大型起重机械声发射动态监测定位方法探讨

何才厚李秋锋

（1.江西省特种设备检验检测研究院鹰潭分院 鹰潭 335000）

（2.无损检测技术教育部重点实验室（南昌航空大学） 南昌 330063）

大型起重机械声发射动态监测定位方法探讨

何才厚1李秋锋2

（1.江西省特种设备检验检测研究院鹰潭分院 鹰潭 335000）

（2.无损检测技术教育部重点实验室（南昌航空大学） 南昌 330063）

为了实现对大型起重机械声发射动态监测，利用时间反转原理，将采集到的信号进行时间反转，再施加到对应传感器上作为激励，在构件中激发的信号在声源中聚集，随机获取反映起重机械损伤状态特征参数，实时监测损伤及预测评估起重机械寿命。

声发射 时间反转 定位测试

声发射技术是根据材料或结构内部发出的应力波判断结构内部损伤程度的一种动态无损检测方法［1,2］，从20世纪50年代开始声发射技术被广泛应用于设备无损检测，在线监控等场合［3-5］。声发射的源定位技术是声发射技术研究的核心问题之一，其定位准确程度反映声源检测位置与真实位置的符合程度［6-8］。

根据多次实验：常规声发射源定位方法（不作阐述）具有一定的局限性和缺陷。笔者选择基于时间反转聚焦技术的声发射源定位方法，以克服起重机工作时各种声响带来的干扰，精确地实施大型起重机械声发射动态监测机理及寿命预测课题研究。

1 时间反转原理

时间反转（时反）是声互易性原理的应用之一，它可以使得能量在空间和时间上得到聚焦，从而得到声源的具体位置并对声源信号进行重建 。法国科学家芬克（Fink）最早将时间反转法由光学领域转向到声学领域中，同时展开了大量的理论和实验研究工作［9,10］。

根据信号与系统分析的思想，传感器、传播媒介构成了一个完整的信号传输系统，信号经过传输通道传播到传感器得到的信号频谱可表示为：

式中，H（r，w）为传输系统的通道传递函数。将该信号在时间域反转，也就是等效于在频域内取共扼，令X（w）为S（w）的复共轭，则时反响应信号为：

根据声波互易性原理,对于传感器、驱动器确定的结构，传感器和驱动器位置可以互易，具有相同的频率响应传递函数。因此分别将时间反转后的信号X（w）在对应的传感器上加载，波源处可得到信号则为：

式中，H（r，w）H*（r，w）一项为实、偶、正函数, 它在时间零点的傅里叶反变换是同相叠加的，会得到主相关峰值；S*（w）为激励信号的共轭信号，也就是时间反转信号。式（3）表明对于同样的信号P（w），Z（w）中信号主波峰因为H（r，w）H（r，w）同相叠加比S（w）中的主波峰会突出很多。当多个传感器一起按照上述操作执行时，那么在损伤出的散射信号就会形成聚焦而得到增强，这就是时间反转聚焦的基本原理。

声发射时反聚焦定位的原理如图1所示。声发射信号就是声发射源在传播介质中激发出一定形式的波形，这些信号被各个传感器所接收。将这些采集到的信号进行时间反转，再施加到对应传感器上作为激励，在结构中激发的信号可以在声源处产生聚焦。

图1 声发射信号时间反转示意图

2 声发射源定位算法仿真研究

数值仿真研究采用ABAQUS软件完成，由于起重机械制造材料为钢材Q345，因此仿真对象也设定为这种材料。本次仿真材料横向宽度设置为450mm，纵向宽度为350mm。仿真四个声发射传感器坐标分别为（249.375,128.25）、（128.25,242.25）、（0,128.25）、（128.25,0），在坐标（128.25,128.25）位置激励声发射信号，具体布置情况如图2所示。

图2 仿真模型及传感器分布图

根据突发型声发射源特点，在加载点激励的模拟声发射信号如图3所示。

图3 加载点的声发射信号

经过时间反转聚焦处理后，得到声发射源成像定位图，如图4所示。

图4 声源成像定位图

对结果进行分析，实际声源位置为（128.25mm,128.25mm），基于时间反转聚焦的声发射源定位算法算出的声源位置为（130mm，130mm），坐标差为（1.75mm,1.75mm）。

误差非常小，可以满足实际定位要求。

3 实验声发射源定位测试

实验采用美国PAC的8通道PCI-2系统声发射检测设备进行实验测试，实验采用了其中四个通道采集，显示器则用来显示操作系统和声发射软件AEwin。

实验试块采用钢材Q345，钢板的长为360mm，宽为240mm，厚度为12mm，与仿真一样，以四个探头的中心位置为坐标原点，探头编号以最左边的开始，逆时针编号分别为S1，S2，S3，S4。以S1到S3的连线位置为横坐标，那么S1，S2，S3，S4四个探头的坐标分别为（-60mm，0mm）、（0mm，-80mm）、（60mm， 0mm）、（0mm，80mm），具体布置如图5所示。

图5 试块以及探头布置

探头布置好后，在采集数据前，还要先对软件进行相关的设置：门槛设为40dB，定时参数为低衰减材料的定时参数，输入的坐标位置和之前规定的一样，布置一个定位界面并将定位类型设为平板，采样率设置为10MHz，采集长度为2k等。用铅笔断芯的形式模拟声发射信号，这一点和仿真不一样，仿真的时候加载的信号是设计的声发射信号，而断铅信号则是未知的，因此在判断断铅信号等方面比仿真时的要难些。为了验证之后采用改进的时间反转增强定位方法的准确性，记下了此时断铅的位置为（-3mm，-13mm）。

图6 软件声源定位图

设置完所有参数后，开始采集，采用0.5mm的HB石墨铅笔断芯，软件直接获得的定位图如图6所示，其中绿色代表探头，上面的数字代表所选用的通道，从图6可以看出，S1、S2、S3、S4分别对应着通道3、5、1、4，为了不致于弄混，后面全部用S1、S2、S3、S4来表示。红色的点为检测到的断铅信号，软件中显示出的定位坐标为（-5.1mm，-17.4mm）。

将四个传感器最先接收到的四次撞击的波形数据导出后，利用MATLAB将它们进行时反处理后成像结果如图7所示。

图7 实验声发射源成像定位图

从误差上面来分析，采用改进时间反转增强方法的实验结果与实际声源位置误差为（-1mm，-2mm），即相差2.24mm，相对误差为1.4%，之前声发射仪器定位的误差为4%，可见通过这样改进，声发射定位精度更高。

4 结论

本文根据大型起重机械声发射检测损伤准确定位的要求，提出了一种时反聚焦损伤定位方法，结合声发射信号传播特点与时间反转理论，实现对声源的准确定位。通过有限元分析软件建立平面模型，模拟声发射源发出信号及其传播过程，根据聚焦机理对该声发射源进行定位，结果表明该定位方法能准确找到声源位置；在对Q345材料的模拟声发射试验中也得到了相同的结果，与现有声发射仪器自带定位软件比较，该方法能有效提高定位精度。

［1］ 沈功田，王鹤莹，李丽菲，等. 铸铁承压设备声发射特征研究［J］.中国特种设备安全，2014，30（9）：9-17.

［2］ 沈功田，戴光，刘时风.中国声发射技术进展［A］.全国第十届声发射会议论文集［C］.2004，1-6.

［3］ 吴占稳，沈功田，王少梅，等.声发射技术在起重机无损检测中的现状［J］.起重运输机械，2007（10）：1-4.

［4］ 王福绵，张喜明，王莉，等.起重机械故障类型分析及无损检测问题［J］.中国特种设备安全，2008，24（4）：5-8.

［5］ 骆红云，张峥，钟群鹏，等.声发射技术在大型装卸设备安全评定中的应用［J］.起重运输机械，2005，1：36-39.

［6］ 龚斌，金志浩，包日东，等.压力容器上声发射源的新型定位方法［J］.压力容器，2005，22（6）：13-14.

［7］ 沈功田，耿荣生，刘时风.声发射源定位技术［J］.无损检测，2002，24（3）：114-117，125.

［8］ 徐彦亭，孙茂成.声源定位问题研究及误差分析［J］.无损检测，1999，21（5）：199-200.

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［10］ 王强，袁慎芳.复合材料板脱层损伤的时间反转成像监测［J］.复合材料学报，2009，26（3）：99-104.

［国家质检总局科技计划项目：2013zjjz180］

Discussion on Dynamic Monitoring and Positioning Method Based on Acoustic Emission for Large Crane

He Caihou1Li Qiufeng2
（1. Yingtan Branch of Special Equipment Inspection and Research Institute of Jiangxi Yingtan 335000）
（2. Key Laboratory of Nondestructive Test （Nanchang Hangkong University）， Ministry of Education Nanchang 330063）

In order to achieve monitoring acoustic emission dynamically for large crane， collected signals are time reversed by using time reversal principle， and then excite the corresponding sensors as an incentive respectively. Signals excited in the structure are focused in sound source in random access， and damage state characteristic parameters of the crane can be reflected， and real-time damage monitoring and assessment and prediction of the large crane lifecycle can be realized.

Acoustic Emission Time reversal Location test

X941

B

1673-257X（2015）05-49-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.05.010

何才厚（1959～）， 男，本科，院长，副高级工程师，从事机电类特种设备检验检测及管理工作。

2014-11-27）