)間反轉(zhuǎn)后在對(duì)應(yīng)的傳感器重新激發(fā)出去，使得信號(hào)在損傷聲源處的時(shí)間和空間上獲得聚焦而達(dá)到缺陷定位的目的。

1 聲發(fā)射源時(shí)間反轉(zhuǎn)的基本原理

時(shí)間反轉(zhuǎn)是聲波互易性原理的一種應(yīng)用，通過(guò)時(shí)間反轉(zhuǎn)可以在空間和時(shí)間上將聲波能量聚焦，從而重構(gòu)聲源信號(hào)，實(shí)現(xiàn)聲源定位。這種方法最早是由Fink教授從光學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域?qū)r(shí)間反轉(zhuǎn)應(yīng)用到聲學(xué)領(lǐng)域，同時(shí)進(jìn)行了大量的研究工作，是一種不需要介質(zhì)和傳感器性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的先驗(yàn)知識(shí)就可實(shí)現(xiàn)聲波自適應(yīng)聚焦和檢測(cè)的方法[13-14]。

按照信號(hào)傳播理論，在聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)中每條信號(hào)傳播路徑上的傳感器和傳播路徑即為一個(gè)信號(hào)傳輸系統(tǒng)，在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的任何聲發(fā)射信號(hào)P（w）經(jīng)過(guò)傳播路徑后，被傳感器接收后信號(hào)S（w）可在頻域上用下式表示：

式中H（r，w）為傳輸系統(tǒng)的路徑傳遞函數(shù)。將該信號(hào)在時(shí)間域反轉(zhuǎn)，也就是等效于在頻域內(nèi)取共扼，令X（w）為S（w）的復(fù)共軛，則時(shí)反響應(yīng)信號(hào)為

根據(jù)聲波互易性原理，對(duì)于傳感器、傳播路徑和聲源確定的傳播系統(tǒng)，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(shù)[15]。因此將時(shí)間反轉(zhuǎn)后的信號(hào)X（w）在對(duì)應(yīng)的傳感器上反向加載，則在聲源處可獲得時(shí)反信號(hào)Z（w）為

式中：H（r，w）、H*（r，w）——實(shí)、偶、正函數(shù)，通過(guò)

同相疊加將得到主峰值；

P*（w）——聲源信號(hào)的共軛信號(hào)。

對(duì)比式（1）和式（3）可以看出，對(duì)同一聲源信號(hào)P（w），Z（w）中信號(hào)主峰通過(guò)疊加增強(qiáng)，其突出程度要比S（w）中的更顯著。當(dāng)擴(kuò)展到多個(gè)傳感器同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)聲源信號(hào)在相應(yīng)損傷處聚焦增強(qiáng)，這就是時(shí)間反轉(zhuǎn)聚焦的基本原理。

聲發(fā)射時(shí)反聚焦定位原理如圖1所示。在聲源位置處聲波通過(guò)傳播介質(zhì)傳播一定形式的波形，這些信號(hào)被各個(gè)傳感器所接收；然后將這些接收到的信號(hào)進(jìn)行時(shí)間反轉(zhuǎn)，并在各自對(duì)應(yīng)的傳感器上同時(shí)加載，這些信號(hào)將會(huì)同時(shí)同相到達(dá)波源處，使得信號(hào)在波源處形成聚焦；最后將聚焦時(shí)刻上各個(gè)時(shí)反信號(hào)幅值用圖像顯示出來(lái)，即將各點(diǎn)信號(hào)幅值通過(guò)圖像矩陣中各像素點(diǎn)的像素值表示，則信號(hào)在聚焦時(shí)刻的波動(dòng)圖可以用圖像的方法顯示出來(lái)，則圖像最亮處就是信號(hào)聚焦處，即為聲源位置[16-17]。

圖1 時(shí)間反轉(zhuǎn)定位原理圖

2 仿真實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果

利用ABAQUS中的CAE模塊建立高速列車(chē)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的主要受力部分有限元模型，包括側(cè)梁、橫梁、以及縱向連接梁，這3個(gè)部位的材料均設(shè)置為耐候鋼。由于構(gòu)架上最薄弱即最易受損的地方在焊接接頭區(qū)域，而檢測(cè)整體構(gòu)架都是在焊接接頭區(qū)域布置傳感器進(jìn)行區(qū)域監(jiān)測(cè)，每一個(gè)區(qū)域都是獨(dú)立完成，相互不影響，所以這里僅取一個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域來(lái)進(jìn)行定位研究?？紤]到立體建模的運(yùn)算復(fù)雜和硬件執(zhí)行能力，研究?jī)H采用檢測(cè)平面來(lái)進(jìn)行仿真。仿真是在橫梁和縱向連接梁的焊接接頭區(qū)域模擬激勵(lì)一個(gè)聲發(fā)射信號(hào)，仿真整體效果云圖如圖2所示，由于衰減原因，信號(hào)主要能量在監(jiān)測(cè)區(qū)域附近，如圖中顏色變化區(qū)域。本次定位算法研究實(shí)際是在這個(gè)區(qū)域布置傳感器，接收模擬損傷聲發(fā)射信號(hào)，然后通過(guò)時(shí)間反轉(zhuǎn)方法實(shí)現(xiàn)聲源反演定位。

圖2 構(gòu)架焊接區(qū)域聲發(fā)射仿真效果云圖

實(shí)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(guò)S1點(diǎn)為縱坐標(biāo)，過(guò)S2點(diǎn)為橫坐標(biāo)，則4個(gè)傳感器坐標(biāo)分別為（0，80）、（60，0）、（120，80）、（60，160），同時(shí)考慮到焊道有一定的厚度，因此將損傷缺陷位置設(shè)為（40，75）。假設(shè)聲源信號(hào)的峰值在t0時(shí)刻到達(dá)，信號(hào)被最后一個(gè)傳感器接收完成的時(shí)刻為 tm，則令tw≥tm，取（tw-t0）為時(shí)間窗口，對(duì)各傳感信號(hào)分別截取，并在時(shí)間窗內(nèi)分別進(jìn)行時(shí)間反轉(zhuǎn)可得到時(shí)反信號(hào)fn（n＝1，2，3，4）。根據(jù)時(shí)反原理，將反轉(zhuǎn)后的信號(hào)在對(duì)應(yīng)的傳感器上反向加載，以時(shí)反信號(hào)的開(kāi)始時(shí)刻為零時(shí)刻點(diǎn)，聚焦時(shí)刻tf為反轉(zhuǎn)信號(hào)停止加載時(shí)刻，通過(guò)控制聚焦時(shí)刻可以在損傷處實(shí)現(xiàn)信號(hào)的聚焦，其中tf=tw-t0。

圖3 傳感器布置及聲發(fā)射信號(hào)傳播仿真圖

根據(jù)實(shí)際鋼材中聲發(fā)射信號(hào)的頻率范圍，采用0.5MHz頻率的模擬聲發(fā)射信號(hào)如圖4所示。

4個(gè)傳感器得到的信號(hào)如圖5所示，從上到下分別為S1、S2、S3、S4得到的信號(hào)。對(duì)4個(gè)采集到的信號(hào)取絕對(duì)值，并采用希爾伯特變換求得其包絡(luò)線，如圖6所示。從圖中取出各反轉(zhuǎn)信號(hào)的峰值到達(dá)時(shí)刻，分別為1.132×10-5s，1.814×10-5s，1.862×10-5s，1.997× 10-5s。采用4點(diǎn)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(jù)聲波傳播原理，建立各時(shí)反信號(hào)在tf時(shí)刻的瞬態(tài)波動(dòng)圖。各點(diǎn)的波動(dòng)幅值由下式求得：

式中An為各信號(hào)補(bǔ)償放大系數(shù)，這里取歸一化系數(shù)?？紤]到時(shí)反信號(hào)中tijn時(shí)刻幅值即為原信號(hào)中ty時(shí)刻的幅值，其中：

圖4 缺陷信號(hào)圖

圖5 S1、S2、S3、S4接收到的傳感信號(hào)波形圖

圖6 S1、S2、S3、S4信號(hào)包絡(luò)圖

根據(jù)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(jié)果如圖7所示。采用不同閾值成像對(duì)比，80%的效果最佳，處理之后如圖8所示。從數(shù)據(jù)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(jì)算，定位誤差為1.25%。按照常規(guī)四點(diǎn)圓弧定位法計(jì)算結(jié)果為（43，74），同樣方法計(jì)算出定位誤差為3.37%。通過(guò)比較可以看出，采用時(shí)反定位結(jié)果更加精確。

圖7 時(shí)反成像圖

圖8 80%閾值化成像圖

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)高速列車(chē)轉(zhuǎn)向架動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)需要，采用聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)向架損傷聲發(fā)射源進(jìn)行定位研究。結(jié)合聲發(fā)射檢測(cè)特點(diǎn)和時(shí)間反轉(zhuǎn)理論，研究聲發(fā)射源定位方法。通過(guò)數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)，模擬聲發(fā)射源發(fā)出聲發(fā)射信號(hào)在轉(zhuǎn)向架中傳播，并利用傳感器陣列對(duì)信號(hào)進(jìn)行接收并進(jìn)行時(shí)間反轉(zhuǎn)處理，通過(guò)幅值疊加的方式計(jì)算得到的模擬損傷聲發(fā)射源位置，與常規(guī)四點(diǎn)圓弧定位法比較，該定位結(jié)果更準(zhǔn)確。

[1]張衛(wèi)華.高速轉(zhuǎn)向架技術(shù)的創(chuàng)新研究[J].中國(guó)工程科學(xué)，2009，11（10）：8－17.

[2]莫亞婧，李秋鋒，何才厚，等.Q345鋼拉伸及彎曲損傷裂紋聲發(fā)射監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)研究[J].南昌航空大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，29（1）：55-60.

[3]STEPANOVA L N，BOBROV A L，KABANOV S I. Enhancement of the acoustic-emission method use for diagnostics of rolling stock cast parts[J].Russian Journal of Nondestructive Testing，2010，46（1）：49-55.

[4]盧超，丁鵬，陳振華，等.不同拉伸速度下的碳布/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料聲發(fā)射評(píng)價(jià)[J].失效分析與預(yù)防，2012，7（1）：15－18.

[5]龍小江，李秋鋒，何才厚，等.起重機(jī)鋼梁疲勞特性聲發(fā)射監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)測(cè)試，2015，41（9）：11－15.

[6]廖傳軍，李學(xué)軍，劉德順.小波再分配尺度譜在聲發(fā)射信號(hào)特征提取中的應(yīng)用[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009，45（2）：273-279.

[7]馮劍飛，耿榮生，鄔冠華，等.機(jī)體飛行載荷疲勞試驗(yàn)中的聲發(fā)射特性分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，46（8）：6-11.

[8]沈功田，耿榮生，劉時(shí)風(fēng).聲發(fā)射源定位技術(shù)[J].無(wú)損檢測(cè)，2002，24（3）：114-118.

[9]張志強(qiáng)，張國(guó)勝，劉艷芳，等.斷鉛試驗(yàn)聲發(fā)射信號(hào)處理與損傷源定位研究[J].中國(guó)測(cè)試，2015，41（8）：18－22.

[10]張萍，朱佳.基于Gabor小波和閾值分析的聲發(fā)射源定位方法[J].壓電與聲光，2014，3（4）：531-535.

[11]蔡建，石立華，袁慎芳，等.一種基于寬帶激勵(lì)的虛擬時(shí)間反轉(zhuǎn)方法[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2011，32（1）：218-224.

[12]王文靜.動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架[M].北京：北京交通大學(xué)出版社，2012：1-8.

[13]WANG C H，ROSE J T，CHANG F K.A synthetic timereversal imaging method for structural health monitoring[J]. Smart Materials and Structures，2004（13）：415-423.

[14]FIN K M.Time reversal of ultrasonic fields Part I：basic principles[J].IEEE Transactions on Ultrasonics，F(xiàn)erroelectrics，and Frequency Control，1992，39（5）：555-566.

[15]王建斌，杜云朋，張軒碩.基于改進(jìn)時(shí)間反轉(zhuǎn)法的超聲導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建[J].中國(guó)測(cè)試，2014，40（2）：130－134.

[16]王強(qiáng)，袁慎芳.主動(dòng)Lamb波結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中信號(hào)增強(qiáng)與損傷成像方法[J].航空學(xué)報(bào)，2008，29（4）：1061-1067.

[17]于小濤，彭臨慧，郭雙樂(lè).粗糙海底波導(dǎo)中信號(hào)的時(shí)間反轉(zhuǎn)時(shí)空聚焦[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，42（7）：178-182.

（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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（11264032）；江西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（20122BAB201024）；國(guó)家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃項(xiàng)目（2013zjjz180）；航空科學(xué)基金項(xiàng)目（2014ZD56007）；上海航天科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目（SAST201364）；江西省教育廳科技項(xiàng)目（GJJ14530）；無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目（ZD201429002）

胡 聰（1989-），男，湖北武漢市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)槌暀z測(cè)技術(shù)。

吳 瓊（1976-），男，江西南昌市人，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要從事材料的力學(xué)性能檢測(cè)、無(wú)損檢測(cè)及檢測(cè)信號(hào)處理等方面的研究。