基于模态理论降低声发射源定位误差的方法

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(1.中国石油大学 胜利学院, 东营 257000;2.中国石化股份胜利油田分公司技术检测中心, 东营 257000; 3.中国石油大学(华东) 机电工程学院, 青岛 266580)

声发射检测方法是一种动态非破坏性检测技术[1]，常被用于材料的缺陷定位检测中。时差定位法是一种较为准确但又复杂的定位方式，定位精度易受波速、衰减和波形等多参量的影响[2]。由模态声发射理论可知，声发射源在板状结构中所激励的声发射信号在传播过程中具有多频率分量、多模态的特点，不同模态、不同频率的声发射波传播速度存在差别[3]。声发射波时间的精确提取是实现时差定位方法的前提条件[4]。传统的声发射源定位技术，由于传播距离、传播路径存在差别，不同的传感器可能被不同模态的波触发，声发射波的到达时间不能精确提取，因此声发射源的定位误差较大[5]。为了降低玻璃钢声发射源的定位误差，笔者根据模态理论并结合声发射信号在玻璃钢中的传播规律，对声发射波到达时间的提取进行了研究[6]。

1 试验过程

1.1 试验材料及设备

试验所用材料为边长为1 200 mm，厚度为4 mm正交编织玻璃纤维复合材料板1个。

试验采用德国Vallen公司生产的AMSY-5 36通道声发射检测仪，3个VS150-RIC探头以及适量的耦合剂。

1.2 试验方法

沿玻璃纤维复合材料板90°传播方向上布置3个传感器，第一个传感器布置在距断铅源100 mm的位置，传感器间距为400 mm。测定现场噪声，设置门限值。根据GB/T 18182-2012《金属压力容器声发射检测及结果评价方法》的要求，采用直径为φ0.5 mm的HB铅笔芯在断铅位置进行断铅模拟声发射源，铅芯伸长量为2.5 mm，与板面成30°夹角进行断铅试验。对采集到的声发射信号进行处理分析，确定声发射波到达时间的准确提取方法。试验前后均需通过断铅信号对传感器灵敏度进行校准，每通道响应幅值与所有通道的平均幅值之差要求不大于4 dB。

2 声发射信号传播规律研究

在模态声发射理论中，声发射源在板中主要激励起扩展波、弯曲波和水平切变波[7]，不同模式波的传播速度存在较大的不同，导致难以准确判别声发射信号的到达时间。对于相同阈值，不同的传感器可能被不同的模式波触发，此时利用获得的时间差进行声发射源定位则会产生较大的定位误差。

图1 距声发射源100 mm处采集的波形与FFT变换结果

声发射波在玻璃钢中传播时，不同频率成分的波的传播速度不同。为了得到玻璃钢声发射信号的传播规律，根据现场噪声设定门槛值为34 dB，采用谱分析法[8]对过门限的断铅信号在玻璃钢中传播时频率的变化进行了研究。玻璃纤维板90°传播方向时，在距声发射源不同位置采集的声发射信号波形及其对应的FFT变换如图1～3所示。

图3 距声发射源900 mm处采集的波形与FFT变换结果

从不同位置采集到的声发射信号波形与对应的FFT变换结果图中可看出：在距声发射源较近位置，传感器采集到的声发射波的频率集中在25 kHz～200 kHz，随着传播距离的增加，100 kHz以上的声发射波衰减较大，在距声发射源较远位置传感器采集的声发射波的频率主要在100 kHz以下。且从不同传播距离所采集到的波形可以看出，不同位置传感器触发的波形存在较大差别，因此不同位置处传感器可能由不同的模态、不同频率成分波所触发，由此波形提取到的到达时间是不准确的。

3 声发射波到达时间的精确提取方法

由声发射波在玻璃钢中的传播规律可看出，在距声发射源不同位置处，声发射波含有不同频率成分。根据模态声发射理论可知，不同频率段声发射信号的传播速度存在差别。因此，由不同频率段声发射波触发的传感器获得的声发射到达时间进行声源定位时，会产生较大的误差。

为了确定玻璃钢声发射源定位时滤波器的设置，利用小波变换对信号频率成分进行了分析[9]。声发射采集过程中采样频率为2 000 kHz，对采集的波形数据在MATLAB软件里进行了db6小波分解重构 。其原始波形及小波分析重构图如图4所示。

图4 信号的原始波形及其多层小波变换结果

通过小波分解重构结果可以看出声发射信号的频率主要集中在d3～d5层，其频率范围分别为31.25 kHz～62.5 kHz,62.5 kHz～125 kHz,125 kHz～250 kHz。

工程中为了能够获得声发射信号中的扩展波成分，常采用高通滤波器(低频截止频率100 kHz)或高频带通滤波器(带通范围100 kHz～1 000 kHz)对信号进行处理。为能够获得声发射信号中的弯曲波分量(频率相对较低)，采用低频带通滤波器(带通范围20 kHz～70 kHz)对声发射信号进行处理。通过软件将滤波器频率范围分别设置为25 kHz～70 kHz,95 kHz～300 kHz,25 kHz～300 kHz,25 kHz～45 kHz 4个频率段 ，每组进行10次断铅模拟声发射源。建立各频率段采集的声发射信号的时间差与传播距离的关系图，做对比分析，如图5～8所示。

图5 25 kHz～70 kHz频率段声发射信号的时间差与距离的关系

图6 95 kHz～300 kHz频率段声发射信号的时间差与距离的关系

图7 25 kHz～300 kHz频率段声发射信号的时间差与距离的关系

图8 25 kHz～45 kHz频率段声发射信号的时间差与距离的关系

由上述各频率段所获得的时间差-距离的关系图可看出，25 kHz～70 kHz 频率段所获得的声发射

波到达时间差与距离保持较好的线性，其R的平方为0.999 7，即在这一频率段随着传播距离的增加，声发射波到达时间的提取所受的影响较小，在不同传感器位置所测的波速基本相同。其他频率段获得的声发射信号的时间差与距离之间的线性关系相对较差。在声发射源定位时，不同传感器间距所测得的波速差别越小，则声发射源定位时产生的定位误差相对越小。滤波器通带频率控制在25 kHz～70 kHz时，即能准确提取声发射波的到达时间。

4 声发射波时间提取定位对比

在玻璃钢的定位试验中，采用三角定位[10]对3个传感器围成的三角形区域中的7个位置进行断铅定位试验，分别采用低频带通滤波器(带通范围20 kHz～70 kHz)和直通无滤波两种滤波形式，对声发射信号进行采集。采用传统到达时间提取方法和文中根据模态波形改进的时间提取方法的定位结果如表1所示。

表1 两种到达时间提取方法定位结果

从表1中的结果可以看出，根据模态波形理论进行滤波提取到达时间的定位方法，比传统提取声发射波到达时间的定位方法的误差相对较小。说明此种声发射波到达时间的提取方法是有效的。

5 结论

(1) 不同频率的声发射波在玻璃钢中传播时的衰减程度不同，随着传播距离的增加，声发射波频率主要集中在100 kHz以下。

(2) 随着声发射波传播距离的增加，采用25 kHz～70 kHz带通滤波器滤波后，获得的声发射波到达时间差保持较好的线性,即不同传播距离下的波速基本相同，对声发射波到达时间的提取的影响较小。从定位对比试验中可看出，采用20 kHz～70 kHz带通滤波器滤波后的定位误差要比传统定位方法的定位误差小。

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