基于時(shí)差收斂算法的聲發(fā)射源定位方法

張延兵,宋高峰,朱 峰

(1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院南通分院, 南通 226011;2.東南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 南京 211189)

基于聲發(fā)射(AE)信號(hào)到達(dá)時(shí)差的定位計(jì)算是聲發(fā)射檢測(cè)中最為常用的定位方法，其主要原理為將聲發(fā)射信號(hào)超過(guò)信號(hào)采集門檻值時(shí)聲發(fā)射信號(hào)到達(dá)傳感器的時(shí)刻作為參與定位計(jì)算的起始時(shí)刻，進(jìn)而獲取聲發(fā)射源的準(zhǔn)確位置坐標(biāo)[1]。此種定位方法，在傳感器信噪比較低、聲發(fā)射信號(hào)在介質(zhì)中的距離衰減、實(shí)際構(gòu)件中不同方向聲波傳輸速率的差異、結(jié)構(gòu)不連續(xù)帶來(lái)的波形畸變等諸多因素的綜合作用下，數(shù)據(jù)采集門檻設(shè)定值與檢測(cè)儀器靈敏度間會(huì)出現(xiàn)不匹配而引起較大的定位誤差。針對(duì)上述問(wèn)題，筆者嘗試采用一種基于收斂算法的AE源定位方法，通過(guò)對(duì)基于聲發(fā)射信號(hào)到達(dá)時(shí)刻的定位結(jié)果進(jìn)行循環(huán)迭代計(jì)算，使得可以參與某聲發(fā)射事件定位計(jì)算的各定位組重構(gòu)的位置坐標(biāo)，越來(lái)越接近收斂于同一點(diǎn)(或區(qū)域)，并最終實(shí)現(xiàn)理想精度的定位結(jié)果。

1 延時(shí)對(duì)算法定位精度的影響

傳統(tǒng)的聲發(fā)射激勵(lì)響應(yīng)時(shí)間測(cè)量方法主要采用門檻分析法[2-3]，即根據(jù)材料的塑形特性、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)環(huán)境(如噪聲)、檢測(cè)儀器配置、加載方式等因素綜合選取檢測(cè)門檻值，最終將傳感器獲取的信號(hào)第一次超過(guò)門檻的時(shí)間，作為AE信號(hào)首次被接收的時(shí)刻，并據(jù)此計(jì)算各通道采集到的聲發(fā)射信號(hào)到達(dá)時(shí)差。在實(shí)際的計(jì)算過(guò)程中，閾值電平的設(shè)置會(huì)直接影響到最終聲發(fā)射源定位結(jié)果的精度。為分析此問(wèn)題，以聲發(fā)射中較為直觀的線定位試驗(yàn)進(jìn)行論證分析，將傳感器S1、S2相距100 mm成直線布置，并在兩個(gè)傳感器之間的P點(diǎn)進(jìn)行激勵(lì)，P點(diǎn)與S1距離為70 mm。

圖1和圖2為S1、S2采集到的聲發(fā)射信號(hào)波形，分別記為x1和x2。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境及試件材料選取檢測(cè)門檻值為0.019 96 V，此時(shí)兩個(gè)傳感器測(cè)得的信號(hào)到達(dá)時(shí)差為9μs;當(dāng)調(diào)整檢測(cè)門檻值為0.034 0 V時(shí),兩個(gè)傳感器測(cè)得的信號(hào)到達(dá)時(shí)差為11μs。依據(jù)上述數(shù)據(jù)計(jì)算信號(hào)源的位置,所得的定位結(jié)果如表1所示。

圖1 聲發(fā)射波形圖(門檻值為0.019 95 V)

圖2 聲發(fā)射波形圖(門檻值為0.033 9 V)

表1 聲發(fā)射線定位結(jié)果分析

從表1可見(jiàn)，信號(hào)采集門檻的差異，導(dǎo)致定位源位置出現(xiàn)了較大的偏差，相對(duì)于定位組最遠(yuǎn)兩個(gè)傳感器間距100 mm，其比例已近7.5%，這顯然不符合NB/T 47013.9-2015 《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第9部分 聲發(fā)射檢測(cè)》中5%的要求。通過(guò)以上分析可知，采集門檻的選擇稍微有所不同都會(huì)導(dǎo)致定位精度的較大偏差，而采集門檻的選擇受到諸多因素影響，例如：傳感器所處位置的環(huán)境噪聲、結(jié)構(gòu)類型、距離加載位置的遠(yuǎn)近等，在實(shí)際的檢測(cè)中不可避免會(huì)選擇適宜的信號(hào)采集門檻閾值，而這些微秒級(jí)別的誤差，也會(huì)大大影響定位的精度。

為解決門檻閾值差異對(duì)于傳感器時(shí)差獲取的影響，也可以采用互相關(guān)算法[4]，其主要的原理為：對(duì)于相同的聲發(fā)射事件，無(wú)論被多少個(gè)傳感器接收，其信號(hào)在特性上具有很強(qiáng)的匹配程度，唯有信號(hào)在傳播時(shí)會(huì)出現(xiàn)不同程度的衰減或信號(hào)模式變化，因此可以通過(guò)對(duì)其在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算，以確定信號(hào)相對(duì)于不同采集通道的到達(dá)時(shí)間，進(jìn)而計(jì)算聲發(fā)射源的精確位置。此種方法在細(xì)長(zhǎng)型結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用效果較好，但在面積結(jié)構(gòu)、大型體積型結(jié)構(gòu)，尤其是復(fù)雜結(jié)構(gòu)件中，結(jié)構(gòu)的不連續(xù)和材料的各項(xiàng)異性會(huì)使得聲發(fā)射信號(hào)在傳播過(guò)程中產(chǎn)生大量反射、散射、波形畸變與疊加效應(yīng)等，信號(hào)特征相較于原始波形也就產(chǎn)生非常大的差異，此時(shí)簡(jiǎn)單通過(guò)相關(guān)計(jì)算時(shí)差的方法就失去了作用。對(duì)于此問(wèn)題也有通過(guò)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解、小波分析[5]等方法提取有效聲源信號(hào)的缺陷特征頻段進(jìn)行重構(gòu)后，再進(jìn)行互相關(guān)分析獲取時(shí)差，從而提高聲發(fā)射源定位精度計(jì)算結(jié)果的有效性[6]，但實(shí)際的工程應(yīng)用效果還不是很理想。

2 收斂算法的聲發(fā)射源定位方法

為測(cè)試收斂算法的聲發(fā)射源定位方法，選取4個(gè)傳感器進(jìn)行試驗(yàn)，分別記為S1，S2，S3和S4，在某一區(qū)域進(jìn)行一個(gè)信號(hào)激勵(lì)，假定S2，S4，S3號(hào)傳感器相對(duì)于S1號(hào)傳感器的時(shí)差為T(Δt1,Δt2,Δt3)。將4個(gè)傳感器中每任意3個(gè)作為一個(gè)定位組，得到4組定位數(shù)據(jù)，其編組信息如表2所示。

表2 傳感器編組信息

圖3 聲發(fā)射源定位點(diǎn)區(qū)域圖

進(jìn)而,可通過(guò)此次試驗(yàn)結(jié)果中4組定位的中心位置L反求出理想定位目標(biāo)點(diǎn)的時(shí)差T′(Δ1,Δ2,Δ3)，如式(1)所示。

Δ1=(R2-R1)/v

(1)

式中:R1、R2、R3、R4為目標(biāo)中心點(diǎn)L到每個(gè)傳感器的距離(見(jiàn)圖4)；v為波速。

圖4 聲發(fā)射傳感器布置圖

(2)

式中：Δt為修正步長(zhǎng)，一般為0.050.5μs。

以此可類推修正Δt2,Δt3的值，最后依據(jù)修正后的Δt1,Δt2,Δt3，用三角定位算法重新計(jì)算，得到新的4組聲發(fā)射源定位L1,L2,L3和L4。重復(fù)上述步驟，直至四邊形L1L2L3L4越來(lái)越收斂，最終接近于同一個(gè)區(qū)域。在此計(jì)算過(guò)程中，以四邊形L1L2L3L4的邊長(zhǎng)和作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，即：

F(T)=d(L1,L2)+d(L2,L3)+

d(L3,L4)+d(L1,L4)

(3)

式中:d(L1,L2)為L(zhǎng)1與L2之間的距離;d(L2,L3)、d(L3,L4)和d(L1,L4)分別為L(zhǎng)2與L3，L3與L4，L1與L4之間的距離。

通過(guò)循環(huán)迭代計(jì)算，使F(T)函數(shù)漸趨收斂直至穩(wěn)定，此時(shí)即可認(rèn)為該算法在多定位組條件下重構(gòu)的聲發(fā)射源位置坐標(biāo)最為理想且誤差最小。算法的具體流程如圖5所示。

3 斷鉛試驗(yàn)及分析

3.1 試驗(yàn)過(guò)程

為了從試驗(yàn)角度驗(yàn)證基于收斂算法的AE源定位方法的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)制造了一塊正方形鋼試板進(jìn)行測(cè)試，傳感器位置陣列如圖6(a)所示，其坐標(biāo)(單位為mm,下同)分別為(0，0)，(140，0)，(140，140)和(0，140)。各采集通道靈敏度測(cè)試結(jié)果顯示響應(yīng)靈敏度在±4 dB之間，傳感器耦合性能良好。首先在試板上進(jìn)行4次斷鉛試驗(yàn)，坐標(biāo)分別為(40，40)，(40，100)，(100，100)和(100，40)，每個(gè)點(diǎn)測(cè)試5次。

圖6 聲發(fā)射源定位試驗(yàn)傳感器布置

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖7 3種方法的聲發(fā)射源定位圖

使用美國(guó)物理聲學(xué)公司PAC的AEWin聲發(fā)射采集系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)獲取到的聲發(fā)射檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理，得到各通道采集到的聲發(fā)射信號(hào)及相應(yīng)的到達(dá)時(shí)間及定位數(shù)據(jù)。為驗(yàn)證新的定位算法的準(zhǔn)確性以及其相對(duì)于傳統(tǒng)時(shí)差定位的優(yōu)勢(shì)，試驗(yàn)通過(guò)收斂算法的聲發(fā)射源定位算法對(duì)此次檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)迭代計(jì)算，以形成新的定位源位置，從而與原有時(shí)差計(jì)算的位置進(jìn)行比對(duì)。選擇4組傳感器進(jìn)行定位測(cè)試，對(duì)于同一聲發(fā)射源事件，每任意3組傳感器均可進(jìn)行獨(dú)立的定位計(jì)算，將試驗(yàn)定位結(jié)果與最小平方法聲發(fā)射源定位以及基于時(shí)差收斂算法計(jì)算的結(jié)果等三者進(jìn)行對(duì)比。表3為AEWin系統(tǒng)定位結(jié)果，表4為最小平方法定位計(jì)算結(jié)果，表5為基于收斂算法的定位計(jì)算結(jié)果。圖7為3種方法的聲發(fā)射源定位圖。

表3 AEWin聲發(fā)射源定位結(jié)果 mm

表4 最小平方法聲發(fā)射源定位結(jié)果 mm

表5 基于收斂算法的聲發(fā)射源定位結(jié)果 mm

由圖7可以看出，基于收斂算法的聲發(fā)射源定位方法獲取的定位事件的集中度更好，而其他方法由于定位精度的差異，定位事件的離散度較高；另一方面，從定位誤差(見(jiàn)表6)的均值和方差(與實(shí)際模擬聲發(fā)射源的真實(shí)位置進(jìn)行對(duì)比)也可以看出，基于收斂算法的源定位位置偏差明顯小于其他兩種方法的。而在實(shí)際的檢測(cè)環(huán)境中，設(shè)備的尺寸和結(jié)構(gòu)相對(duì)于試驗(yàn)試板的幾何參數(shù)更大，型式更復(fù)雜，必然導(dǎo)致時(shí)差獲取的誤差大大增加，進(jìn)而嚴(yán)重影響定位的精度。

表6 3種方法定位誤差結(jié)果比較

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)聲發(fā)射定位計(jì)算方法的不足導(dǎo)致定位精度下降的問(wèn)題，提出了一種基于收斂算法的聲發(fā)射源定位方法，并通過(guò)理論分析和試驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了該定位算法在解決多定位組過(guò)定位、復(fù)雜結(jié)構(gòu)、信號(hào)畸變、采集門檻差異、信號(hào)距離衰減等問(wèn)題時(shí)，比傳統(tǒng)時(shí)差定位具有更好的定位精度和定位源位置收斂的穩(wěn)定性。