《基于時間反轉(zhuǎn)的線聲發(fā)射檢測仿真研究》11000字（論文）

基于時間反轉(zhuǎn)的線聲發(fā)射檢測仿真研究摘要：聲發(fā)射測定的其中一個重要目的是定位發(fā)聲聲源，借助聲發(fā)射感應(yīng)元件聲源處發(fā)出的聲音信號接收，然后經(jīng)過波形分析和信號處理就可以對鋼絞線內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生和擴展進行實時監(jiān)測。時間反轉(zhuǎn)是指將傳感器接收到的聲發(fā)射信號反向加載并發(fā)出，這時聲發(fā)射信號將會在聲源處形成聚焦，產(chǎn)生一個疊加增強信號，而且時間反轉(zhuǎn)處理可以減弱聲波在傳播過程中波形模式變化對定位結(jié)果的影響，進而使定位的發(fā)聲聲源更精準(zhǔn)。經(jīng)由有限元仿真來驗證時間反轉(zhuǎn)的準(zhǔn)確性，在仿真軟件中建立一個鋼絞線模型，設(shè)置六個激勵點分別模擬聲發(fā)射源，再設(shè)置兩個模擬傳感器的采樣點進行信號采集，在以時間反轉(zhuǎn)方式對所采集信號做處理之后，將獲得一個疊加增強信號，再根據(jù)這個疊加增強信號到達采樣點和采樣點之間的時間差、間距以及鋼絞線模型中的平均聲速對聲發(fā)射源進行定位。之后再次通過實驗來進一步驗證時間反轉(zhuǎn)的準(zhǔn)確性，在鋼絞線模型上設(shè)置六個斷鉛測試點，兩個聲發(fā)射傳感器位于鋼絞線模型的兩端。分別在六個測試點激勵，將傳感器接收到的斷鉛信號進行時間反轉(zhuǎn)，在聲源處得到疊加增強信號，然后根據(jù)以上同一辦法對發(fā)射聲音的源頭加以定位。結(jié)果表明，不論是有限元仿真還是實驗，最終的定位結(jié)果誤差都在5%以內(nèi)，都驗證了時間反轉(zhuǎn)的準(zhǔn)確性。 關(guān)鍵詞：聲發(fā)射檢測，時間反轉(zhuǎn)，鋼絞線，定位，疊加增強信號目錄TOC\o"1-3"\h\u13304第一章引言 引言1.1鋼絞線概述在我國的工業(yè)發(fā)展和各個工程項目中，鋼絞線都具有舉足輕重的地位，因為鋼絞線有抗拉強度高，松弛性能好，穩(wěn)定性高且安全系數(shù)高等特點，所以被廣泛運用于橋梁等大型建筑項目。鋼絞線是一種鋼鐵產(chǎn)品，它由多根鋼絲相絞而成，通常情況下，鋼絲表層可依據(jù)所需添加包括鍍銅層、鍍鋅層在內(nèi)的各種涂層[1]。所謂預(yù)應(yīng)力鋼絞線，則指的是為了增加其耐腐蝕性，而涂上油脂或者石蠟之后包白色粉末或顆粒狀的高密度聚乙烯，此類鋼絞線也有鍍鋁合金或鍍鋅的。鍍鋅鋼絞線通常指承力索和拉線，也可以作架空輸電的地線、公路兩邊的阻攔索或者建筑結(jié)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)索[2]。常用的預(yù)應(yīng)力鋼絞線一般是沒有鍍層的，有時也有鍍鋅的，其在水利、橋梁、巖土項目、能源、建筑等領(lǐng)域得到了大量運用，通常情況下，在地基、樓板等項目中會經(jīng)常運用到無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線。我們平時常見的鋼絞線抗拉強度等級為1860MPa，除此之外還有1720、1770、1960、2000、2100MPa等級別。1.2鋼絞線的無損檢測目前，鋼絞線的種類已經(jīng)不下一百種了，而且規(guī)格更是有上千種之多[3]，所以不同類型和工藝的鋼絞線運用后不可避免的會出現(xiàn)程度不一的損傷，因為鋼絞線的應(yīng)用環(huán)境一般位于戶外，常年的風(fēng)吹日曬導(dǎo)致鋼絞線很容易出現(xiàn)腐蝕或損傷，比如起重機的吊索，運作時又需要承受很大的重力，一旦出現(xiàn)損傷將會影響整個建筑工程，因此鋼絞線需要經(jīng)常進行監(jiān)測及檢修，以免產(chǎn)生不必要的經(jīng)濟損失，甚至人員傷亡。目前可用于檢測的辦法主要有射線探傷、磁粉探傷等各種傳統(tǒng)的檢測辦法，但這幾種檢測方法只能對已經(jīng)產(chǎn)生的損傷進行檢測,在實時檢測操作方面無法使用。作為動態(tài)無損檢測工藝，AcousticEmission，即聲發(fā)射檢測工藝在檢測金屬損傷的研究方面得到了大量運用。該工藝是借助聲發(fā)射感應(yīng)器對物質(zhì)內(nèi)部因構(gòu)造改變而形成的彈性波進行即時檢測，并且待測件不會因此而受到干擾，與常規(guī)辦法相比，其對關(guān)鍵位置出現(xiàn)的損傷以及其延伸的檢測更為適用。并且聲發(fā)射信號有持續(xù)型、突發(fā)型之分，前者持續(xù)較長時間，其實質(zhì)是一個突發(fā)型信號集，而后者具有較大的幅值，只是持續(xù)時間不長。金屬材料殘損生成的聲發(fā)射信號屬于后者，裂紋延伸方會形成持續(xù)型的一些信號。而且鋼絞線的鋼絲斷裂時生成的聲發(fā)射信號能夠在幅值衰減不明顯的前提下傳出近29.5遠(yuǎn)，基于此，僅需我們布設(shè)少數(shù)的幾個聲發(fā)射感應(yīng)器便能夠?qū)ζ鋼p傷情況進行全面監(jiān)測。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在研究聲發(fā)射監(jiān)測鋼絞線方面，國外要早于國內(nèi)，且已經(jīng)有了一定的成果，例如2013年，JeseMangual等[4]對聲發(fā)射監(jiān)測預(yù)應(yīng)力鋼絞線主動腐蝕的可行性進行了研究，發(fā)現(xiàn)了聲發(fā)射是一種可以用來檢測并量化腐蝕損傷的有用的非侵入性的技術(shù)；同年，LamineDjeddi等[5]研究了聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測鋼絞線腐蝕演變和股線破壞的能力，證明了聲發(fā)射是檢測和評估高強度鋼絞線腐蝕和破壞的非常實用的技術(shù)。而國內(nèi)的鋼絞線聲發(fā)射研究起步較晚，還有很大的進步空間，比如2019年，何燕等[6]借助聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測了鋼絞線的斷裂以及超張拉損傷情況，目的是為了搭建高效、迅速且安全的一種辦法來對此類材料的超張拉損傷異常進行監(jiān)測；2010年，鄧揚等[7]借助該技術(shù)對拉伸鋼絞線的經(jīng)過做了即時監(jiān)測，得出的結(jié)論是，在彈性階段，鋼絞線發(fā)出聲音信號來源以鋼絲與鋼絲之間產(chǎn)生的摩擦為主，而到了塑性階段，則該信號主要是由鋼絞線本身的塑性形變產(chǎn)生的。對于聲發(fā)射檢測而言，其主要目的之一便是明確發(fā)出聲音的具體部位，對于多通道發(fā)現(xiàn)監(jiān)測裝置的評估來說，聲發(fā)射精度的定位是重要指標(biāo)之一[8]，羅志敏等[9]為使聲發(fā)射檢測能夠更精準(zhǔn)的定位材料損傷并為安裝感應(yīng)器提供可靠資料，他們依據(jù)時差定位原理，針對材料損傷，從面、線、點三個方面的定位展開了對其定位的研究。結(jié)果顯示面定位最為準(zhǔn)確，但是還是與實際定位存在較大誤差；齊添添等[10]通過實驗對時間反轉(zhuǎn)聚焦定位算法做了檢驗，結(jié)果顯示，該算法能夠定位各種復(fù)雜異性材料的發(fā)聲源，并且與常規(guī)儀器相比，其定位精度提升明顯。1.4本章小結(jié)此單重點介紹了鋼絞線的結(jié)構(gòu)組成、類型、特性以及應(yīng)用，還有鋼絞線容易出現(xiàn)的損傷和安全隱患，針對鋼絞線損傷的聲發(fā)射定位技術(shù)，國內(nèi)外對鋼絞線的研究現(xiàn)狀等等。我們本次的研究采用時間反轉(zhuǎn)聚焦法則，對定位鋼絞線發(fā)聲源的辦法做了研究。所謂時間反轉(zhuǎn)，指的是聲源位置將聲發(fā)射信號后，該信號被安裝于各個地方的感應(yīng)器所接收，再依照時間順序?qū)⑺鼈冊趯?yīng)的感應(yīng)器上進行反相激勵，即先到后發(fā)、后到先發(fā)，此時聲發(fā)射信號必將匯集至聲源處[11]。并且此種反轉(zhuǎn)是對聲互易性理論的一種運用，能夠無須介質(zhì)和感應(yīng)器構(gòu)造及特性相關(guān)的先驗知識使可使聲波實現(xiàn)自動匯集，并重構(gòu)二次聲源或聲源的信號，將聲源處精準(zhǔn)的檢測出來。所謂聲互易性理論，意指以Green函數(shù)為基礎(chǔ)，在邊界條件不變的情況下由A點激發(fā)在B點有影響的聲場與B點在A點激發(fā)并造成影響的聲場是彼此等效的。聲發(fā)射檢測法是被動式的，它并無額外增加激勵信號，其信號是直接由聲源處即材料受損位置發(fā)出的，這類信號會經(jīng)由各種傳播渠道傳至安裝于四周的感應(yīng)器上，經(jīng)時間反轉(zhuǎn)之后，則需把所采集的信號在感應(yīng)器上進行反相加載接著再發(fā)出，如此便可匯集至聲源位置。然而因檢測時，監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的聲源處是隨機的，并且在時間反轉(zhuǎn)進行激勵信號加載的過程中聲源會出現(xiàn)散射，接著再一次被四周的感應(yīng)器所接收，因此處理時間反轉(zhuǎn)加載后收到的信號同樣能夠定位到聲源發(fā)出之處[12]。鋼絞線的聲發(fā)射檢測及定位原理2.1聲發(fā)射檢測原理材料中因為裂紋擴展、塑性變形等內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化而產(chǎn)生彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射。所謂聲發(fā)射檢測，指的是利用相應(yīng)的感應(yīng)器來監(jiān)測聲源處形成的彈性波，并將之轉(zhuǎn)化成電信號，并且進行放大和分析處理來評定被檢測工件的性能或結(jié)構(gòu)完整性的無損檢測方法[13]。聲發(fā)射檢測儀器分為單通道和多通道兩種。單通道聲發(fā)射檢測儀比較簡單，主要用于實驗室的工件檢測，而多通道聲發(fā)射檢測儀是的檢測通道較多，其體積也較大，可用它來對聲發(fā)射源進行定位。并且作為被動式監(jiān)測法，聲發(fā)射檢測并無額外的激勵信號，聲源處發(fā)出的信號直接被感應(yīng)器所接收、處理，進而達到了對工件內(nèi)部損傷的實時監(jiān)測的目的。通過對工件內(nèi)部損傷的實時監(jiān)測，就能夠及時關(guān)注到損傷的發(fā)展程度，同時對聲發(fā)射源信號做出定位，從而避免工件疲勞損傷帶來的經(jīng)濟損失或人員傷亡等突發(fā)性災(zāi)難[14]。2.2聲發(fā)射源產(chǎn)生機理聲發(fā)射源即是材料損傷處，材料內(nèi)部應(yīng)力的變化會產(chǎn)生聲發(fā)射信號，在日常加工和應(yīng)用當(dāng)中，不可避免的會因外部因素受到干擾，致使裂紋的產(chǎn)生和擴展，熱脹冷縮等，而金屬材料的聲發(fā)射源主要是塑性變形、夾雜及裂紋擴展[15]。鋼絞線在應(yīng)用的過程中，經(jīng)常是處于戶外，所以更容易導(dǎo)致?lián)p傷的產(chǎn)生，包括表面摩擦損傷及內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷導(dǎo)致的開裂等。2.3鋼絞線聲發(fā)射源定位方法2.3.1聲發(fā)射源的定位方法鋼絞線受損形成的聲發(fā)射信號是突發(fā)型的，關(guān)于此類信號的聲源定位，區(qū)域定位法雖然簡單快捷，布置靈活，但是只能通過聲發(fā)射信號到達傳感器的時間順序，將聲源位置大致確定下來，而無法對聲源位置進行精準(zhǔn)定位。而時差定位法是根據(jù)聲發(fā)射信號傳至每個感應(yīng)元件的時差、感應(yīng)元件探頭的間距以及聲速，通過構(gòu)造幾何方程來計算聲發(fā)射源在監(jiān)測范圍內(nèi)的精確定位[16]。以管材為例，如圖2-1所示，聲源在感應(yīng)元件之內(nèi)，位于傳感器內(nèi)部，聲發(fā)射信號被感應(yīng)元件1號所接收的時間與其被感應(yīng)元件2號所接收時間之差的表達式(1)，聲源與感應(yīng)元件1號之間的間距d為表達式(2)。 (1) (2)圖2-SEQ圖2-\*ARABIC1聲源在感應(yīng)元件之內(nèi)雖然時差定位法已經(jīng)可以精確定位到聲源處，然而因聲音信號在傳播途中會出現(xiàn)折射、散射進而致使聲音波形發(fā)生模式轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致到達傳感器的信號波成分復(fù)雜，需要通過數(shù)字信號處理和波形分析等方法來進一步提高定位精度。而使用時間反轉(zhuǎn)聚焦法則，就可以使傳感器接收到的聲發(fā)射信號不受波形模式轉(zhuǎn)化的影響，在時間和空間上同時同相的在聲源處形成聚焦，從而提高聲發(fā)射源定位的精度。2.3.2時間反轉(zhuǎn)聚焦定位原理時間反轉(zhuǎn)是根據(jù)傳感器接收到的聲發(fā)射信號，利用聲互易性原理，可以在介質(zhì)中得到聚焦?fàn)顟B(tài)，聲源、傳播介質(zhì)及傳感器組成了一個完整的信號傳輸系統(tǒng)。假定x(ω)、h(ω)分別為聲發(fā)射信號、經(jīng)各種渠道傳遞至感應(yīng)元件后的聲發(fā)射信號傳遞函數(shù)。則感應(yīng)元件收取的貪吃可由下式表示，其中ω代表的是頻率。 (3)接收信號d(ω)的時間反轉(zhuǎn)響應(yīng)信號在實質(zhì)上其實就是式(1)取共軛，即時間反轉(zhuǎn)響應(yīng)信號為式(4)，式中x*(ω)是聲源信號x(ω)取共軛之后的時間反轉(zhuǎn)信號，h*(ω)是傳遞函數(shù)h(ω)的共軛形式。 (4)將時間反轉(zhuǎn)響應(yīng)信號D(ω)反向加載到傳感器上，聲波將會沿著原路返回到達聲源處，根據(jù)聲互易性原理，傳遞函數(shù)不會由于聲波傳播方向變化而受到干擾，因此聲源處匯集的信號可用下式表示: (5)式中的“h*(ω)·h(ω)”表示在介質(zhì)當(dāng)中聲波共軛函數(shù)與其傳輸函數(shù)相乘的結(jié)果，是一個偶函數(shù)、實函數(shù)、正函數(shù)，而且數(shù)值成幾何倍數(shù)增長，在時間零點會產(chǎn)生同相疊加，出現(xiàn)一個主相關(guān)峰值。在實際的聲發(fā)射源定位檢測中，利用此法對各個感應(yīng)元件進行處理，疊加之后，聲源處的信號峰值迅速聚集，定位精度得到提升，而噪聲不會疊加，所以信噪比也得到提高。2.3.3鋼絞線中的聲發(fā)射源定位原理聲發(fā)射信號是由聲發(fā)射源，即聲源位于損傷處，如圖2-2所示，經(jīng)由各種傳播渠道，此類信號會被安裝于四周的感應(yīng)器接收，經(jīng)時間反轉(zhuǎn)之后，則需把所采集的信號在感應(yīng)器上進行反相加載接著再發(fā)出，如此便可匯集至聲源位置。圖2-SEQ圖2-\*ARABIC2時間反轉(zhuǎn)流程圖示圖2-SEQ圖2-\*ARABIC3鋼絞線自身的時間反轉(zhuǎn)流程圖示不過在實際的運用過程中，要進行物理上的反向加載這個操作是比較困難的事情，因為若是反相加載之后又收錄了聲源信號則會出現(xiàn)很多干擾信號，進而導(dǎo)致時間反轉(zhuǎn)的成效大受影響?；诖?，對于時間反轉(zhuǎn)匯集，我們運用處理數(shù)字信號的一種辦法來將其實現(xiàn)。如圖2-3所示，假定x(ω)是鋼絞線損傷處發(fā)出的信號，圖示的感應(yīng)器(2個)所受到的信號一個是d?(ω)，另一個是(i=1，2)，聲源經(jīng)過不同途徑傳播到各個傳感器的傳遞函數(shù)為hⅰ(ω)，(ⅰ=1，2)，那么則每個感應(yīng)元件所接收信號可用以下公式來表達: (6)依據(jù)時間反轉(zhuǎn)匯集理論，把所有感應(yīng)元件所接收的聲發(fā)射信號進行時間反轉(zhuǎn)處理，聲源信號將會在特定的時間，從其相對應(yīng)的傳感器上激勵并發(fā)出，使聲發(fā)射信號能夠在聲源處實現(xiàn)時間和空間上的聚焦。而且根據(jù)聲互易性原理，聲發(fā)射信號在同一個傳播路徑上的傳遞函數(shù)是不會發(fā)生改變的，并且時間反轉(zhuǎn)的實質(zhì)其實就是做共軛處理，所以在聲源處得到的信號應(yīng)該為式(7)。 (7)式中的“Σhⅰ*(ω)·hⅰ(ω)”其實就是對聲源信號的時間反轉(zhuǎn)聚焦的疊加，所以聲源處信號的波峰幅值可以得到增強，并且超過了實際聲源信號的最大波峰幅值。因此此種處理數(shù)字信號的辦法確實能夠使聲源信號實現(xiàn)匯集并使之得到增強。不過在現(xiàn)實的監(jiān)測當(dāng)中，聲源處是隨機的，因此Eⅰ(ω)這個聲源匯集信號只是理論層面的。然而因檢測時，聲源位置出現(xiàn)的損傷會導(dǎo)致時間反轉(zhuǎn)后進行激勵信號加載的過程中聲源會出現(xiàn)散射，接著再一次被四周的感應(yīng)器所接收，假定sij(ω)為每個感應(yīng)元件第二次所接收的信號，則: (8)從式(8)中可以看出，“ⅹ*(ω)·hⅰ*(ω)”實際上是dⅰ*。并且因匯集而使得聲源信號不斷增強，不過其他干擾信號因產(chǎn)生的位置、時間不一樣而致使其滿足不了增強條件而受到抑制，從而使信噪比得到提升。但是卻又因為傳播路徑并不能確定，導(dǎo)致傳遞函數(shù)是無法獲得的，所以要想實現(xiàn)對聲源信號的時間反轉(zhuǎn)聚焦處理，存在的困難還是非常多。若是同時利用“x(ω)·x(ω)”與(8)左右邊相乘，則能夠獲得新感應(yīng)元件的接收信號s'ij(ω): (9)在式(9)中可以看出，結(jié)果的三個乘積項中都是已知信號，且具有明確的物理意義，也就是各個傳感器接收到的聲發(fā)射信號及其共軛信號，所以就可以直接認(rèn)為s’ij(ω)是“x*(ω)·x(ω)·x(ω)”作為聲源信號的時間反轉(zhuǎn)增強信號，而且“x*(ω)·x(ω)·x(ω)”與x(ω)的頻域特性相同，所以也不會對傳播速度等因素有任何影響。2.4本章小結(jié)本章簡單介紹了聲發(fā)射檢測的原理和形成聲發(fā)射源的原理，聲發(fā)射信號是從聲源也就是材料損傷處直接發(fā)出的，鋼絞線在應(yīng)用過程中很容易產(chǎn)生損傷，表面摩擦損傷或者內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷產(chǎn)生裂紋等，聲發(fā)射檢測就是借助感應(yīng)器所接收的以聲源信號來展開分析，在定位鋼絞線中聲源便是依據(jù)聲源信號被感應(yīng)元件接收的時間之差、感應(yīng)元件與感應(yīng)元件之間的間距及工件中的聲速進行計算，而且經(jīng)過時間反轉(zhuǎn)處理之后，聲發(fā)射信號可以在聲源處形成聚焦，并且時間反轉(zhuǎn)可以減弱波形模式變化的影響，從而提升聲發(fā)射源定位的精度。鋼絞線時間反轉(zhuǎn)定位有限元仿真研究3.1建立仿真條件根據(jù)上文所述的時間反轉(zhuǎn)聚焦定位法則，我們通過有限元軟件做模擬分析，又對算法的精準(zhǔn)性進行檢驗。首先通過SolidWorks軟件建立一個1×7的單股鋼絞線模型，該模型的截面直徑和長度分別為15mm、360mm，模型材料采用316退火不銹鋼，然后設(shè)置低反射界面降低端面回波。為了測定鋼絞線模型中的實際聲速，需要設(shè)置A(0,10,80)、B(0,10,160)、C(0,10,240)、D(0,10,320)四個激勵點，以及M(0,0,0)和N(0,0,360)兩個用來模擬傳感器接收信號的采樣點，如圖3-1所示。圖3-SEQ圖3-\*ARABIC1鋼絞線模型示意圖為確保模擬實驗信息的精準(zhǔn)性，需設(shè)置與模型和激勵信號相適應(yīng)的空間分辨率和時間分辨率。模擬聲發(fā)射源采用平行于Z軸的調(diào)制正弦波，中心頻率為500kHz，如圖3-2所示。根據(jù)聲源中心頻率選擇瞬態(tài)分析的研究時間間隔為0.2μs，時間總步長為150μs。圖3-SEQ圖3-\*ARABIC2調(diào)制正弦波3.2仿真結(jié)果和分析分別通過在A、B、C、D四個點施加激勵聲發(fā)射信號，并在M、N兩點進行信號采集，再依據(jù)式（7）對獲得的聲發(fā)射信號做時間反轉(zhuǎn)處理，然后分別計算并且處理各個傳感器反相激勵后得到的聲源處散射信號，再分別提取各個信號包絡(luò)線最大值處的時間值，之后再根據(jù)傳感器之間的間距與時間差計算得出聲速，如表3-1所示。最后整個鋼絞線模型的平均聲速為2484m/s。表3-SEQ表3-\*ARABIC1聲速測試結(jié)果激勵點聲速m/s激勵點坐標(biāo)/mmA2521A(0,10,80)B2495B(0,10,160)C2506C(0,10,240)D2414D(0,10,320)測得鋼絞線模型中的實際聲速后，分別選取鋼絞線模型中的6個點進行激勵和時間反轉(zhuǎn)定位，采樣點的位置和激勵聲發(fā)射源保持不變，激勵點的坐標(biāo)如表3-2所示。以a點為例來進行仿真實驗以及數(shù)字信號處理的過程，當(dāng)在a點激勵模擬聲發(fā)射源時，聲波在鋼絞線模型內(nèi)部傳播，通過M、N兩個模擬傳感器的采樣點獲得聲發(fā)射信號，然后再將提取出來的該信號執(zhí)行歸一化操作，詳見圖3-3所示。表3-SEQ表3-\*ARABIC2激勵處的橫軸及縱軸信息激勵處對應(yīng)坐標(biāo)/mmaa(0,0,40)bb(0,0,190)cc(0,0,280)dd(0,10,130)ee(0,10,90)ff(10,0,210)圖3-SEQ圖3-\*ARABIC3a點激勵時各傳感器接收信號歸一化處理波形圖依據(jù)式（6）至（9）,對歸一化處理后的信號實施時間反轉(zhuǎn)。首先，針對兩大感應(yīng)元件所接收的源信號取共軛（即做時間反轉(zhuǎn)處理），繼而獲得時間反轉(zhuǎn)信號，再分別對這兩個信號與其相應(yīng)的原信號求和、相乘，就能得到在聲源處聚焦的增強信號，如圖3-4所示，取匯集于聲源處的強信號與每個感應(yīng)元件加載的反相信號的包絡(luò)線做對比，波動幅值的峰值有很大的提升，最后將該疊加增強信號分別與對應(yīng)傳感器所接收源信號加以卷積，便可獲得傳至每個感應(yīng)元件內(nèi)的匯集增強信號，同時，采用提取交疊強化信號包絡(luò)線之法可將因采集點不一樣導(dǎo)致的時間傳輸偏差、相位偏差消除，將其它幾個模擬聲源的激勵點產(chǎn)生的聲發(fā)射信號一一進行統(tǒng)一處理，便可依次得到兩個傳感器的疊加增強信號與其對應(yīng)的時間反轉(zhuǎn)信號包絡(luò)圖，如圖3-5~3-10所示。圖3-SEQ圖3-\*ARABIC4a點激勵時聲源處的疊加增強信號與各傳感器的時間反轉(zhuǎn)加載信號包絡(luò)圖(a)M點 (b)N點圖3-SEQ圖3-\*ARABIC5a點激勵時各傳感器疊加增強信號與時間反轉(zhuǎn)信號包絡(luò)圖(a)M點 (b)N點圖3-SEQ圖3-\*ARABIC6b點激勵時各傳感器疊加增強信號與時間反轉(zhuǎn)信號包絡(luò)圖(a)M點 (b)N點圖3-SEQ圖3-\*ARABIC7c點激勵時各傳感器疊加增強信號與時間反轉(zhuǎn)信號包絡(luò)圖(a)M點 (b)N點圖3-SEQ圖3-\*ARABIC8d點激勵時各傳感器疊加增強信號與時間反轉(zhuǎn)信號包絡(luò)圖(a)M點 (b)N點圖3-SEQ圖3-\*ARABIC9e點激勵時各傳感器疊加增強信號與時間反轉(zhuǎn)信號包絡(luò)圖(a)M點 (b)N點圖3-SEQ圖3-\*ARABIC10f點激勵時各傳感器疊加增強信號與時間反轉(zhuǎn)信號包絡(luò)圖根據(jù)圖3-5~3-10我們可以知道，在各個包絡(luò)線中，最高峰值處所對應(yīng)的時間就是聲源處的疊加增強信號經(jīng)過散射后再次被各個傳感器接收到的時間Ti(i=1,2)，而且根據(jù)之前的實際聲速測試以及兩個傳感器之間的間距L，計算得出平均聲速v=2484m/s，L=360mm。因為鋼絞線屬于典型的長徑比非常大的構(gòu)件類型，所以可以將兩個傳感器接收到聲源處疊加增強信號的散射信號的時間Ti、實際聲速v以及兩個傳感器的間距L代入式(1)和式(2)兩個式子中，根據(jù)時差定位法，式中的Δt表示感應(yīng)元件所接收信號與另一個感應(yīng)元件所接收信號在時間上的差值，d代表的是聲源與較近感應(yīng)元件之間的間距，進而在z軸上對聲源進行線定位。得到的結(jié)果詳見下圖所示。表3-SEQ表3-\*ARABIC3時間反轉(zhuǎn)定位結(jié)果激勵點激勵點Z軸坐標(biāo)/mm定位Z軸坐標(biāo)/mm相對誤差/%a4038.24.5b190189.70.2c280272.32.8d130128.11.5e200204.32.2f310305.71.4同時，針對傳感器接收到的原信號進行同樣的處理，將原信號包絡(luò)線中的最高峰值處的時間也代入這兩個公式中進行線定位，結(jié)果如表3-4所示。表3-SEQ表3-\*ARABIC4原信號定位結(jié)果激勵點激勵點Z軸坐標(biāo)/mm定位Z軸坐標(biāo)/mm相對誤差/%a4044.711.8b190186.71.7c280268.24.2d13078.239.8e200209.75.4f310302.52.4經(jīng)過對比表3-3與表3-4可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過時間反轉(zhuǎn)處理后的疊加增強信號在進行定位時的相對誤差均在5%以內(nèi)，而用沒有經(jīng)過時間反轉(zhuǎn)處理的原信號直接進行定位時，產(chǎn)生的相對誤差較大，比如在d點處激勵時，由于d點位于鋼絞線外層鋼絲處，產(chǎn)生的波形的模態(tài)成分更加復(fù)雜，在沒有經(jīng)過時間反轉(zhuǎn)處理的波形中最高峰值處對應(yīng)的時間發(fā)生了移位，導(dǎo)致定位的相對誤差過大，而經(jīng)過時間反轉(zhuǎn)處理后，過濾掉了波形模態(tài)的影響，當(dāng)不受波形模式變化的影響后，定位的效果自然會更加精確。依據(jù)模擬實驗所得信息，意味著經(jīng)時間反轉(zhuǎn)匯集又定位聲源的辦法確實可將聲源處精準(zhǔn)的找出來，并且使定位精度得到了顯著提升。3.3本章小結(jié)此章借助有限元模擬法探討分析了時間反轉(zhuǎn)對聲發(fā)射源定位精度提升的可行性，通過設(shè)置不同的激勵點來模擬聲發(fā)射信號，以及兩個模擬傳感器的采樣點，根據(jù)各個采樣點接收到的疊加增強信號與其對應(yīng)的時間反轉(zhuǎn)信號包絡(luò)圖可知，經(jīng)過時間反轉(zhuǎn)處理后的源信號在定位聲源的過程中，獲得的定位結(jié)果的確更加精確。鋼絞線時間反轉(zhuǎn)定位實驗4.1設(shè)備及試件制作本次實驗所采用的試件直徑、長度分別為15mm、420mm的7股鋼絲絞合而成的1根鋼絞線，，其鋼絲直徑是5mm，為避免該試件在加工切割的過程中散開，影響實驗進程，所以對試件的兩端進行燒焊加固處理，如圖4-1所示。圖4-SEQ圖4-\*ARABIC1鋼絞線加工示意圖實驗運用的是PCI-2型聲發(fā)射儀器（產(chǎn)自美國的物理聲學(xué)企業(yè)），如圖4-2所示，該儀器內(nèi)置4塊采集卡，設(shè)有8個通道，應(yīng)用AEWIN軟件，可以實現(xiàn)針對模擬聲發(fā)射信號的濾波、采集、放大、波形顯示及提取特征參數(shù)等功能。聲發(fā)射體系當(dāng)中，感應(yīng)元件窄帶諧振感應(yīng)器的一種，其型號為R15ɑ，參數(shù)則詳見表4-1所示。(a)型號為PCI-2的聲發(fā)射裝置 (b)型號為R15ɑ的聲發(fā)射感應(yīng)元件圖4-SEQ圖4-\*ARABIC2聲發(fā)射檢測體系表4-SEQ表4-\*ARABIC1R15α主要參數(shù)傳感器型號峰值靈敏度工作頻率/kHz方向性/dB適用溫度/℃沖擊極限/g尺寸（直徑*高度）/mm表面材料R15α80dB50~400±1.5-65~17550019*22.4陶瓷4.2平均聲速測定以試件貼標(biāo)簽的一端為坐標(biāo)零點，將兩個聲發(fā)射傳感器分別置于0mm和420mm的位置。為了保證所測得聲速的準(zhǔn)確性，我們采取鉛筆斷鉛的方式從100mm處生成相應(yīng)發(fā)射信號、從200mm處生成相應(yīng)發(fā)射信號，從300mm處生成相應(yīng)發(fā)射信號，從400mm處生成相應(yīng)發(fā)射信號，詳見下圖所示。圖4-SEQ圖4-\*ARABIC3斷鉛法監(jiān)測聲音速率經(jīng)由安裝在鋼絞線上的感應(yīng)元件來收取間距不一樣的斷鉛信號并進行時間反轉(zhuǎn)處理，然后根據(jù)兩個傳感器的間距與聲發(fā)射信號到達兩個傳感器的時間差來計算試件的平均聲速，測試結(jié)果如表4-2所示，最終計算得出該鋼絞線試件的平均聲速為v=2123m/s。表4-SEQ表4-\*ARABIC2聲速測定結(jié)果斷鉛點位置/mm聲速m/s10021842002011300227140020264.3定位試驗與信號分析定位實驗的時候我們依然采用斷鉛信號來模擬實際聲發(fā)射源產(chǎn)生的聲發(fā)射信號，聲發(fā)射傳感器的布設(shè)位置不變，如圖4-3所示，可以發(fā)現(xiàn)傳感器探頭的表面積僅僅只能覆蓋一至兩根外層的鋼絲，由于鋼絞線中的聲發(fā)射信號在傳播的過程中，大部分的能量存在于發(fā)生損傷的鋼絲中，結(jié)合柱體導(dǎo)波的多模態(tài)影響，容易導(dǎo)致?lián)p傷識別和聲源定位產(chǎn)生較大的誤差。所以為了驗證時間反轉(zhuǎn)定位的效果，根據(jù)傳感器布置的位置，分別選取6個不同的外層鋼絲表面的點來進行斷鉛測試，如圖4-4所示，各斷鉛測試點的位置如表4-3所示。當(dāng)聲發(fā)射信號到達傳感器后，通過時間反轉(zhuǎn)定位算法實現(xiàn)鋼絞線損傷聲發(fā)射源的定位。結(jié)果表明時間反轉(zhuǎn)聚焦定位算法的確可以減弱定位值因波形模式變化所受干擾，并使定位更精確。圖4-SEQ圖4-\*ARABIC4斷鉛測試點示意圖表4-SEQ表4-\*ARABIC3斷鉛測試點位置斷鉛測試點abcdef距零點位置/mm75125180240310375根據(jù)仿真實驗，取a點為例，圖4-5為a點斷鉛時，將兩個傳感器接收到的聲發(fā)射信號進行時間反轉(zhuǎn)處理后再與原信號進行卷積求和得到的聲源處的疊加增強信號與各個傳感器的時間反轉(zhuǎn)信號包絡(luò)圖。然后可以發(fā)現(xiàn)，包絡(luò)圖和仿真實驗的結(jié)果相同，當(dāng)聲發(fā)射信號被傳感器接收后，經(jīng)過時間反轉(zhuǎn)處理之后在聲源處聚焦的疊加增強信號的波動幅值有了很大的提升。然后根據(jù)上述數(shù)字信號處理的方法，將聲源處疊加增強信號與各個傳感器接收到的原信號進行卷積即可得到兩個傳感器接收到的疊加增強信號，各點斷鉛測試時兩個傳感器的疊加增強信號與其對應(yīng)的時間反轉(zhuǎn)信號包絡(luò)圖如圖4-6~4-11所示。圖4-SEQ圖4-\*ARABIC5a點斷鉛時聲源處疊加增強信號與各傳感器時間反轉(zhuǎn)信號包絡(luò)圖(a)1號傳感器 (b)2號傳感器圖4-SEQ圖4-\*ARABIC6a點斷鉛時各傳感器疊加增強信號與時間反轉(zhuǎn)信號包絡(luò)圖(a)1號傳感器 (b)2號傳感器圖4-SEQ圖4-\*ARABIC7b點斷鉛時各傳感器疊加增強信號與時間反轉(zhuǎn)信號包絡(luò)圖(a)1號傳感器 (b)2號傳感器圖4-SEQ圖4-\*ARABIC8c點斷鉛時各傳感器疊加增強信號與時間反轉(zhuǎn)信號包絡(luò)圖(a)1號傳感器 (b)2號傳感器圖4-SEQ圖4-\*ARABIC9d點斷鉛時各傳感器疊加增強信號與時間反轉(zhuǎn)信號包絡(luò)圖(a)1號傳感器 (b)2號傳感器圖4-SEQ圖4-\*ARABIC10e點斷鉛時各傳感器疊加增強信號與時間反轉(zhuǎn)信號包絡(luò)圖(a)1號傳感器 (b)2號傳感器圖4-SEQ圖4-\*ARABIC11f點斷鉛時各傳感器疊加增強信號與時間反轉(zhuǎn)信號包絡(luò)圖再根據(jù)各包絡(luò)線中的最高峰值處所對應(yīng)的時間，也就是兩個傳感器接收到疊加增強信號的到達時間Ti(i=1,2)，以及平均聲速v=2123m/s和兩個傳感器的間距L=420mm。再次將Ti、v、L三者代入式(1)和式(2)兩式中，對聲發(fā)射源在Z軸上進行線定位，定位的結(jié)果如表4-4所示。表4-SEQ表4-\*ARABIC4時間反轉(zhuǎn)定位結(jié)果斷鉛測試點距零點位置/mm定位位置/mm相對誤差/%a7578.64.8b125120.53.6c180172.74.1d240245.22.2e310313.61.2f375367.62.0表4-SEQ表4-\*ARABIC5原信號定位結(jié)果斷鉛測試點距零點位置/mm定位位置/mm相對誤差/%a7563.814.9b125139.611.7c180162.49.8d240229.64.3e310326.85.4f375348.57.1對比沒有經(jīng)過時間反轉(zhuǎn)處理的原信號直接定位所得到的結(jié)果，如表4-5所示，我們可以發(fā)現(xiàn)，直接采用原信號進行線定位時的誤差較大。而經(jīng)過時間反轉(zhuǎn)處理后，減弱了鋼絞線結(jié)構(gòu)中聲波傳播時的波形模式變化的影響，當(dāng)聲源處的疊加增強信號再次傳播到傳感器時，接收信號的信噪比得到提升，定位結(jié)果產(chǎn)生的誤差均在5%以內(nèi)，定位精度相較于原信號直接定位得到了有效提高。4.4本章小結(jié)本章通過在鋼絞線模型上設(shè)置不同的斷鉛測試點，利用在鋼絞線模型兩端的傳感器接收斷鉛信號來進行時間反轉(zhuǎn)，根據(jù)兩個傳感器接收到的疊加增強信號與其對應(yīng)的時間反轉(zhuǎn)信號包絡(luò)圖可知，與直接用傳感器接收到的原信號進行定位相比，經(jīng)過時間反轉(zhuǎn)的增強信號進行定位時，定位精度的確得到了顯著提升?？偨Y(jié)與展望5.1總結(jié)本次實驗是根據(jù)聲互易性原理和鋼絞線中聲發(fā)射信號的傳播特性，提出了一種基于時間反轉(zhuǎn)聚焦的針對鋼絞線損傷聲發(fā)射源的定位方法。第一章主要了解了一下鋼絞線的結(jié)構(gòu)、類型、特性、應(yīng)用以及國內(nèi)外對鋼絞線損傷的檢測，常規(guī)的檢測方法并不能實時監(jiān)測到鋼絞線內(nèi)部的損傷變化，對于聲發(fā)射技術(shù)而言，聲發(fā)射源的定位才是一個主要的目的，所以提出了一種時間反轉(zhuǎn)聚焦的方法來實現(xiàn)鋼絞線聲發(fā)射源定位。第二章主要介紹了時間反轉(zhuǎn)聚焦的基本原理和聲發(fā)射源的定位方法。時間反轉(zhuǎn)的本質(zhì)其實是將傳感器接收到的聲發(fā)射信號取共軛，再根據(jù)先到后發(fā)，后到先發(fā)，在對應(yīng)的傳感器上激勵并發(fā)出，之后就可以在聲源處形成聚焦增強信號。鋼絞線中的損傷聲發(fā)射信號屬于突發(fā)型的，其定位檢測通常有時差定位、地區(qū)定位之分，或者也可將其細(xì)化成為三維定位、一維定位、單通道監(jiān)測等，其中鋼絞線作為長徑比非常大的構(gòu)件類型，就比較適用于一維定位中的線型定位方法，利用感應(yīng)元件與感應(yīng)元件之間的間距，其接收到聲源時的時間之差、材料聲速來確定聲源位置，所謂時間反轉(zhuǎn)則是，利用所接收源信號的重新構(gòu)建并將其反向加載，就可以降低鋼絞線中聲波的波形模式變化的影響，實現(xiàn)對損傷聲發(fā)射源的精確定位。第三章和第四章主要通過設(shè)置有限元仿真和實驗，來驗證時間反轉(zhuǎn)定位算法的可行性，根據(jù)各點激勵時兩個傳感器的疊加增強信號與其對應(yīng)的時間反轉(zhuǎn)信號包絡(luò)圖和最終的計算結(jié)果表明，不論是有限元仿真還是實驗，和原信號直接進行定位相比，運用被時間反轉(zhuǎn)后的聲源信號來確定聲源位置時，定位精度有了明顯的提高。在實驗中，先根據(jù)兩個傳感器的間距和聲發(fā)射信號到達兩個傳感器的時間差來計算出鋼絞線試件中的平均聲速，然后通過在鋼絞線試件上進行斷鉛實驗來模擬聲發(fā)射信號，同時利用聲發(fā)射檢測設(shè)備接收斷鉛信號進行時間反轉(zhuǎn)，再根據(jù)兩個傳感器接收到疊加增強信號的時間差和平均聲速及兩個傳感器的間距對聲發(fā)射源進行線定位，并且和沒有經(jīng)過時間反轉(zhuǎn)處理的原信號的定位結(jié)果做比較分析。結(jié)果顯示，時間反轉(zhuǎn)定位的精度均在5%以內(nèi)，而沒有經(jīng)過時間反轉(zhuǎn)處理的定位結(jié)果誤差較大，所以時間反轉(zhuǎn)定位的方法的確可以大幅提高鋼絞線中損傷聲發(fā)射源的定位精度。5.2展望作為無損動態(tài)監(jiān)測技術(shù)，聲發(fā)射檢測已在探測金屬傷害領(lǐng)域獲得了大量的運用，不過隨著檢測技術(shù)日新月異的發(fā)展，這種能實時監(jiān)測材料內(nèi)部變化的檢測技術(shù)會被更多人所熟知，會在更多的方方面面得到擴展和發(fā)展。只要我們不停的去探索，去發(fā)現(xiàn)，就能發(fā)現(xiàn)新的聲發(fā)射檢測技術(shù)，還有更大的天地等著我們?nèi)グl(fā)掘。參考文獻Xiaoy