[发明专利]适用于各向异性二维板的声发射源定位方法

摘要

本发明涉及一种适用于各向异性二维板的声发射源定位方法，属于声源定位技术领域。建立正方形传感器阵列，在三角时差法基础上，通过4‑8个传感器接收到的时差信息对声源进行定位，确定声源位置坐标。较传统的定位方法而言，本发明阵列结构简单，需要传感器数量少，所需空间较小，计算量少，不仅可以对各向同性板进行定位，而且同样适用于各向异性板，无需提前知道板内声速等特性信息，有效的提高了定位精度和速度，更加适合于二维板类结构的声源定位。本发明对声发射检测中的声源定位问题提出了新的方法，声发射检测技术是无损检测方法的重要途径之一，有助于及时发现损伤及潜在威胁，保障结构安全性。在汽车、航天、医学等领域有良好的应用前景。

主权项

1.一种适用于各向异性二维板的声发射源定位方法，包括如下步骤：步骤A，在二维直角坐标系中，用四个传感器S1、S2、S3、S4建立一组正方形传感器阵列；步骤B，记录并存储声源发出的声波信号到达传感器S1、S2、S3、S4的波形图；步骤C，通过波形图获得所需任意两个传感器的时差；一个声学源，即外物的影响或者因为裂纹的产生所形成的声波，通过二维板传播至传感器S1、S2、S3、S4的时间不同；一般在板结构表面生成的波是兰姆波；将兰姆波从声源传播至传感器S1、S2、S3、S4的时间用t1、t2、t3和t4表示；由于声学事件生成声波的准确时间T0是未知的，所以无法从到达传感器S1、S2、S3、S4的时刻T1、T2、T3和T4获得精准的传播时间t1、t2、T3和T4；但是，时差确是很容易获得的：tij＝ti‑tj＝(Ti‑To)‑(Tj‑T0)＝Tij尽管时刻Ti与Tj和时间ti与tj不同，但是他们的差Tij和tij确是一样的；通过对比传感器S1、S2、S3、S4接收到的来自声源的声信号波形，通过读取首波到达时间的不同，读取记录所需任意两个传感器接收到声信号的时差；如果板中的波速定义为c，传播距离定义为di，那么到达第i个传感器就应该有di＝c×ti，所以可以通过声波从第i个传感器到第j个传感器的时差得到从第i个传感器到第j个传感器的距离dij＝c×tij；步骤D，根据正方形传感器阵列定位原理，确定声源位置，步骤如下：步骤D‑1，用3个传感器建立L型传感器阵列，根据每两个传感器接收到声源发出的声信号的时差和传感器的空间关系，确定声波传播方向即一条声源所在的直线；在待检测板上，放置三个间距相等(d)且成等腰直角三角形传感器作为接收传感器，分别用S1、S2、S3表示；假设三个接收传感器S1、S2、S3的坐标(x1,y1),(x2,y2)和(x3,y3),则三个接收传感器的坐标关系是：x2＝x1+d,y2＝y1,x3＝x2和y3＝y2‑d；声源A的坐标是(xA,yA)；外界影响或裂缝形成的冲击作为声源，声源到第i个传感器的距离Si须远大于传感器之间的距离d；因此,AS1、AS2和AS3的斜率接近；所以将三个传感器接收到的信号除了时间转换看做相同，即使对于各向异性板,声源A到传感器S1，S2和S3方向上的波速也基本相同，c(θ)是在θ方向上的波速，角θ可以表示为：到达传感器S1后，声波到达S2和S3的时间定义为Δt12和Δt13，这两个时间延迟具有以下关系：从上面二式可以获得:故声速可知上面的式子由下面的考虑得出，可以清晰得到(AS2‑AS1)＝c(θ)×Δt12(AS3‑AS1)＝c(θ)×Δt13当声源远离传感器时三条线AS1、AS2和AS3可看成是平行的，P,Q分别是声源到达S1时与AS1和AS2的相交线，三角形S1S2P和三角形S1S3Q是全等三角形，故有波传播方向和在这个方向上的速度可由测量的实验数据Δt12和Δt13求得；步骤D‑2，在L型传感器阵列基础上增加一个传感器构成正方形传感器阵列，根据传感器接收到声源发出的声信号的时差和传感器空间关系，确定两条声源所在的直线，直线交点即为声源所在位置；由三个传感器构成的L型传感器阵列可以确定波的传播方向即一条声源所在的方向，基于这一特性，通过两组这样的传感器阵列即可获得声源所在位置，为了减少传感器数量及传感器所占的空间，将两组L型传感器阵列重叠放到一起，在传感器S3的左侧增加一个传感器S4(x4,y4)，布置成正方形阵列；则传感器S4空间坐标关系有x4＝x3‑d,y4＝y3；每三个形成L型的传感器阵列都可以通过时差获得一条声源所在的直线，对于传感器S1、S2、S4形成的L型传感器阵列可以通过时延Δt21和Δt24求得声波延S2的传播方向；同理，对于传感器S1、S3、S4形成的L型传感器阵列也可以通过时延Δt31和Δt34求得声波延S3的传播方向；通过由两个L型传感器阵列如S1、S2、S4和S1、S3、S4组成的正方形传感器阵列，由传感器接收到声信号的时差信息可以获得两条声源所在的直线的斜率α和β；就可以得到两条相交直线两条声源所在直线的交点就是声源的坐标；步骤E，在单组正方形传感器阵列基础上增加另外一个正方形传感器阵列增加声源定位的准确性。