[发明专利]一种基于双声发射传感阵列和波束形成的无需波速的声发射源定位方法

说明书

技术领域

本发明提供一种基于双声发射传感阵列和波束形成的无需波速的声发射源定位方法，它涉及一种工程结构无损检测方法，尤其涉及一种不需要波速的声发射源定位方法，属于声发射无损检测技术领域。

技术背景

各类装备广泛使用承载板或类板状（如壳体）结构，如飞机的机身、机翼和舱门、旋转翼飞机的机身和螺旋桨叶、舰船和潜艇的壳体、液体火箭燃料的储罐等。如果这类结构发生损伤将对装备整体性能产生不良影响，甚至导致灾难性的装备损毁和人员伤亡事故。工程中常用的各种无损检测方法均有其独特的应用领域和能够检测的敏感损伤类型，如磁粉检测受磁粉粒度的限制，只能检测具有一定开口宽度的表面裂纹；涡流方法只能检测表面和近表面损伤，对深埋裂纹不敏感；X射线的检测对象通常是体积型的损伤，且射线透照方向被检件的尺寸不能太大；超声回波方法既可以检测表面裂纹也可以检测深埋裂纹，但需要对结构进行扫描，检测效率较低，并且在检测闭合裂纹时可靠性不高。上述方法应用于板状结构损伤检测时均存在一定的局限性。这些方法均为局部无损检测方法，对大型结构，需要预先知道损伤的大概位置，或对结构的每一局部进行扫查，大多数情况下需要装备的某些功能停止运转，这对装备的维护来说是很不经济的。只能离线使用、检测过程过长的缺点导致这些方法不能满足突发事件后迅速查明结构状态、为维修保障及时提供决策依据的要求。因此，迫切需要发展新的无损检测理论和方法，以适应板状金属结构故障检测和预警的需求。

声发射(Acoustic Emission，简称AE)是指材料局部因能量的快速释放而发出瞬态弹性波的现象。声发射信号来自于损伤本身，因此它携带有结构内部损伤发展的信息，利用一定的手段（如元件）将声发射源产生的弹性波转换为电信号，通过对这些电信号进行分析便可以获得与声发射源有关的信息，如部位、类型和严重程度等，实现结构的损伤检测。一般来说，结构中出现微观损伤但尚未形成宏观破坏之前，声发射现象就比较明显，因此，这种方法具有很高的检测灵敏度。与其他无损检测方法相比，声发射检测技术在动态损伤监测与定位等方面具有潜在的优势：信号来源于检测对象本身，适合作为一种动态评估方法对检测对象进行动态评估和实时诊断；声发射检测方法对检测对象的实用性较好，它对被检对象的接近要求不高，同时对对象的几何形状不敏感；检测的覆盖面广，在一次试验过程中，只需要布置足够数量的传感器，声发射检验就能够整体探测和评价整个结构中活性缺陷的状态。

源定位技术是声发射技术研究的核心问题之一，其定位准确程度(也就是反映声源检测位置与真实位置的符合程度)是源定位技术的主要技术指标。目前，基于到达时间差定位声发射源是目前声发射定位的主要手段,在研究中也取得了良好的定位效果。但是时差定位法的定位精度在传播过程中会受到噪声、频散效应、能量衰减等因素影响，对到达时间的要求较高，而且在二维或三维大中型结构中采用时差定位法一般需要将传感器稀疏布置，可能对实施造成不便。波束形成法是基于传声器阵列测量的一种阵列信号处理方法，在通讯、声纳、噪声源识别、雷达和地震勘探等领域应用广泛。波束形成法在通讯、噪声等目标源定位方面相对于时差定位法具有较大的优势，例如传感器布置方便，受信道衰减量的影响不大，可以同时对多声源定位等。

波束形成法原理如图1所示，采用由一组在空间固定位置上分布的传声器组成的阵列对空间声场进行测量，通过对每个固定位置上的传声器测得的信号进行处理，以获得详细的声源信息。

当阵列聚焦到有限距离处的点声源时，入射声波为球面波，如图1所示。

阵列输出：