何才厚李秋鋒

（1.江西省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院鷹潭分院 鷹潭 335000）

（2.無損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（南昌航空大學(xué)） 南昌 330063）

大型起重機(jī)械聲發(fā)射動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)定位方法探討

何才厚1李秋鋒2

（1.江西省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院鷹潭分院 鷹潭 335000）

（2.無損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（南昌航空大學(xué)） 南昌 330063）

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)大型起重機(jī)械聲發(fā)射動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，利用時(shí)間反轉(zhuǎn)原理，將采集到的信號(hào)進(jìn)行時(shí)間反轉(zhuǎn)，再施加到對(duì)應(yīng)傳感器上作為激勵(lì)，在構(gòu)件中激發(fā)的信號(hào)在聲源中聚集，隨機(jī)獲取反映起重機(jī)械損傷狀態(tài)特征參數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)損傷及預(yù)測(cè)評(píng)估起重機(jī)械壽命。

聲發(fā)射 時(shí)間反轉(zhuǎn) 定位測(cè)試

聲發(fā)射技術(shù)是根據(jù)材料或結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)出的應(yīng)力波判斷結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷程度的一種動(dòng)態(tài)無損檢測(cè)方法［1,2］，從20世紀(jì)50年代開始聲發(fā)射技術(shù)被廣泛應(yīng)用于設(shè)備無損檢測(cè)，在線監(jiān)控等場(chǎng)合［3-5］。聲發(fā)射的源定位技術(shù)是聲發(fā)射技術(shù)研究的核心問題之一，其定位準(zhǔn)確程度反映聲源檢測(cè)位置與真實(shí)位置的符合程度［6-8］。

根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)：常規(guī)聲發(fā)射源定位方法（不作闡述）具有一定的局限性和缺陷。筆者選擇基于時(shí)間反轉(zhuǎn)聚焦技術(shù)的聲發(fā)射源定位方法，以克服起重機(jī)工作時(shí)各種聲響帶來的干擾，精確地實(shí)施大型起重機(jī)械聲發(fā)射動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)機(jī)理及壽命預(yù)測(cè)課題研究。

1 時(shí)間反轉(zhuǎn)原理

時(shí)間反轉(zhuǎn)（時(shí)反）是聲互易性原理的應(yīng)用之一，它可以使得能量在空間和時(shí)間上得到聚焦，從而得到聲源的具體位置并對(duì)聲源信號(hào)進(jìn)行重建 。法國科學(xué)家芬克（Fink）最早將時(shí)間反轉(zhuǎn)法由光學(xué)領(lǐng)域轉(zhuǎn)向到聲學(xué)領(lǐng)域中，同時(shí)展開了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究工作［9,10］。

根據(jù)信號(hào)與系統(tǒng)分析的思想，傳感器、傳播媒介構(gòu)成了一個(gè)完整的信號(hào)傳輸系統(tǒng)，信號(hào)經(jīng)過傳輸通道傳播到傳感器得到的信號(hào)頻譜可表示為：

式中，H（r，w）為傳輸系統(tǒng)的通道傳遞函數(shù)。將該信號(hào)在時(shí)間域反轉(zhuǎn)，也就是等效于在頻域內(nèi)取共扼，令X（w）為S（w）的復(fù)共軛，則時(shí)反響應(yīng)信號(hào)為：

根據(jù)聲波互易性原理,對(duì)于傳感器、驅(qū)動(dòng)器確定的結(jié)構(gòu)，傳感器和驅(qū)動(dòng)器位置可以互易，具有相同的頻率響應(yīng)傳遞函數(shù)。因此分別將時(shí)間反轉(zhuǎn)后的信號(hào)X（w）在對(duì)應(yīng)的傳感器上加載，波源處可得到信號(hào)則為：

式中，H（r，w）H*（r，w）一項(xiàng)為實(shí)、偶、正函數(shù), 它在時(shí)間零點(diǎn)的傅里葉反變換是同相疊加的，會(huì)得到主相關(guān)峰值；S*（w）為激勵(lì)信號(hào)的共軛信號(hào)，也就是時(shí)間反轉(zhuǎn)信號(hào)。式（3）表明對(duì)于同樣的信號(hào)P（w），Z（w）中信號(hào)主波峰因?yàn)镠（r，w）H（r，w）同相疊加比S（w）中的主波峰會(huì)突出很多。當(dāng)多個(gè)傳感器一起按照上述操作執(zhí)行時(shí)，那么在損傷出的散射信號(hào)就會(huì)形成聚焦而得到增強(qiáng)，這就是時(shí)間反轉(zhuǎn)聚焦的基本原理。

聲發(fā)射時(shí)反聚焦定位的原理如圖1所示。聲發(fā)射信號(hào)就是聲發(fā)射源在傳播介質(zhì)中激發(fā)出一定形式的波形，這些信號(hào)被各個(gè)傳感器所接收。將這些采集到的信號(hào)進(jìn)行時(shí)間反轉(zhuǎn)，再施加到對(duì)應(yīng)傳感器上作為激勵(lì)，在結(jié)構(gòu)中激發(fā)的信號(hào)可以在聲源處產(chǎn)生聚焦。

圖1 聲發(fā)射信號(hào)時(shí)間反轉(zhuǎn)示意圖

2 聲發(fā)射源定位算法仿真研究

數(shù)值仿真研究采用ABAQUS軟件完成，由于起重機(jī)械制造材料為鋼材Q345，因此仿真對(duì)象也設(shè)定為這種材料。本次仿真材料橫向?qū)挾仍O(shè)置為450mm，縱向?qū)挾葹?50mm。仿真四個(gè)聲發(fā)射傳感器坐標(biāo)分別為（249.375,128.25）、（128.25,242.25）、（0,128.25）、（128.25,0），在坐標(biāo)（128.25,128.25）位置激勵(lì)聲發(fā)射信號(hào)，具體布置情況如圖2所示。

圖2 仿真模型及傳感器分布圖

根據(jù)突發(fā)型聲發(fā)射源特點(diǎn)，在加載點(diǎn)激勵(lì)的模擬聲發(fā)射信號(hào)如圖3所示。

圖3 加載點(diǎn)的聲發(fā)射信號(hào)

經(jīng)過時(shí)間反轉(zhuǎn)聚焦處理后，得到聲發(fā)射源成像定位圖，如圖4所示。

圖4 聲源成像定位圖

對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，實(shí)際聲源位置為（128.25mm,128.25mm），基于時(shí)間反轉(zhuǎn)聚焦的聲發(fā)射源定位算法算出的聲源位置為（130mm，130mm），坐標(biāo)差為（1.75mm,1.75mm）。

誤差非常小，可以滿足實(shí)際定位要求。

3 實(shí)驗(yàn)聲發(fā)射源定位測(cè)試

實(shí)驗(yàn)采用美國PAC的8通道PCI-2系統(tǒng)聲發(fā)射檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)采用了其中四個(gè)通道采集，顯示器則用來顯示操作系統(tǒng)和聲發(fā)射軟件AEwin。

實(shí)驗(yàn)試塊采用鋼材Q345，鋼板的長為360mm，寬為240mm，厚度為12mm，與仿真一樣，以四個(gè)探頭的中心位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，探頭編號(hào)以最左邊的開始，逆時(shí)針編號(hào)分別為S1，S2，S3，S4。以S1到S3的連線位置為橫坐標(biāo)，那么S1，S2，S3，S4四個(gè)探頭的坐標(biāo)分別為（-60mm，0mm）、（0mm，-80mm）、（60mm， 0mm）、（0mm，80mm），具體布置如圖5所示。

圖5 試塊以及探頭布置

探頭布置好后，在采集數(shù)據(jù)前，還要先對(duì)軟件進(jìn)行相關(guān)的設(shè)置：門檻設(shè)為40dB，定時(shí)參數(shù)為低衰減材料的定時(shí)參數(shù)，輸入的坐標(biāo)位置和之前規(guī)定的一樣，布置一個(gè)定位界面并將定位類型設(shè)為平板，采樣率設(shè)置為10MHz，采集長度為2k等。用鉛筆斷芯的形式模擬聲發(fā)射信號(hào)，這一點(diǎn)和仿真不一樣，仿真的時(shí)候加載的信號(hào)是設(shè)計(jì)的聲發(fā)射信號(hào)，而斷鉛信號(hào)則是未知的，因此在判斷斷鉛信號(hào)等方面比仿真時(shí)的要難些。為了驗(yàn)證之后采用改進(jìn)的時(shí)間反轉(zhuǎn)增強(qiáng)定位方法的準(zhǔn)確性，記下了此時(shí)斷鉛的位置為（-3mm，-13mm）。

圖6 軟件聲源定位圖

設(shè)置完所有參數(shù)后，開始采集，采用0.5mm的HB石墨鉛筆斷芯，軟件直接獲得的定位圖如圖6所示，其中綠色代表探頭，上面的數(shù)字代表所選用的通道，從圖6可以看出，S1、S2、S3、S4分別對(duì)應(yīng)著通道3、5、1、4，為了不致于弄混，后面全部用S1、S2、S3、S4來表示。紅色的點(diǎn)為檢測(cè)到的斷鉛信號(hào)，軟件中顯示出的定位坐標(biāo)為（-5.1mm，-17.4mm）。

將四個(gè)傳感器最先接收到的四次撞擊的波形數(shù)據(jù)導(dǎo)出后，利用MATLAB將它們進(jìn)行時(shí)反處理后成像結(jié)果如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)聲發(fā)射源成像定位圖

從誤差上面來分析，采用改進(jìn)時(shí)間反轉(zhuǎn)增強(qiáng)方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際聲源位置誤差為（-1mm，-2mm），即相差2.24mm，相對(duì)誤差為1.4%，之前聲發(fā)射儀器定位的誤差為4%，可見通過這樣改進(jìn)，聲發(fā)射定位精度更高。

4 結(jié)論

本文根據(jù)大型起重機(jī)械聲發(fā)射檢測(cè)損傷準(zhǔn)確定位的要求，提出了一種時(shí)反聚焦損傷定位方法，結(jié)合聲發(fā)射信號(hào)傳播特點(diǎn)與時(shí)間反轉(zhuǎn)理論，實(shí)現(xiàn)對(duì)聲源的準(zhǔn)確定位。通過有限元分析軟件建立平面模型，模擬聲發(fā)射源發(fā)出信號(hào)及其傳播過程，根據(jù)聚焦機(jī)理對(duì)該聲發(fā)射源進(jìn)行定位，結(jié)果表明該定位方法能準(zhǔn)確找到聲源位置；在對(duì)Q345材料的模擬聲發(fā)射試驗(yàn)中也得到了相同的結(jié)果，與現(xiàn)有聲發(fā)射儀器自帶定位軟件比較，該方法能有效提高定位精度。

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［國家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃項(xiàng)目：2013zjjz180］

Discussion on Dynamic Monitoring and Positioning Method Based on Acoustic Emission for Large Crane

He Caihou1Li Qiufeng2
（1. Yingtan Branch of Special Equipment Inspection and Research Institute of Jiangxi Yingtan 335000）
（2. Key Laboratory of Nondestructive Test （Nanchang Hangkong University）， Ministry of Education Nanchang 330063）

In order to achieve monitoring acoustic emission dynamically for large crane， collected signals are time reversed by using time reversal principle， and then excite the corresponding sensors as an incentive respectively. Signals excited in the structure are focused in sound source in random access， and damage state characteristic parameters of the crane can be reflected， and real-time damage monitoring and assessment and prediction of the large crane lifecycle can be realized.

Acoustic Emission Time reversal Location test

X941

B

1673-257X（2015）05-49-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.05.010

何才厚（1959～）， 男，本科，院長，副高級(jí)工程師，從事機(jī)電類特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)及管理工作。

2014-11-27）