朱祥軍

（中石油川慶鉆探工程公司安全環(huán)保質(zhì)量檢驗(yàn)監(jiān)督研究院，四川 廣漢 618300）

聲發(fā)射檢測(cè)中利用能量進(jìn)行定位的新方法

朱祥軍

（中石油川慶鉆探工程公司安全環(huán)保質(zhì)量檢驗(yàn)監(jiān)督研究院，四川 廣漢 618300）

聲發(fā)射檢測(cè)過(guò)程中，對(duì)缺陷的定位是重要的一個(gè)步驟，傳統(tǒng)的聲發(fā)射檢測(cè)利用時(shí)差定位方法，而時(shí)差定位里重要的參數(shù)是聲速。通過(guò)推導(dǎo)，得到一種利用聲衰減特性和能量參數(shù)對(duì)聲發(fā)射源進(jìn)行定位的新方法，并用聲發(fā)射儀對(duì)普通鋼件以鉛筆芯折斷作為模擬源進(jìn)行測(cè)試，證明這種無(wú)需聲速測(cè)量的新方法可行，且準(zhǔn)確性可以得到保證。該方法的提出為聲發(fā)射定位技術(shù)拓展了新方向，對(duì)提高聲發(fā)射檢測(cè)質(zhì)量有一定的幫助。

聲學(xué)；聲發(fā)射；源定位；線性；平面；能量

1 引 言

聲發(fā)射檢測(cè)常用的兩種定位方式是區(qū)域定位和時(shí)差定位[1-3]。區(qū)域定位法對(duì)傳感器布置位置無(wú)特殊要求，但要求檢測(cè)區(qū)域內(nèi)源信號(hào)至少被一個(gè)傳感器接收到，聲源的位置就是首先接收到源信號(hào)的傳感器的位置。該方法的優(yōu)點(diǎn)是傳感器位置布置靈活、檢測(cè)范圍大，但檢測(cè)到的聲源的位置僅表示一定區(qū)域，具有不確定性。時(shí)差定位根據(jù)聲源信號(hào)到達(dá)同一陣列內(nèi)不同傳感器時(shí)所形成的一組時(shí)差，經(jīng)過(guò)幾何關(guān)系的計(jì)算確定聲源位置，該方法定出來(lái)的聲源為一確定點(diǎn)，可靠性高，大多數(shù)試驗(yàn)和聲發(fā)射儀器中用該方法來(lái)確定源位[4-5]。

時(shí)差定位中的一維定位公式為：

其中都用到了時(shí)差和聲速，而且時(shí)差定位方法中由于波的衰減、波型轉(zhuǎn)換等自然現(xiàn)象引起的誤差是不可控制的[6]。因此可以利用彈性波的衰減特性，提出一種不需要測(cè)定聲速利用聲衰減和能量參數(shù)進(jìn)行定位的方法。

2 波的衰減特性和能量分析

固體介質(zhì)中局部變形時(shí)，不僅產(chǎn)生體積變形，而且產(chǎn)生剪切變形，因此將激起兩種波，即壓縮波（縱波）和切變波（橫波），它們以不同的速度在介質(zhì)中傳播，當(dāng)遇到不同介質(zhì)的界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射和折射。因此，聲發(fā)射波的傳播規(guī)律與固體介質(zhì)的彈性性質(zhì)和幾何形狀密切相關(guān)。實(shí)際情況下，波在固體介質(zhì)中的傳播都伴隨有衰減現(xiàn)象發(fā)生。

對(duì)于沿X方向傳播的平面波，其衰減遵從指數(shù)衰減規(guī)律，其聲壓P隨傳播距離x的變化表示為[4]：

式中：P0——聲源的聲壓；

α——衰減系數(shù)。

如將一個(gè)聲發(fā)射事件的振鈴信號(hào)看成阻尼正弦波，則有：

式中：V——瞬時(shí)電壓；

Vp——峰值電壓；

ω——角頻率；

β——衰減系數(shù)；

t——時(shí)間。

對(duì)于探頭而言，Vp指對(duì)應(yīng)聲壓P經(jīng)換能器而引起的電壓值，此時(shí)的振鈴衰減波形是由換能器諧振產(chǎn)生的，而不需考慮聲波在媒介中傳播時(shí)產(chǎn)生的衰減。對(duì)一個(gè)確定的探頭和聲發(fā)射儀而言，β可以認(rèn)為是一常數(shù)。

一個(gè)瞬變信號(hào)的能量，定義為：

式中：R——電壓測(cè)量線路的輸入阻抗；

V（t）——與時(shí)間有關(guān)的電壓。

設(shè) Vi為儀器預(yù)定衰減到的電壓值，Vi=Vp·e-βt，則聲發(fā)射儀對(duì)突發(fā)型聲發(fā)射信號(hào)能量測(cè)定為：

又由于振幅的平方、聲壓的平方均與能量成正比，即振幅與聲壓應(yīng)成線性關(guān)系：

3 能量定位法

3.1 線性定位

高壓管匯中直管由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、連接件少、壁薄，在聲發(fā)射檢測(cè)中將直管簡(jiǎn)化為直線結(jié)構(gòu)，采用兩個(gè)傳感器進(jìn)行一維檢測(cè)，在這里兩個(gè)探頭接收到的能量 E1，E2之比為：

實(shí)驗(yàn)用儀器為DSP型聲發(fā)射儀。在直管上，設(shè)置如圖1所示，使用0.5HB的鉛筆芯折斷作為模擬源進(jìn)行試驗(yàn)。

圖1 線性試驗(yàn)布置圖

3 個(gè)探頭 1、2、3，其坐標(biāo)分別為 0，x2，x3，以 0.5mm鉛筆芯折斷產(chǎn)生信號(hào)模擬裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生的突發(fā)型聲發(fā)射信號(hào)，設(shè)其坐標(biāo)為x。聲發(fā)射儀3個(gè)探頭接受的能量為 E1，E2，E3，則：

利用式（11），在不測(cè)量聲速的情況下可以對(duì)直管的聲發(fā)射源進(jìn)行定位計(jì)算。

3.2 平面定位

將聲發(fā)射儀的4個(gè)探頭布置成正方形，建立坐標(biāo)系如圖2所示。4個(gè)傳感器的距離為2a。

圖2 平面試驗(yàn)布置圖

4 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)的方法依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《金屬壓力容器聲發(fā)射檢測(cè)及結(jié)果評(píng)價(jià)方法》[7]、《在役壓力容器聲發(fā)射檢測(cè)評(píng)定方法》[8]和《Practice for Acoustic Emission Monitoring of Structures During Controlled Stimulation》[9]。對(duì)直管試驗(yàn)的數(shù)據(jù)如表1，對(duì)鋼板試驗(yàn)的結(jié)果如表2。

X坐標(biāo)的絕對(duì)誤差平均值為1.95mm，Y坐標(biāo)的絕對(duì)誤差平均值為1.21mm，總體絕對(duì)誤差為2.29mm。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)模擬源的定位具有較精確的定位結(jié)果。

從試驗(yàn)中能夠發(fā)現(xiàn)，計(jì)算出的絕對(duì)誤差與試驗(yàn)用的鋼板厚度有密切關(guān)系。對(duì)10～100mm的不同厚度鋼板進(jìn)行同樣設(shè)置的定位試驗(yàn)，得出的誤差值見(jiàn)表3。可以看出3個(gè)誤差值隨厚度變化的趨勢(shì)相同，都是隨厚度的增加而快速增大。

表1 直管試驗(yàn)定位結(jié)果

表2 平面試驗(yàn)定位結(jié)果

表3 誤差隨鋼板厚度變化結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

利用聲發(fā)射現(xiàn)象中波在傳播時(shí)的衰減特性可以用來(lái)對(duì)裂紋擴(kuò)展源進(jìn)行精確定位，可以在不測(cè)量傳播介質(zhì)衰減特性、不測(cè)量聲速，僅測(cè)量能量積累值情況下對(duì)聲發(fā)射源進(jìn)行定位，且測(cè)量誤差較小。該精確定位方法適用于多通道聲發(fā)射儀，需將各通道靈敏度調(diào)為相同。但在實(shí)際檢測(cè)工作中如何排除干擾，提高該方法在工程實(shí)際中的定位精度還有待進(jìn)一步研究。

[1]沈功田.聲發(fā)射源定位技術(shù)[J].無(wú)損檢測(cè)，2002，24（3）：117-125.

[2]袁振明，馬羽寬，何澤云.聲發(fā)射技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1985：46-71.

[3]胡昌洋，楊鋼鐸，黃振峰，等.聲發(fā)射技術(shù)及其在檢測(cè)中的應(yīng)用[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2008，35（6）：1-3，6.

[4]馮 若.超聲手冊(cè)[M].南京：南京大學(xué)出版社，1999：440-459.

[5]時(shí)書(shū)麗.聲發(fā)射源定位的測(cè)試方法[J].遼寧大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，1998，25（1）：42-46.

[6]徐彥廷.聲源定位問(wèn)題研究及誤差分析[J].無(wú)損檢測(cè)，1999，21（5）：199-200.

[7]GB/T 18182-2000，金屬壓力容器聲發(fā)射檢測(cè)及結(jié)果評(píng)價(jià)方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000.

[8]JB/T 7667-1995，在役壓力容器聲發(fā)射檢測(cè)評(píng)定方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1995.

[9]ANSI/ASTM E 569-1997，Practice for acoustic emission monitoring of structures during controlled stimulation[S].

[10]沈功田，耿榮生，劉時(shí)風(fēng).連續(xù)聲發(fā)射源定位技術(shù)[J].無(wú)損檢測(cè)，2002，24（4）：164-167.

[11]姚 力，賴德明.聲發(fā)射源定位不確定度的計(jì)算[J].無(wú)損檢測(cè)，2002，24（11）：461-463.

New location method for acoustic em ission source by energy

ZHU Xiang-jun
（Safety Environment Quality Surveillance and Inspection Research Institute of CNPC Chuanqing Drilling and Exploration Corporation，Guanghan 618300，China）

Defect location is very important for acoustic emission （AE）testing.Generally，sound velocity is usually used for the testing of TDOA location.In this work，a new location method was proposed on the basis of attenuation rule for waves propagation and energy for acoustic emission source.Using the method，experiment tests showed that the defects could be located accurately with the determination of sound velocity unnecessary.The method provides a new technology direction for acoustic emission location，and it can help to improve the quality of acoustic emission testing.

acoustics；acoustic emission；source location；liner；plane；energy

TB51+2；TM930.115

A

1674-5124（2011）01-0018-03

2009-12-18；

2010-03-05

朱祥軍（1978-），男，四川內(nèi)江市人，工程師，主要從事聲發(fā)射檢測(cè)及研究工作。