时间反转在列车转向架声发射源定位中的应用

胡 聪，吴 琼，李秋锋，卢 超，何才厚

（1.无损检测与光电传感技术及应用国家地方联合工程实验室，江西 南昌 330063；

2.南昌航空大学 无损检测技术教育部重点实验室，江西 南昌 330063；3.江西省特种设备检验检测研究院鹰潭分院，江西 鹰潭 335000）

时间反转在列车转向架声发射源定位中的应用

胡 聪1，2，吴 琼1，2，李秋锋1，2，卢 超1，2，何才厚3

（1.无损检测与光电传感技术及应用国家地方联合工程实验室，江西 南昌 330063；

2.南昌航空大学 无损检测技术教育部重点实验室，江西 南昌 330063；3.江西省特种设备检验检测研究院鹰潭分院，江西 鹰潭 335000）

针对高速列车转向架的动态检测提出一种新的损伤声源定位方法，采用声发射检测技术对转向架易损伤的焊接部位进行时间反转定位方法研究。首先利用有限元软件建立转向架焊接部位结构有限元模型；然后在模型上模拟发出一个声发射损伤信号，通过预置的声发射传感器接收声发射源信号；最后根据时间反转聚焦原理对接收信号进行处理，并通过检测区域成像，确定损伤声发射源的准确位置。数值仿真实验结果表明：该定位方法能够准确定位声源位置，定位结果比常规四点圆弧法更精确。

转向架；声发射；时间反转；损伤定位

0 引 言

列车转向架是机车的走行部分，承担将列车牵引和制动力传递到车轮上的任务，此外还需支承列车厢体运行，是机车最重要的承载结构之一，它的性能决定着机车的稳定性、舒适性和安全性，转向架零部件的连接一般是通过焊接完成[1-2]。目前对转向架的检测大都是在静态情况下完成的，通常耗时费力，也给车辆的正常使用带来了极大的不便[3]。

声发射实质是一种力学现象，是应力波产生、传播和接收的过程，是指材料在外部或内部应力的作用下，在局部产生微观形变而迅速释放能量，并在材料内部以弹性波形式传播的一种现象，这种检测技术作为一种成熟的无损检测方法，已得到了广泛应用[4-5]。声发射检测技术是一种动态无损检测技术，即无损检测是在构件或材料内部的结构损伤处于变化的整个过程中完成，产生的声发射信号实际上是由损伤本身发出，因此相比于其他检测方法，它能实现转向架构架的动态监测，在裂纹发展的开始阶段即可发现损伤缺陷位置，并判断转向架中缺陷的活性和严重性[6-7]。而采用声发射技术对转向架构架进行动态监测目前还未见报道。

在声发射检测中，声发射源定位是一个重要的方面，在以往的声源定位中主要是通过时差定位法完成，而为了提供定位精度，通常对检测信号进行数据处理，提高信噪比，然后用四点圆弧法对声源定位[8-10]。声源本身一般都十分微弱，又易受到各种噪声的干扰，而且声波传播的过程非常复杂。检测信号在进行时间反转处理后，可使损伤信号在空间上和时间上重新获得聚焦，特定各反射信号可同时同相到达聚焦点，且信号能量也将同样汇聚到该聚焦点，从而达到损伤缺陷定位的目的[11]。因此对定位方法的研究，有着重大的理论意义和实际应用价值。

本文采用CRH2转向架作为研究对象，为H型构架，它主要由侧梁、横梁、纵向连接梁、空气弹簧支承梁、制动吊座、定位臂座等组成[12]。通过仿真声发射信号在转向架构架中的传播，采集其损伤声发射信号，并将其时间反转后在对应的传感器重新激发出去，使得信号在损伤声源处的时间和空间上获得聚焦而达到缺陷定位的目的。

1 声发射源时间反转的基本原理

时间反转是声波互易性原理的一种应用，通过时间反转可以在空间和时间上将声波能量聚焦，从而重构声源信号，实现声源定位。这种方法最早是由Fink教授从光学检测领域将时间反转应用到声学领域，同时进行了大量的研究工作，是一种不需要介质和传感器性质和结构的先验知识就可实现声波自适应聚焦和检测的方法[13-14]。

按照信号传播理论，在声发射检测系统中每条信号传播路径上的传感器和传播路径即为一个信号传输系统，在检测区域内的任何声发射信号P（w）经过传播路径后，被传感器接收后信号S（w）可在频域上用下式表示：

式中H（r，w）为传输系统的路径传递函数。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、传播路径和声源确定的传播系统，传感器和声源位置可互换，传递路径则具有相同频响传递函数[15]。因此将时间反转后的信号X（w）在对应的传感器上反向加载，则在声源处可获得时反信号Z（w）为

式中：H（r，w）、H*（r，w）——实、偶、正函数，通过

同相叠加将得到主峰值；

P*（w）——声源信号的共轭信号。

对比式（1）和式（3）可以看出，对同一声源信号P（w），Z（w）中信号主峰通过叠加增强，其突出程度要比S（w）中的更显著。当扩展到多个传感器同时进行监测时，即可实现声源信号在相应损伤处聚焦增强，这就是时间反转聚焦的基本原理。

声发射时反聚焦定位原理如图1所示。在声源位置处声波通过传播介质传播一定形式的波形，这些信号被各个传感器所接收；然后将这些接收到的信号进行时间反转，并在各自对应的传感器上同时加载，这些信号将会同时同相到达波源处，使得信号在波源处形成聚焦；最后将聚焦时刻上各个时反信号幅值用图像显示出来，即将各点信号幅值通过图像矩阵中各像素点的像素值表示，则信号在聚焦时刻的波动图可以用图像的方法显示出来，则图像最亮处就是信号聚焦处，即为声源位置[16-17]。

图1 时间反转定位原理图

2 仿真实验及其结果

利用ABAQUS中的CAE模块建立高速列车转向架构架的主要受力部分有限元模型，包括侧梁、横梁、以及纵向连接梁，这3个部位的材料均设置为耐候钢。由于构架上最薄弱即最易受损的地方在焊接接头区域，而检测整体构架都是在焊接接头区域布置传感器进行区域监测，每一个区域都是独立完成，相互不影响，所以这里仅取一个监测区域来进行定位研究。考虑到立体建模的运算复杂和硬件执行能力，研究仅采用检测平面来进行仿真。仿真是在横梁和纵向连接梁的焊接接头区域模拟激励一个声发射信号，仿真整体效果云图如图2所示，由于衰减原因，信号主要能量在监测区域附近，如图中颜色变化区域。本次定位算法研究实际是在这个区域布置传感器，接收模拟损伤声发射信号，然后通过时间反转方法实现声源反演定位。

图2 构架焊接区域声发射仿真效果云图

实际损伤缺陷和传感器布置如图3所示，其中S1到S3的距离为120 mm，S2到S4距离为160 mm（以下单位均为mm）。以过S1点为纵坐标，过S2点为横坐标，则4个传感器坐标分别为（0，80）、（60，0）、（120，80）、（60，160），同时考虑到焊道有一定的厚度，因此将损伤缺陷位置设为（40，75）。假设声源信号的峰值在t0时刻到达，信号被最后一个传感器接收完成的时刻为 tm，则令tw≥tm，取（tw-t0）为时间窗口，对各传感信号分别截取，并在时间窗内分别进行时间反转可得到时反信号fn（n＝1，2，3，4）。根据时反原理，将反转后的信号在对应的传感器上反向加载，以时反信号的开始时刻为零时刻点，聚焦时刻tf为反转信号停止加载时刻，通过控制聚焦时刻可以在损伤处实现信号的聚焦，其中tf=tw-t0。

图3 传感器布置及声发射信号传播仿真图

根据实际钢材中声发射信号的频率范围，采用0.5MHz频率的模拟声发射信号如图4所示。

4个传感器得到的信号如图5所示，从上到下分别为S1、S2、S3、S4得到的信号。对4个采集到的信号取绝对值，并采用希尔伯特变换求得其包络线，如图6所示。从图中取出各反转信号的峰值到达时刻，分别为1.132×10-5s，1.814×10-5s，1.862×10-5s，1.997× 10-5s。采用4点圆弧定位法求得t0为3.697×10-6s，缺陷定位为（43，74）。取tw为4.869 7×10-5s，则tf= 4.5×10-5s。根据声波传播原理，建立各时反信号在tf时刻的瞬态波动图。各点的波动幅值由下式求得：

式中An为各信号补偿放大系数，这里取归一化系数。考虑到时反信号中tijn时刻幅值即为原信号中ty时刻的幅值，其中：

图4 缺陷信号图

图5 S1、S2、S3、S4接收到的传感信号波形图

图6 S1、S2、S3、S4信号包络图

根据式（4）和式（5），使用Matlab编程处理并成像，图像大小为120mm×160mm，像素fν取1mm×1mm，最终成像结果如图7所示。采用不同阈值成像对比，80%的效果最佳，处理之后如图8所示。从数据中可以看出在（40，76）处取得最大值，按照最大两传感器间距160mm计算，定位误差为1.25%。按照常规四点圆弧定位法计算结果为（43，74），同样方法计算出定位误差为3.37%。通过比较可以看出，采用时反定位结果更加精确。

图7 时反成像图

图8 80%阈值化成像图

3 结束语

根据高速列车转向架动态无损检测需要，采用声发射检测技术对转向架损伤声发射源进行定位研究。结合声发射检测特点和时间反转理论，研究声发射源定位方法。通过数值仿真实验，模拟声发射源发出声发射信号在转向架中传播，并利用传感器阵列对信号进行接收并进行时间反转处理，通过幅值叠加的方式计算得到的模拟损伤声发射源位置，与常规四点圆弧定位法比较，该定位结果更准确。

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（编辑：李妮）

Application of time reversal on acoustic emission source localization of train bogie

HU Cong1，2，WU Qiong1，2，LI Qiufeng1，2，LU Chao1，2，HE Caihou3
（1.National&Local Joint Engineering Laboratory for Nondestructive Testing and Optoelectronic Sensing Technology and Application，Nanchang 330063，China；2.Key Laboratory of Nondestructive Test of Ministry of Education，Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China；3.Yingtan Branch of Special Equipment Inspection and Research Institute of Jiangxi，Yingtan 335000，China）

For the dynamic testing to high speed train bogie，a new damage localization method was proposed here，and the acoustic emission testing technology was applied to test welding parts of the bogie with time reversal localization method.Firstly，the welding part structure model of the bogie was established based on finite element software;And then，acoustic emission signals from simulation damage were generated from the model and the signals were then received by the preset acoustic emission sensor;Finally，the accurate location of the damage acoustic source was obtained by processing the received signals by time reversal focusing principle and imaging detection area. The numerical simulation experiment results show that this method can locate the acoustic emission source accurately，which localization precision is greater than that of conventional four points arc method.

bogie；acoustic emission；time reversal；damage localization

A

：1674-5124（2016）12-0136-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.12.028

2016-04-08；

：2016-06-12

国家自然科学基金项目（11264032）；江西省自然科学基金项目（20122BAB201024）；国家质检总局科技计划项目（2013zjjz180）；航空科学基金项目（2014ZD56007）；上海航天科技创新基金项目（SAST201364）；江西省教育厅科技项目（GJJ14530）；无损检测技术教育部重点实验室开放基金项目（ZD201429002）

胡 聪（1989-），男，湖北武汉市人，硕士研究生，专业方向为超声检测技术。

吴 琼（1976-），男，江西南昌市人，高级实验师，主要从事材料的力学性能检测、无损检测及检测信号处理等方面的研究。