一種考慮聲波在兩種介質(zhì)界面折射情況下的聲發(fā)射源定位方法與流程

本發(fā)明涉及一種考慮聲波在兩種介質(zhì)界面折射情況下的聲發(fā)射源定位方法。

背景技術(shù)：

如何準(zhǔn)確得出聲發(fā)射源的位置是聲發(fā)射技術(shù)中的重要部分，目前的定位方法考慮的都是單一介質(zhì)，不考慮聲波在傳播過程中的折反射，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下探頭可以置于聲源所在介質(zhì)，在這種情況下對(duì)于單一介質(zhì)可以達(dá)到相應(yīng)的定位精度，然后對(duì)于一些特殊的情況，如探頭無法置于聲源所在介質(zhì)的時(shí)候，這種情況下探頭接收到的信號(hào)就穿過了兩種不同的介質(zhì)，波速不再是定值，也不再是沿直線傳播，如果不考慮聲波在傳播過程中的折射就無法準(zhǔn)確得到其聲源的位置，比如在巖石圍壓測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，聲發(fā)射源產(chǎn)生于試件中，但聲發(fā)射傳感器置于實(shí)驗(yàn)裝置外部，此時(shí)聲發(fā)射傳感器接收到的信號(hào)穿過了兩種不同的介質(zhì)，已有的聲發(fā)射源定位方法就不再適用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供了一種針對(duì)聲波在傳播過程中遇到不同介質(zhì)時(shí)發(fā)生折射的情況，避免因?yàn)槭褂闷骄ㄋ僖约鞍凑罩本€路徑傳播所帶來誤差的一種考慮聲波在兩種介質(zhì)界面折射情況下的聲發(fā)射源定位方法。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種考慮聲波在兩種介質(zhì)界面折射情況下的聲發(fā)射源定位方法，分為兩種情況：

A：二維定位方法：

首先在介質(zhì)2中放置M個(gè)不處于同一直線位置的聲發(fā)射傳感器，M個(gè)聲發(fā)射傳感器的二維位置坐標(biāo)已知，分別為(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，……，(x_M，y_M)，M大于等于3；

置于介質(zhì)1中的聲發(fā)射源產(chǎn)生應(yīng)力波后，M個(gè)聲發(fā)射傳感器感應(yīng)到聲發(fā)射源的時(shí)刻：t₁，t₂，……，t_M；

設(shè)聲發(fā)射源坐標(biāo)為(x，y)，在兩種介質(zhì)中傳播的速度分別為c₁，c₂，入射角為θ₁，折射角為θ₂；

折射定律：

設(shè)任意兩個(gè)聲發(fā)射傳感器的位置為A點(diǎn)和B點(diǎn)，聲發(fā)射源的位置為O點(diǎn)，聲波到達(dá)A點(diǎn)和B點(diǎn)的時(shí)間分別為T_i和T_j，A點(diǎn)和B點(diǎn)坐標(biāo)分別為(x_i，y_i)和(x_j，y_j)，聲發(fā)射源產(chǎn)生的聲波從介質(zhì)1經(jīng)過介質(zhì)2傳播到兩個(gè)聲發(fā)射傳感器的折射點(diǎn)分別為M(a_i，b_i)和N(a_j，b_j)，其中i，j為1，2，...，M，且i≠j，則

聲源O到折射點(diǎn)M的距離L_OM為：

折射點(diǎn)M到聲發(fā)射傳感器A的距離L_AM為：

聲源O到折射點(diǎn)N的距離為L(zhǎng)_ON為：

折射點(diǎn)N到聲發(fā)射傳感器B的距離L_BN為：

聲源傳播到聲發(fā)射傳感器A和B的時(shí)間差ΔT_ij為：

設(shè)T_min為聲發(fā)射傳感器接收到的第一個(gè)信號(hào)所用的最短時(shí)間，

對(duì)于每一組觀測(cè)值(x_i，y_i；x_j，y_j)，假設(shè)一個(gè)聲發(fā)射源所在空間內(nèi)的初始聲源坐標(biāo)(x₀，y₀)，代入式(1)、(6)和(7)可確定一個(gè)計(jì)算值ΔT_ij，計(jì)算值ΔT_ij與實(shí)際測(cè)得的值Δt_ij＝t_i-t_j之間存在一個(gè)差值，這個(gè)差值即是誤差，采用最優(yōu)化解法通過最小化誤差的平方和，即可得出聲發(fā)射源初始聲源坐標(biāo)(x，y)。

B：三維定位方法

首先在介質(zhì)2中放置M個(gè)不處于同一直線位置的聲發(fā)射傳感器，M個(gè)聲發(fā)射傳感器的三維位置坐標(biāo)已知，分別為(x₁，y₁，z₁)，(x₂，y₂，z₂)，……，(x_M，y_M，z_M)，M大于等于4；

置于介質(zhì)1中的聲發(fā)射源產(chǎn)生應(yīng)力波后，M個(gè)聲發(fā)射傳感器感應(yīng)到聲發(fā)射源的時(shí)刻：t₁，t₂，……，t_M；

設(shè)聲發(fā)射源坐標(biāo)為(x，y，z)，在兩種介質(zhì)中傳播的速度分別為c₁，c₂，入射角為θ₁，折射角為θ₂；

折射定律：

設(shè)任意兩個(gè)聲發(fā)射傳感器的位置為A點(diǎn)和B點(diǎn)，聲發(fā)射源的位置為O點(diǎn)，聲波到達(dá)A點(diǎn)和B點(diǎn)的時(shí)間分別為T_i和T_j，A點(diǎn)和B點(diǎn)坐標(biāo)分別為(x_i，y_i，z_i)和(x_j，y_j，z_j)，聲發(fā)射源產(chǎn)生的聲波從介質(zhì)1經(jīng)過介質(zhì)2傳播到兩個(gè)聲發(fā)射傳感器的折射點(diǎn)分別為M(a_i，b_i，c_i)和N(a_j，b_j，c_j)，其中i，j為1，2，...，M，且i≠j，則

聲源O到折射點(diǎn)M的距離L_OM為：

折射點(diǎn)M到探頭A的距離L_AM為：

聲源O到折射點(diǎn)N的距離L_ON為：

折射點(diǎn)N到探頭B的距離L_BN為：

聲源傳播到聲發(fā)射傳感器A和B的時(shí)間差ΔT_ij為：

設(shè)T_min為聲發(fā)射傳感器接收到的第一個(gè)信號(hào)所用的最短時(shí)間，

對(duì)于每一組觀測(cè)值(x_i，y_i，z_i；x_j，y_j，z_j)，假設(shè)一個(gè)聲發(fā)射源所在空間內(nèi)的初始聲源坐標(biāo)(x₀，y₀，z₀)，代入式(8)、(13)和(14)可確定一個(gè)計(jì)算值ΔT_ij，計(jì)算值ΔT_ij與實(shí)際測(cè)得的值Δt_ij＝t_i-t_j之間存在一個(gè)差值，這個(gè)差值即是誤差，采用最優(yōu)化解法通過最小化誤差的平方和，即可得出聲發(fā)射源初始聲源坐標(biāo)(x，y，z)。

有益效果：本發(fā)明利用折射定律以及聲發(fā)射傳感器接收到的第一個(gè)信號(hào)符合最短到時(shí)，從而通過已知到時(shí)差、聲發(fā)射傳感器坐標(biāo)值以及聲速，得到聲發(fā)射源的位置坐標(biāo)。二維時(shí)，聲發(fā)射傳感器最少需要3個(gè)，此時(shí)未知量為聲源坐標(biāo)，折射點(diǎn)的坐標(biāo)，通過已知3個(gè)到時(shí)差方程，3個(gè)折射方程，3個(gè)最短路徑方程，即有5個(gè)未知數(shù)，9個(gè)方程，因此可以保證得出的聲發(fā)射源的唯一性，三維時(shí)，聲發(fā)射傳感器最少需要4個(gè)，此時(shí)未知量有聲源坐標(biāo)，折射點(diǎn)坐標(biāo)，已知有6個(gè)到時(shí)差方程，4個(gè)折射定律方程，4個(gè)最短到時(shí)方程，即有11個(gè)未知數(shù)，14個(gè)方程，因此可以保證得出的聲發(fā)射源的唯一性。

本發(fā)明突破了以往單一介質(zhì)的情況，即聲波沿直線傳播的方法，考慮了聲波在傳播過程中遇到不同介質(zhì)會(huì)發(fā)生折射的情況，可用于聲發(fā)射傳感器和聲源不在同一種介質(zhì)中的情況，比如圍壓力學(xué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)中的聲發(fā)射源定位等一些特殊的情況。

附圖說明

圖1為二維情況下聲發(fā)射折射路徑示意圖。

圖2為三維情況下聲發(fā)射折射路徑示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。

實(shí)施例1：

預(yù)設(shè)一聲發(fā)射源的位置為(0，0)，三個(gè)傳感器的坐標(biāo)(x₁，y₁)、(x₂，y₂)、(x₃，y₃)分別為(-3000，2000)、(1000，2000)、(-4000，-2000)；介質(zhì)分層位置為y＝1000和y＝-1000；聲發(fā)射源傳到三個(gè)傳感器時(shí)觸發(fā)傳感器記錄的時(shí)刻分別為984.8μs，629.3μs，1199.4μs。聲波在兩種介質(zhì)中傳播的速度分別為c₁＝2978m/s，c₂＝4356m/s。以本例對(duì)二維定位問題進(jìn)行詳細(xì)說明，實(shí)際定位時(shí)，已知量為三個(gè)傳感器的坐標(biāo)以及傳感器觸發(fā)記錄的時(shí)刻，聲發(fā)射源的位置是未知量，在此給出是為了利用本專利提出的方法進(jìn)行驗(yàn)證。具體實(shí)施步驟如下：

1、將三個(gè)傳感器布置在待測(cè)對(duì)象附近，保證其不在同一直線上，坐標(biāo)分別為(-3000，2000)、(1000，2000)、(-4000，-2000)；三個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)觸發(fā)的時(shí)刻分別為984.8μs，629.3μs，1199.4μs；波速c₁＝2978m/s，c₂＝4356m/s。

2、利用發(fā)明內(nèi)容中所提出的二維定位方法,將已知數(shù)據(jù)代入公式，假設(shè)一個(gè)聲發(fā)射源的初始值，然后可以得到折射點(diǎn)的坐標(biāo)，以及到時(shí)差，當(dāng)誤差平方和最小時(shí)假設(shè)的聲發(fā)射源的坐標(biāo)即為實(shí)際的聲源坐標(biāo)。此時(shí)的折射點(diǎn)坐標(biāo)分別為(-795.6,1000)、(384.1,1000)、(-858.6,1000)，定位結(jié)果為(0，0)，可見定位結(jié)果與預(yù)設(shè)的坐標(biāo)(0，0)吻合較好，定位精度高。

實(shí)施例2：

預(yù)設(shè)一聲發(fā)射源的位置為(2000，2000，6000)，四個(gè)傳感器的坐標(biāo)(0，0，11000)、(4000，2000，9000)、(4000，4000，2000)、(0，2000，0)；介質(zhì)分層位置為z＝4000和z＝8000；聲發(fā)射源傳到四個(gè)傳感器時(shí)觸發(fā)傳感器記錄的時(shí)刻分別為1554.6μs，1075.2μs，1372.9μs，1673μs。以本例對(duì)三維定位問題進(jìn)行詳細(xì)說明，實(shí)際定位時(shí)，已知量為四個(gè)傳感器的坐標(biāo)以及傳感器觸發(fā)記錄的時(shí)刻，聲發(fā)射源的位置是未知量，在此給出是為了利用本專利提出的方法進(jìn)行驗(yàn)證。具體實(shí)施步驟如下：

1、將四個(gè)傳感器布置在待測(cè)對(duì)象附近，保證其不在一個(gè)平面內(nèi)，坐標(biāo)分別為(0，0，11000)、(4000，2000，9000)、(4000，4000，2000)、(0，2000，0)；四個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)觸發(fā)的時(shí)刻分別為1554.6，1075.2，1372.9 1673；兩種介質(zhì)中波速分別為c₁＝2978m/s，c₂＝4356m/s。

2、利用發(fā)明內(nèi)容中所提出的三維定位方法,將已知數(shù)據(jù)代入公式，假設(shè)一個(gè)聲發(fā)射源的初始值，然后可以得到折射點(diǎn)的坐標(biāo)，以及到時(shí)差，當(dāng)誤差平方和最小時(shí)假設(shè)的聲發(fā)射源的坐標(biāo)即為實(shí)際的聲源坐標(biāo)。

此時(shí)的折射點(diǎn)坐標(biāo)分別為(1418.9,1418.9，8 000)、(3059.9,2000,8000)、(2727.3,2727.3，4000)和(1504.2,2000,4000)，定位結(jié)果為(2000，2000，6000)，可見定位結(jié)果與預(yù)設(shè)的坐標(biāo)(2000，2000，6000)吻合較好，定位精度高。