[发明专利]一种基于时间反转聚焦技术的声发射源定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及利用时间反转对声发射源进行准确定位，是属于超声无损检测范围的一种新的声发射源定位方法。

背景技术

声发射是指材料在外力或者内力的作用下，其中某一局部源会迅速释放出能量而产生瞬态弹性波的一种现象。这种弹性波会包含该局部源的一些性质并传播到材料表面，放置在材料表面的声发射传感器能够扑捉到这些信息。而且根据所采集到信号的一些特点以及施加的外部条件，不仅可以了解缺陷现状，还能够了解这个缺陷之前的形成状况，甚至判断在之后的使用中发展的趋势，这一点也是其它无损检测方法难以做到的，所以用声发射技术可以判断缺陷的活动性和严重性。

在声发射技术中，声源的信号通常都比较微弱，而且信号本身也具有多样性、突发性以及不确定性。要利用声发射技术之前，这些弱点还需要得到克服，如声发射由于是动态检测，很容易受到各种噪声的干扰，自身特性对材料也比较敏感，而且声波在结构中的传播过程也比较复杂，衰减、反射、模式转换都会使传感器接收到的信号与声发射源发出的初始信号存在很大的不同，导致声发射源识别的困难。在以往的很多情况中，利用声发射技术对材料检测和监测时，人们所感兴趣的声发射信号可能远远小于外部干扰的噪声，加上声发射源到传感器之间的传播路径、传感器本身的特性和声发射检测系统本身等多种因素的影响，最后接收到的声发射信号往往是非常复杂而又杂乱的多模式波与噪声的混叠。

声发射源的定位方法主要有时差法和区域法，但这两种方法都有着其局限性。时差定位虽然比较精确，但也相对复杂，而且容易丢失很多比较低能量的信号，定位的效果也会被波速、波形、衰减以及构件的几何形状等因素影响，因而在实际中往往得到的结果也不太满意，同时也受到很多限制。区域定位虽然处理速度快，但是定位效果却比较差，定位出来的是一片区域，准确性不够，而且一般是在要求不高或者时差法较难应用的情况下使用。

时间反转的优势是不需要先了解传播介质和传感器自身性质，就可以针对声波达到自适应聚焦和检测的一种方法。正是由于它的这一特点，使得时间反转在超声聚焦以及检测中得到了极大的发展和广泛的应用，也被越来越多的人们所重视和关注。法国科学家马蒂亚斯芬克是最早把时间反转理论从光学领域引用到声学领域的人，同时和他的研究团队开展了大量的理论探讨与实验研究；研究水下物理的美国加州圣地亚哥大学比尔库伯曼等人，利用真实的海洋环境，将时间反转应用在水下通信领域中，通过应用研究以及实验使得时间反转方法在水下通信和声纳技术中都得到了应用。在国内，对时间反转方法的应用研究相对较少，较早研究该方法的当属中国科学院声学研究所，研究所的汪承灏等人在固体中的自适应聚焦验证工作中对时间反转理论进行了引用，取得了一定的应用成果。

发明内容

本发明的目的是：针对声发射源定位传统方法的局限性，提出一种新的基于时间反转聚焦技术的声发射源定位方法，引入了时间反转的聚焦增强功能，利用信号与系统的描述方法将信号在介质中的传播和接收过程通过公式描述出来，推导出时间反转加载后各传感器再次接收到的时反信号，并通过变换处理后，声发射源反射位置可以得到增强，从而提高信噪比，提高声发射源定位的准确性和可靠性。

本发明的技术方案：利用声发射检测系统进行检测，被检测材料可以为不规则物体，实验采用了长360mm、宽240mm、厚度12mm的钢制板材进行实验。实验时将仪器参数设置好，将传感器按照对称布置在检测区域表面。利用铅笔断芯的方式在板材上模拟一个声发射信号，该信号在板材中以声波的方式传播到传感器处并被传感器接收，将接收到的信号提取出来，利用改进的时间反转方法处理这些信号并达到准确定位的效果；

利用改进的时间反转达到增强信号信噪比的效果：假设声发射源处发出的信号为                                                ，第i个传感器接收到的信号为，令从声源处到第i个传感器的传递函数为，这里的传递函数也包括压电元件的机电耦合系数。那么和有如下的关系：

                           (1)

将进行时间反转并在各自传感器加载，使得激发出去的这些信号能够在声源处实现时间和空间上的聚焦。时间反转处理就是在频域里做相共轭运算，推导出此时在声源处得到的信号：

                    （2）

式中其实就是对声源信号的时间反转聚焦的一个叠加，所以信号的波峰幅值能够得到一个增强。传播到各个传感器的信号可表达为：