全向性雙圓形陣列的復合材料板聲發(fā)射源定位方法與流程

本發(fā)明屬于聲發(fā)射無損檢測技術領域，尤其涉及一種基于全向性雙圓形陣列的復合材料板聲發(fā)射源定位方法。

技術背景

板結構作為工程實際中應用十分廣泛的結構部件，其檢測手段也隨著科技的進步和人們研究工作的深入越來越多樣化。針對大型板結構進行無損檢測的方法主要有渦流法、超聲檢測法、聲發(fā)射檢測法、熱成像法、光纖檢測法、計算機層析照相檢測法、微波檢測法、滲透法、激光全息檢測法等10多種方法。不同的檢測方法都有不同的優(yōu)點和局限性：渦流檢測法可以實現(xiàn)非接觸檢測，但只適用于能導電的材料；超聲波不僅能檢測板狀構件中缺陷的位置及大小，對于復合材料板的分層、纖維取向等方面的檢測也有一定作用，但需要對結構進行逐點掃描，檢測效率低；聲-超聲法適于材料完整性評估，但對單個、分散缺陷不敏感，信號與噪聲難區(qū)分；熱成像法可以提供全場圖像但是要求試件表層需要有較好的熱吸收率。而聲發(fā)射(Acoustic Emission，簡稱AE)是材料或零部件受外力作用產(chǎn)生變形、斷裂或內部應力超過屈服極限而進入不可逆的塑性變形階段，以瞬態(tài)彈性波形式釋放應變能的現(xiàn)象。聲發(fā)射技術是一種被動測量式的無損檢測技術，與超聲等常規(guī)的無損檢測方法相比，具有三大優(yōu)點：(1)聲發(fā)射信號來自于被測對象本身，因此能夠對被測對象實現(xiàn)實時在線監(jiān)測；(2)聲發(fā)射技術覆蓋面廣，對于大型構件，不需要移動傳感器對結構進行掃查，只需要布置好足夠數(shù)量的傳感器就可以實現(xiàn)對大型構件的監(jiān)測；(3)應用面廣，幾乎所有的材料都可以進行聲發(fā)射檢測。采用聲發(fā)射技術，對結構中存在的聲發(fā)射源進行研究，實現(xiàn)對板結構中聲發(fā)射源的定位研究和整體的健康狀態(tài)的評估。

聲發(fā)射源定位是聲發(fā)射技術中一項十分重要的應用，目前時差定位方法是聲發(fā)射源定位的主要方法，主要通過時差、波速以及傳感器間距等參數(shù)進行復雜的數(shù)學運算，從而確定聲發(fā)射源的位置，是一種較為準確但又復雜的定位方式，廣泛用于大型板狀構件或大型容器的檢測。然而，時差定位易丟失大量的低幅度信號，定位精度易受波速、衰減和波形等多參量的影響，特別是在復合材料結構中，由于材料的各向異性，聲發(fā)射信號在不同方向上傳播的速度不盡相同，因此往往較難通過時差定位法對復合材料板進行聲發(fā)射源的準確定位。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的：目前聲發(fā)射源定位的主要方法是時差定位方法，在復合材料結構中，由于材料的各向異性，聲發(fā)射信號在不同方向上傳播的速度不盡相同，因此，采用時差法對復合材料板進行聲發(fā)射源的準確定位需要解決由于復合材料的各向異性引起的波傳播的各向異性問題。本發(fā)明針對這一問題提出一種基于波速的全向性雙圓形陣列的復合材料板聲發(fā)射源定位方法。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術方案：

一種全向性雙圓形陣列的復合材料板聲發(fā)射源定位方法包括以下步驟：

步驟一：在待測的復合材料板中布置兩個圓形的聲發(fā)射傳感器陣列，所述圓形陣列均為圓心上布置一個聲發(fā)射傳感器，圓弧上按逆時針方向均勻布置若干個聲發(fā)射傳感器，兩個圓形傳感器陣列的位置可任意布置，其陣列間距盡可能遠；

步驟二：將聲發(fā)射傳感器通過前置放大器與連有計算機的聲發(fā)射檢測儀器相連接；

步驟三：接通電源，并對聲發(fā)射信號采集儀器上的各個通道進行參數(shù)設置，然后在待測的復合材料板上進行斷鉛實驗，觀察各通道顯示的波形是否正常，若正常則進行數(shù)據(jù)采集；

步驟四：假設聲發(fā)射波的速度恒定，分別計算圓弧上每個傳感器與圓心上傳感器兩者之間的聲發(fā)射信號傳播速度，計算結果與波速的360°全向性實驗結果進行驗證，選出近似值相對應的布置位置與之匹配，兩個圓形陣列中匹配的聲發(fā)射信號的波到達方向的相交區(qū)域，作為聲發(fā)射源所處的第一主區(qū)域；

步驟五：根據(jù)縮小的檢測主區(qū)域，重新布置多個傳感器，重復實驗，進一步確定聲發(fā)射源第一主區(qū)域中的第二或第三分區(qū)從而細分主區(qū)域，劃定定位區(qū)域；

步驟六：確定的聲發(fā)射源區(qū)域位置為最后重新布置的兩個傳感器陣列中匹配的聲發(fā)射信號的波的到達方向的相交區(qū)域。

作為優(yōu)選，步驟4具體為：圓弧上的每個傳感器與圓心上的傳感器之間的距離為ΔL，設到達兩個傳感器的聲發(fā)射波的到達時間差為Δt，則聲發(fā)射波沿該方向傳播的速度可通過下式計算：

根據(jù)繪制的聲發(fā)射信號在復合材料板中360°范圍內沿各個方向傳播的全向性曲線，通過布置多組傳感器陣列，結合復合材料板中聲發(fā)射源與傳感器陣列之間的相對角度關系，并確定聲發(fā)射源的第一主區(qū)域的位置。

本發(fā)明提出一種基于全向性雙圓形陣列的復合材料板聲發(fā)射源定位方法，利用假設檢驗的思想，對聲發(fā)射信號波速的360°全方向進行掃描。假設復合材料板中波速是恒定的，得出結果與求出的360°波速的全向性實驗結果進行檢驗驗證，挑出最接近的速度并與之對應的方向進行匹配，逐步刪除以縮小檢測區(qū)域的范圍，重復實驗，最后實現(xiàn)對復合材料板損傷的聲發(fā)射源較準確的區(qū)域定位。

附圖說明

圖1為本發(fā)明復合材料板聲發(fā)射源定位方法的人工斷鉛實驗示意圖；

圖2為聲發(fā)射傳感器360°范圍內掃描方式及傳感器位置示意圖；

圖3為聲發(fā)射信號在復合材料板中360°范圍內沿各個方向與傳播速度的全向性曲線；

圖4為兩個圓形陣列中匹配的聲發(fā)射信號的波的到達方向的相交區(qū)域，即聲發(fā)射源的第一主區(qū)域；

圖5為最后布置的兩個傳感器陣列中匹配的聲發(fā)射信號的波的到達方向的相交區(qū)域，即聲發(fā)射源的定位區(qū)域；

圖中標號說明如下：1-人工模擬聲發(fā)射源的位置，2-圓形聲發(fā)射傳感器陣列，3-前置放大器，4-碳纖維增強復合材料板，5-聲發(fā)射信號檢測儀，6-計算機，7-人工模擬聲發(fā)射源的位置，8-聲發(fā)射傳感器360°掃描方式，9-聲發(fā)射傳感器，10-聲發(fā)射源的第一主區(qū)域，11-最后確定的聲發(fā)射源的定位區(qū)域，12-最后重置的聲發(fā)射傳感器陣列。

具體實施方式

結合下面的描述，對本發(fā)明將進行詳細的示例性實施描述。

本發(fā)明實施例提供一種基于全向性雙圓形陣列的復合材料板聲發(fā)射源定位方法，主要是利用假設檢驗的思想進行聲發(fā)射信號的位置匹配，準確確定聲發(fā)射源的區(qū)域定位，屬于無損檢測技術領域。其步驟為：

一、在待測的復合材料板中布置兩個圓形的聲發(fā)射傳感器陣列，即圓心上布置一個聲發(fā)射傳感器，圓弧上按逆時針方向均勻布置若干個聲發(fā)射傳感器，兩個圓形傳感器陣列的位置可任意布置，其陣列間距盡可能遠；

二、將聲發(fā)射傳感器通過前置放大器與連有計算機的聲發(fā)射檢測儀連接；

三、接通電源，對聲發(fā)射信號采集儀的各個通道進行參數(shù)設置，然后在待測的復合材料板上進行斷鉛實驗，觀察各通道顯示的波形是否正常，若正常則進行數(shù)據(jù)采集；

四、假設聲發(fā)射波的速度恒定，分別計算圓弧上每個傳感器與圓心上傳感器兩者之間的聲發(fā)射信號傳播速度，計算結果與波速的360°全向性實驗結果進行驗證，選出近似值相對應的布置位置與之匹配，兩個圓形陣列中匹配的聲發(fā)射信號的波到達方向的相交區(qū)域，作為聲源所處的第一主區(qū)域；

五、根據(jù)縮小的檢測主區(qū)域，重新布置多個傳感器，重復實驗，進一步確定第一主區(qū)域中的第二或第三分區(qū)從而細分主區(qū)域，劃定定位區(qū)域；

六、確定的聲發(fā)射源區(qū)域位置為最后重新布置的兩個傳感器陣列中匹配的聲發(fā)射信號的波到達方向的相交區(qū)域。

如圖1斷鉛實驗示意圖所示，以不同鋪層方式的正交各向異性復合材料板為待檢測結構，共16層，長寬為1000mm×1000mm，總厚為2.24mm，采用人工斷鉛的方式模擬聲發(fā)射源。

具體實施步驟結合示意圖描述如下：

首先，如圖2所示，布置兩個圓形聲發(fā)射傳感器陣列，即圓心上布置一個聲發(fā)射傳感器，圓弧上按逆時針方向均勻布置八個聲發(fā)射傳感器，每個圓形陣列共九個聲發(fā)射傳感器。兩個圓形傳感器陣列的位置沿長度方向或是寬度方向布置，其陣列間距盡可能遠；

其次，假設聲發(fā)射波的速度恒定，分別計算圓弧上每個傳感器與圓心傳感器兩者之間的聲發(fā)射信號傳播速度，計算結果與圖2聲發(fā)射傳感器360°范圍內掃描方式及傳感器位置示意圖所測得的聲發(fā)射信號在復合材料板中360°范圍內沿各個方向與傳播速度的全向性曲線圖3所示的結果進行驗證，選出近似值相對應的布置位置與之匹配，兩個圓形陣列中匹配的聲發(fā)射信號的波的到達方向的相交區(qū)域，作為聲發(fā)射源所處的第一主區(qū)域，如圖4所示；

具體如下：圓弧上的每個傳感器與圓心上的傳感器之間的距離為ΔL，設到達兩個傳感器的聲發(fā)射波的到達時間差為Δt，則可通過公式計算出聲發(fā)射波沿該方向傳播的速度，根據(jù)繪制的聲發(fā)射信號在復合材料板中360°范圍內沿各個方向傳播的全向性曲線，通過布置多組傳感器陣列，結合復合材料板中聲發(fā)射源與傳感器陣列之間的相對角度關系，并確定聲發(fā)射源的第一主區(qū)域的位置，如圖4所示；

最后，根據(jù)縮小的檢測主區(qū)域，重新布置多個傳感器，本發(fā)明中申請推薦布置七個傳感器進行重復實驗，進一步確定主區(qū)域中的第二或第三分區(qū)從而細分主區(qū)域，劃定準確的定位區(qū)域，即最后布置的兩個傳感器陣列中匹配的聲發(fā)射信號的波的到達方向的相交區(qū)域，如圖5所示。