基于时间反转的线声发射检测仿真研究11000字论文

摘要：声发射测定的其中一个重要目的是定位发声声源，借助声发射感应元件声源处发出的声音信号接收，然后经过波形分析和信号处理就可以对钢绞线内部缺陷的产生和扩展进行实时监测。时间反转是指将传感器接收到的声发射信号反向加载并发出，这时声发射信号将会在声源处形成聚焦，产生一个叠加增强信号，而且时间反转处理可以减弱声波在传播过程中波形模式变化对定位结果的影响，进而使定位的发声声源更精准。经由有限元仿真来验证时间反转的准确性，在仿真软件中建立一个钢绞线模型，设置六个激励点分别模拟声发射源，再设置两个模拟传感器的采样点进行信号采集，在以时间反转方式对所采集信号做处理之后，将获得一个叠加增强信号，再根据这个叠加增强信号到达采样点和采样点之间的时间差、间距以及钢绞线模型中的平均声速对声发射源进行定位。之后再次通过实验来进一步验证时间反转的准确性，在钢绞线模型上设置六个断铅测试点，两个声发射传感器位于钢绞线模型的两端。分别在六个测试点激励，将传感器接收到的断铅信号进行时间反转，在声源处得到叠加增强信号，然后根据以上同一办法对发射声音的源头加以定位。结果表明，不论是有限元仿真还是实验，最终的定位结果误差都在5%以内，都验证了时间反转的准确性。关键词：声发射检测，时间反转，钢绞线，定位，叠加增强信号 1.1钢绞线概述 11.2钢绞线的无损检测 11.3国内外研究现状 11.4本章小结 2第二章钢绞线的声发射检测及定位原理 32.1声发射检测原理 32.2声发射源产生机理 32.3钢绞线声发射源定位方法 3 3 4 4 6第三章钢绞线时间反转定位有限元仿真研究 63.1建立仿真条件 63.2仿真结果和分析 3.3本章小结 第四章钢绞线时间反转定位实验 4.1设备及试件制作 4.2平均声速测定 4.4本章小结 第五章总结与展望 5.1总结 5.2展望 参考文献 1在我国的工业发展和各个工程项目中，钢绞线都具有举足轻重的地位，因为钢绞线有抗拉强度高，松弛性能好，稳定性高且安全系数高等特点，所以被广泛运用于桥梁等大型建筑项目。钢绞线是一种钢铁产品，它由多根钢丝相绞而成，通常情况下，钢丝表层可依据所需蚀性，而涂上油脂或者石蜡之后包白色粉末或颗粒状的高密度聚乙烯，此类钢绞线也有镀铝镀锌钢绞线通常指承力索和拉线，也可以作架空输电的地线、公路两边的阻拦索或者建桥梁、岩土项目、能源、建筑等领域得到了大量运用，通常情况下，在地基、楼板等项目中会经常运用到无粘结预应力钢绞线。我们平时常见的钢绞线抗拉强度等级为1860MPa,除此之外还有1720、1770、1960、2000、2100MPa等级别。目前，钢绞线的种类已经不下一百种了，而且规格更是有上千种之多13,所以不同类型和工艺的钢绞线运用后不可避免的会出现程度不一的损伤，因为钢绞线的应用环境一般位于户外，常年的风吹日晒导致钢绞线很容易出现腐蚀或损伤，比如起重机的吊索，运作时又需要承受很大的重力，一旦出现损伤将会影响整个建筑工程，因此钢绞线需要经常进行监测及作为动态无损检测工艺，AcousticEmission,即声发射检测工艺在检测金属损伤的研究方面得到了大量运用。该工艺是借助声发射感应器对物质内部因构造改变而形成的弹性波进行即时检测，并且待测件不会因此而受到干扰，与常规办法相比，其对关键位置出现的损伤以及其延伸的检测更为适用。并且声发射信号有持续型、突发型之分，前者持续较长时间，其实质是一个突发型信号集，而后者具有较大的幅值，只是持续时间不长。金属材料残损生成的声发射信号属于后者，裂纹延伸方会形成持续型的一些信号。而且钢绞线的钢丝断裂时生成的声发射信号能够在幅值衰减不明显的前提下传出近29.5远，在研究声发射监测钢绞线方面，国外要早于国内，且已经有了一定的成果，例如2013年，JeseMangual等[4对声发射监测预应力钢绞线主动腐蚀的可行性进行了研究，发现2了声发射是一种可以用来检测并量化腐蚀损伤的有用的非侵入性的技术；同年，LamineDjeddi等5研究了声发射技术监测钢绞线腐蚀演变和股线破坏的能力，证明了声发射是检测和评估高强度钢绞线腐蚀和破坏的非常实用的技术。而国内的钢绞线声发射研究起步较晚，还有很大的进步空间，比如2019年，何燕等[6借助声发射技术监测了钢绞线的断裂以及超张拉损伤情况，目的是为了搭建高效、迅速且安全的一种办法来对此类材料的超张拉损伤异常进行监测；2010年，邓扬等[7借助该技术对拉伸钢绞线的经过做了即时监测，得出的结论是，在弹性阶段，钢绞线发出声音信号来源以钢丝与钢丝之间产生的摩擦为主，而到了塑性阶段够更精准的定位材料损伤并为安装感应器提供可靠资料，他们依损伤，从面、线、点三个方面的定位展开了对其定位的研究。结果结果显示，该算法能够定位各种复杂异性材料的发声源，并且与常规1.4本章小结此单重点介绍了钢绞线的结构组成、类型、特性我们本次的研究采用时间反转聚焦法则，对定位钢绞照时间顺序将它们在对应的感应器上进行反相激励，即先到号必将汇集至声源处]。并且此种反转是对声互易性理论的一种运用，能够无须介质和感应器构造及特性相关的先验知识使可使声波实现自动汇集，并重构声源处精准的检测出来。所谓声互易性理论，意指以Green函数为基础，在边界条件不变的情况下由A点激发在B点有影响的声场与B点在A点激发并造成影响的声场是彼此等效的。声发射检测法是被动式的，它并无额外增加激励信号，其信号是直置发出的，这类信号会经由各种传播渠道传至安装于需把所采集的信号在感应器上进行反相加载接着再发出，如此便可汇集至声源位置。然而因检测时，监测区域内的声源处是随机的，并且在时间反转进行激励信号加3第二章钢绞线的声发射检测及定位原理材料中因为裂纹扩展、塑性变形等内部结构变化而产生弹性波的现象称为声发射。所进而达到了对工件内部损伤的实时监测的目的。通过对工件内部损伤的实时监测，就能够及时关注到损伤的发展程度，同时对声发射源信号做出定位，从而避免工件疲劳损伤带来的经声发射源即是材料损伤处，材料内部应力的变化会产生声发射信号，在日常加工和应用当中，不可避免的会因外部因素受到干扰，致使裂纹的产生和扩展，热胀冷缩等，而金属材料的声发射源主要是塑性变形、夹杂及裂纹扩展15。钢绞线在应用的过程中，经常是处于户钢绞线受损形成的声发射信号是突发型的，关于此类信号的声源定位，区域定位法虽然简单快捷，布置灵活，但是只能通过声发射信号到达传感器的时间顺序，将声源位置大致确定下来，而无法对声源位置进行精准定位。而时差定位法是根据声发射信号传至每个感应元件的时差、感应元件探头的间距以及声速，通过构造几何方程来计算声发射源在监测范围内的精确定位161。以管材为例，如图2-1所示，声源在感应元件之内，位于传感器内部，声发射信号被感应元件1号所接收的时间与其被感应元件2号所接收时间之差的表达式(1),声源与感应元件1号之间的间距d为表达式(2)。4虽然时差定位法已经可以精确定位到声源处，然而因声音信号在传播途中会出现折射、散射进而致使声音波形发生模式转化，导致到达传感器的信号波成分复杂，需要通过数字信号处理和波形分析等方法来进一步提高定位精度。而使用时间反转聚焦法则，就可以使传感器接收到的声发射信号不受波形模式转化的影响，在时间和空间上同时同相的在时间反转是根据传感器接收到的声发射信号，利用声互易性原理，可以在介质中得到聚焦状态,声源、传播介质及传感器组成了一个完整的信号传输系统。假定x(o)、h(o)分别为声发射信号、经各种渠道传递至感应元件后的声发射信号传递函数。则感应元件收取的贪吃可由下式表示,其中o代表的是频率。D(o)=d(w)=x(o)·h(w)(4)将时间反转响应信号D(o)反向加载到传感器上,声波将会沿着原路返回到达声源处,根据声互易性原理，传递函数不会由于声波传播方向变化而受到干扰，因此声源处汇集的信号式中的“h(o)●h(o)”表示在介质当中声波共轭函数与其传输函数相乘的结果,是一个偶函数、实函数、正函数，而且数值成几何倍数增长，在时间零点会产生同相叠加，出现一个主相关峰值。在实际的声发射源定位检测中，利用此法对各个感应元件进行处理，叠加之后,声源处的信号峰值迅速聚集,定位精度得到提升,而噪声不会叠加,所以信噪比也得声发射信号是由声发射源,即声源位于损伤处,如图2-2所示,经由各种传播渠道,此类信号会被安装于四周的感应器接收，经时间反转之后，则需把所采集的信号在感应器上进5图2-2时间反转流程图示不过在实际的运用过程中，要进行物理上的反向加载这个操作是比较困难的事情，因为若是反相加载之后又收录了声源信号则会出现很多干扰信号，进而导致时间反转的成效大受影响。基于此，对于时间反转汇集，我们运用处理数字信号的一种办法来将其实现。如图2-3所示，假定x(の)是钢绞线损伤处发出的信号，图示的感应器(2个)所受到的信号一个是d(w),另一个是(i=1,2),声源经过不同途径传播到各个传感器的传递函数为h;(w),(i=1,2),那么则每个感应元件所接收信号可用以下公式来表达：依据时间反转汇集理论，把所有感应元件所接收的声发射信号进行时间反转处理，声源信号将会在特定的时间，从其相对应的传感器上激励并发出，使声发射信号能够在声源处实现时间和空间上的聚焦。而且根据声互易性原理，声发射信号在同一个传播路径上的传递函数是不会发生改变的，并且时间反转的实质其实就是做共轭处理，所以在声源处得到的信号式中的“Zh;(の)●h;(の)”其实就是对声源信号的时间反转聚焦的叠加，所以声源处信号的波峰幅值可以得到增强，并且超过了实际声源信号的最大波峰幅值。因此此种处理数字信号的办法确实能够使声源信号实现汇集并使之得到增强。不过在现实的监测当中，声源处是随机的，因此E;(の)这个声源汇集信号只是理论层面的。然而因检测时，声源位置出现的损伤会导致时间反转后进行激励信号加载的过程中声源6会出现散射，接着再一次被四周的感应器所接收，假定sj(w)为每个感应元件第二次所接收强，不过其他干扰信号因产生的位置、时间不一样而致使其满足但是却又因为传播路径并不能确定，导致传递函数是无法获得的，信号的时间反转聚焦处理，存在的困难还是非常多。若是同时利用“x(w)●x(w)”与(8)左s;(w)=s,(o)·x(a)·x(w)是各个传感器接收到的声发射信号及其共轭信号，所以就可以直接认为s'j(w)是“x(w)●x(w)●x(w)”作为声源信号的时间反转增强信号，而且“x(w)●x(w)●x(w)”本章简单介绍了声发射检测的原理和形成声发射源的原理，声发射信号是从声源也就是材料损伤处直接发出的，钢绞线在应用过程中很容易产生损伤，表面摩擦损伤或者内部结构损伤产生裂纹等，声发射检测就是借助感应器所接收的以声源信号来展开分析，在定位钢绞线中声源便是依据声源信号被感应元件接收的时间之差、感应元件与感应元件之间的间距及工件中的声速进行计算，而且经过时间反转处理之后，声发射信号可以在声源处形成聚第三章钢绞线时间反转定位有限元仿真研究根据上文所述的时间反转聚焦定位法则，我们通过有限元软件做模拟分析，又对算法的精准性进行检验。首先通过SolidWorks软件建立一个1×7的单股钢绞线模型，直径和长度分别为15mm、360mm,模型材料采用316退火不锈钢，然后设置低反射界面降低端面回波。为了测定钢绞线模型中的实际声速，需要设置A(0,10,80)、B(0,10,160)、7C(0,10,240)、D(0,10,320)四个激励点，以及M(0,0,0)和N(号的采样点，如图3-1所示。为确保模拟实验信息的精准性，需设置与模型和激励信号相适应的空间分辨率和时间分辨率。模拟声发射源采用平行于Z轴的调制正弦波，中心频率为500kHz,如图3-2所示。根据声源中心频率选择瞬态分析的研究时间间隔为0.2μs,时间总步长为150μs。时间/μs图3-2调制正弦波分别通过在A、B、C、D四个点施加激励声发射信号，并在M、N两点进行信号采集，再依据式(7)对获得的声发射信号做时间反转处理，然后分别计算并且处理各个传感器反相激励后得到的声源处散射信号，再分别提取各个信号包络线最大值处的时间值，之后再根据传感器之间的间距与时间差计算得出声速，如表3-1所示。最后整个钢绞线模型的平均声速为2484m/s。8激励点ABCD测得钢绞线模型中的实际声速后，分别选取钢绞线模型中的6个点进行激励和时间反转定位，采样点的位置和激励声发射源保持不变，激励点的坐标如表3-2所示。以a点为例来进行仿真实验以及数字信号处理的过程，当在a点激励模拟声发射源时，声波在钢绞线模型号执行归一化操作，详见图3-3所示。表3-2激励处的横轴及纵轴信息abCdef时间/μs9依据式(6)至(9),对归一化处理后的信号实施时间反转。首先，针对两大感应元件所接收的源信号取共轭(即做时间反转处理),继而获得时间反转信号，再分别对这两个信号与其相应的原信号求和、相乘，就能得到在声源处聚焦的增强信号，如图3-4所示，取汇集于声源处的强信号与每个感应元件加载的反相信号的包络线做对比，波动幅值的峰值有很大的提升，最后将该叠加增强信号分别与对应传感器所接收源信号加以卷积，便可获得传至每个感应元件内的汇集增强信号，同时，采用提取交叠强化信号包络线之法可将因采集点不一样导致的时间传输偏差、相位偏差消除，将其它几个模拟声源的激励点产生的声发射信号一一进行统一处理，便可依次得到两个传感器的叠加增强信号与其对应的时间反转信号包络图，如图3-5~3-10所示。时间/μs图3-6b点激励时各传感器叠加增强信号与时间反转信号包络图图3-7c点激励时各传感器叠加增强信号与时间反转信号包络图图3-8d点激励时各传感器叠加增强信号与时间反转幅值N幅值N幅值N幅值N根据图3-5~3-10我们可以知道，在各个包络线中，最高峰值处所对应的时间就是声源处的叠加增强信号经过散射后再次被各个传感器接收到的时间Ti(i=1,2),而且根据之前的实际声速测试以及两个传感器之间的间距L,计算得出平均声速v=2484m/s,L=360mm。因为钢绞线属于典型的长径比非常大的构件类型，所以可以将两个传感器接收到声源处叠加增强信号的散射信号的时间Ti、实际声速v以及两个传感器的间距L代入式(1)和式(2)两个式子中，根据时差定位法，式中的△t表示感应元件所接收信号与另一个感应元件所接收信号在时间上的差值，d代表的是声源与较近感应元件之间的间距，进而在z轴上对声源进行线定位。得到的结果详见下图所示。激励点c同时，针对传感器接收到的原信号进行同样的处理，将原信号包络线中的最高峰值处的时间也代入这两个公式中进行线定位，结果如表3-4所示。激励点abcdef经过对比表3-3与表3-4可以发现，经过时间反转处理后的叠加增强信号在进行定位时的相对误差均在5%以内，而用没有经过时间反转处理的原信号直接进行定位时，产生的相对误差较大，比如在d点处激励时，由于d点位于钢绞线外层钢丝处，产生的波形的模态成分更加复杂，在没有经过时间反转处理的波形中最高峰值处对应的时间发生了移位，导致定位的相对误差过大，而经过时间反转处理后，过滤掉了波形模态的影响，当不受波形模式变化的影响后，定位的效果自然会更加精确。依据模拟实验所得信息，意味着经时间反转汇集又定3.3本章小结此章借助有限元模拟法探讨分析了时间反转对声发射源定位精度提升的可行性，通过设置不同的激励点来模拟声发射信号，以及两个模拟传感器的采样点，根据各个采样点接收到的叠加增强信号与其对应的时间反转信号包络图可知，经过时间反转处理后的源信号在定位第四章钢绞线时间反转定位实验本次实验所采用的试件直径、长度分别为15mm、420mm的7股钢丝绞合而成的1根钢绞线，,其钢丝直径是5mm,为避免该试件在加工切割的过程中散开，影响实验进程，所以对试件的两端进行烧焊加固处理，如图4-1所示。图4-1钢绞线加工示意图实验运用的是PCI-2型声发射仪器(产自美国的物理声学企业),如图4-2所示，该仪器内置4块采集卡，设有8个通道，应用AEWIN软件，可以实现针对模拟声发射信号的滤波、采集、放大、波形显示及提取特征参数等功能。声发射体系当中，感应元件窄带谐振感应器的一种，其型号为R15a,参数则详见表4-1所示。(a)型号为PCI-2的声发射装置(b)型号为R15a的声发射感应图4-2声发射检测体系型号灵敏度工作适用温度极限/g(直径*高度)陶瓷以试件贴标签的一端为坐标零点，将两个声发射传感器分别置于0mm和420mm的位置。为了保证所测得声速的准确性，我们采取铅笔断铅的方式从100mm处生成相应发射信号、从200mm处生成相应发射信号，从300mm处生成相应发射信号，从400mm处生成相应发射信号，详见下图所示。图4-3断铅法监测声音速率经由安装在钢绞线上的感应元件来收取间距不一样的断铅信号并进行时间反转处理，然后根据两个传感器的间距与声发射信号到达两个传感器的时间差来计算试件的平均声速，测试结果如表4-2所示，最终计算得出该钢绞线试件的平均声速为v=2123m/s。断铅点位置声速定位实验的时候我们依然采用断铅信号来模拟实际声发射源产生的声传感器的布设位置不变，如图4-3所示，可以发现传感器探头的表面积仅仅只能覆盖一至两根外层的钢丝，由于钢绞线中的声发射信号在传播的过程中，大部分的能量存在于发生损伤所以为了验证时间反转定位的效果，根据传感器布置的位置，分别选取6个不同的外层钢丝表面的点来进行断铅测试，如图4-4所示，各断铅测试点的位置如表4-3所示。当声发射信号到达传感器后，通过时间反转定位算法实现钢绞线损伤声发射源的定位。结果表明时间图4-4断铅测试点示意图断铅测试点abcdef距零点位置/mm根据仿真实验，取a点为例，图4-5为a点断铅时，将两个传感器接收到的声发射信号进行时间反转处理后再与原信号进行卷积求和得到的声源处的叠加增强信号与各个传感器的时间反转信号包络图。然后可以发现，包络图和仿真实验的结果相同，当声发射信号被传感器接收后，经过时间反转处理之后在声源处聚焦的叠加增强信号的波动幅值有了很大的提升。然后根据上述数字信号处理的方法，将声源处叠加增强信号与各个传感器接收到的原信号进行卷积即可得到两个传感器接收到的叠加增强信号，各点断铅测试时两个传感器的叠加增强信号与其对应的时间反转信号包络图如图4-6~4-11所示。幅值/V幅值/V时间/μs时间/μs时间/μs时间/μs(a)1号传感器(b)2号传感器幅值N幅值N(a)1号传感器(b)2号传感器(a)1号传感器(b)2号传感器(a)1号传感器(b)2号传感器再根据各包络线中的最高峰值处所对应的时间，也就是两个传感器接收到叠加增强信号的到达时间Ti(i=1,2),以及平均声速v=2123m/s和两个传感器的间距L=420mm。再次将Ti、v、L三者代入式(1)和式(2)两式中，对声发射源在Z轴上进行线定位，定位的结果如表4-4所断铅测试点abCdef断铅测试点abCdef对比没有经过时间反转处理的原信号直接定位所得到的结果，如表4-5所示，我们可以发现，直接采用原信号进行线定位时的误差较大。而经过时间反转处理后，减弱了钢绞线结构中声波传播时的波形模式变化的影响，当声源处的叠加增强信号再次传播到传感器时，接收信号的信噪比得到提升，定位结果产生的误差均在5%以内，定位精度相较于原信号直接定位得到了有效提高。本章通过在钢绞线模型上设置不同的断铅测试点，利用在钢绞线模型两端的传感器接收断铅信号来进行时间反转，根据两个传感器接收到的叠加增强信号与其对应的时间反转信号包络图可知，与直接用传感器接收到的原信号进行定位相比，经过时间反转的增强信号进行定位时，定位精度的确得到了显著提升。第五章总结与展望5.1总结本次实验是根据声互易性原理和钢绞线中声发射信号的传播特性，提出了一种基于时间反转聚焦的针对钢绞线损伤声发射源的定位方法。第一章主要了解了一下钢绞线的结构、类型、特性、应用以及国内外对钢绞线损伤的检测，常规的检测方法并不能实时监测到钢绞线内部的损伤变化，对于声发射技术而言，声发射源的定位才是一个主要的目的，所以提出了一种时间反转聚焦的方法来实现钢绞线声发射源定位。第二章主要介绍了时间反转聚焦的基本原理和声发射源的定位方法。时间反转的本质其实是将传感器接收到的声发射信号取共轭，再根据先到后发，后到先发，在对应的传感器上激励并发出，之后就可以在声源处形成聚焦钢绞线中的损伤声发射信号属于突发型的，其定位检测通常有时差定位、地区定位之分，或者也可将其细化成为三维定位、一维定位、单通道监测等，其中钢绞线作为长径比非常大的构件类型，就比较适用于一维定位中的线型定位方法，利用感应元件与感应元件之间的间距，其接收到声源时的时间之差、材料声速来确定声源位置，所谓时间反转则是，利用所接收源信号的重新构建并将其反向加载，就可以降低钢绞线中声波的波形模式变化的影响，实现对损伤声发射源的精确定位。第三章和第四章主要通过设置有限元仿真和实验，来验证时间反转定位算法的可行性，根据各点激励时两个传感器的叠加增强信号与其对应的时间反转信号包络图和最终的计算结果表明，不论是有限元仿真还是实验，和原信号直接进行定位相比，运用被时间反转后的声源信号来确定声源位置时，定位精度有了明显的提高。在实验中，先根据两个传感器的间距和声发射信号到达两个传感器的时间差来计算出钢绞线试件中的平