霍林生，陳韻竹，王靖凱，李宏男

(大連理工大學(xué)，海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧大連 116024)

0 引言

聲發(fā)射是指材料內(nèi)部發(fā)生破壞時局域源快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象[1]，利用該現(xiàn)象可以對材料內(nèi)部的變形和裂紋等損傷進(jìn)行無損檢測。通過采集、儲存和分析聲發(fā)射信號，確定聲發(fā)射的特征參數(shù)和聲發(fā)射源位置的技術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)。

近年來，聲發(fā)射技術(shù)憑借其高靈敏度和無損檢測的優(yōu)點得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在混凝土、巖石、金屬等材料的損傷檢測中。研究學(xué)者常使用聲發(fā)射技術(shù)全過程監(jiān)測試件破壞試驗，以探究材料在外部荷載作用下的破壞規(guī)律。郭慶華等[2]發(fā)現(xiàn)了聲發(fā)射的頻率特征參數(shù)與不同混凝土強(qiáng)度指標(biāo)存在映射關(guān)系。吳賢振等[3]得到了巖石在不同破壞模式下發(fā)射特征及其參數(shù)與應(yīng)力、應(yīng)變、損傷變量之間的關(guān)系。在金屬材料的檢測中，馬方慧等[4]提出了一種基于時間反轉(zhuǎn)聚焦理論且適用于航空管板鑄件的聲發(fā)射源定位方法，能有效地提高聲發(fā)射源的定位精度。崔希望等[5]針對管道和儲罐兩種CO2運(yùn)輸設(shè)備，使用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測CO2泄漏時的聲波信號并提出了一維和二維定位簡化模型，實現(xiàn)了CO2運(yùn)輸設(shè)備的泄漏檢測和定位。

以上研究大多基于能夠提取有效聲發(fā)射信號并且計算聲發(fā)射特征參數(shù)的聲發(fā)射系統(tǒng)，但目前研究中使用的聲發(fā)射系統(tǒng)及聲發(fā)射傳感器價格昂貴，嚴(yán)重制約了該技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域的大范圍推廣使用。同時，聲發(fā)射系統(tǒng)軟件通常是商用的封裝軟件，無法自行拓展聲發(fā)射信號的分析算法。因此，為了降低聲發(fā)射技術(shù)的使用成本，本文使用價格低且頻帶較寬的壓電陶瓷片作為傳感器，基于LabVIEW平臺自主開發(fā)聲發(fā)射信號采集分析系統(tǒng)，實現(xiàn)聲發(fā)射信號的采集、存儲和分析以及聲發(fā)射特征參數(shù)的提取功能。

1 聲發(fā)射信號采集處理系統(tǒng)設(shè)計

本文采用LabVIEW2015系統(tǒng)作為軟件平臺進(jìn)行開發(fā)，以模塊化設(shè)計方法，按照實際需求，設(shè)計了信號采集、信號存儲、信號分析三大模塊。運(yùn)行系統(tǒng)時，用戶首先需設(shè)置信號的采樣頻率、物理通道等相關(guān)參數(shù)，隨后進(jìn)入信號采集模塊，波形圖表可實時顯示信號的變化，同時系統(tǒng)后臺自動儲存全部數(shù)據(jù)。采集停止后進(jìn)入信號分析模塊，用戶可選擇所需處理的信號數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到相應(yīng)的聲發(fā)射特征參數(shù)，分析結(jié)果在用戶界面中顯示并自動保存。系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程圖

本文在LabVIEW平臺中集成所有功能模塊，其中信號分析模塊中的相關(guān)算法在MATLAB中編寫，通過LabVIEW調(diào)用，從而得到聲發(fā)射信號的特征參數(shù)。這種系統(tǒng)架構(gòu)充分利用了MATLAB的計算能力和LabVIEW的數(shù)據(jù)采集功能，方便用戶使用。系統(tǒng)程序使用狀態(tài)機(jī)架構(gòu)，針對不同工程需求，系統(tǒng)的功能模塊可以進(jìn)一步擴(kuò)展，以適用于復(fù)雜工況中聲發(fā)射信號的采集與處理需求。

1.1 信號采集模塊

本系統(tǒng)采用多通道同步采集數(shù)據(jù)，可設(shè)置數(shù)據(jù)采集的相關(guān)參數(shù)，系統(tǒng)根據(jù)采樣頻率自動設(shè)置緩沖區(qū)大小，避免數(shù)據(jù)丟失。程序內(nèi)部使用循環(huán)結(jié)構(gòu)，通過LabVIEW中的“DAQ-mx”控件采集信號，采集的信號傳輸?shù)较到y(tǒng)后通過波形圖表控件實時顯示各通道的信號變化情況，用戶界面如圖2所示。

圖2 聲發(fā)射采集分析系統(tǒng)用戶界面

1.2 信號存儲模塊

系統(tǒng)內(nèi)部使用生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式在信號采集的同時自動保存數(shù)據(jù)，采集前需設(shè)置數(shù)據(jù)采集長度和存儲路徑，采集開始后程序會自動在設(shè)定的路徑下將信號保存為“.tdms”文件格式，采集停止后數(shù)據(jù)存儲隨之自動停止，信號存儲部分的程序框圖如圖3所示。

圖3 信號存儲部分程序框圖

1.3 信號分析模塊

本模塊用于計算聲發(fā)射的特征參數(shù)，通過MATLAB設(shè)計了一套獨(dú)立的信號處理系統(tǒng)，對采集的信號進(jìn)行處理。該模塊首先將所有采集的數(shù)據(jù)文件全部讀取后整合，截取出指定長度的有效信號，隨后通過帶通濾波器去除噪聲，再計算信號的聲發(fā)射特征參數(shù)，包括幅度、上升時間、持續(xù)時間、振鈴計數(shù)、撞擊數(shù)、能量、平均信號電平(average signal level，ASL)、有效值電壓(root of mean square，RMS)，計算結(jié)束后將這些特征參數(shù)的數(shù)值顯示于用戶界面中。

1.3.1 信號預(yù)處理

工程現(xiàn)場進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測時包含外界噪聲、機(jī)器振動等產(chǎn)生的干擾，從而影響聲發(fā)射特征參數(shù)的識別，因此進(jìn)行信號處理前需要對現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪預(yù)處理。系統(tǒng)內(nèi)通過帶通濾波器進(jìn)行降噪，首先將原始信號通過傅里葉變換得到信號頻譜圖，并據(jù)此選擇通帶頻率。濾波后系統(tǒng)將對信號進(jìn)行截取，截取出指定長度的有效聲發(fā)射信號進(jìn)行分析，計算得到聲發(fā)射特征參數(shù)。

1.3.2 LabVIEW平臺調(diào)用MATLAB

本文將MATLAB信號處理程序封裝成COM組件在LabVIEW中調(diào)用[6]，進(jìn)行信號處理時，用戶選擇已存儲的信號后進(jìn)行計算，特征參數(shù)的結(jié)果顯示為數(shù)值形式。在LabVIEW中調(diào)用COM組件進(jìn)行計算的程序框圖如圖4所示。

圖4 LabVIEW中調(diào)用COM組件程序框圖

2 試驗研究

為測試設(shè)計的聲發(fā)射信號采集分析系統(tǒng)的功能，在鋁板上進(jìn)行了斷鉛試驗。斷鉛試驗是聲發(fā)射領(lǐng)域常用的驗證性實驗，實驗結(jié)果可以測試系統(tǒng)主要功能模塊的工作性能。實驗主要分為2部分：第一部分為系統(tǒng)功能的驗證實驗，只利用單通道采集斷鉛產(chǎn)生的聲發(fā)射信號，并通過系統(tǒng)計算聲發(fā)射的特征參數(shù)值；第二部分為定位實驗，四通道同時采集斷鉛信號，并利用到達(dá)時間法進(jìn)行聲發(fā)射源定位，進(jìn)一步證明系統(tǒng)采集的聲發(fā)射信號的準(zhǔn)確性。

2.1 實驗設(shè)備

本文在安裝有4個壓電陶瓷傳感器的鋁板上進(jìn)行斷鉛試驗，使用USB6366采集卡采集信號，并將信號傳輸至研發(fā)的聲發(fā)射采集分析系統(tǒng)，所使用的實驗設(shè)備如圖5所示。

圖5 實驗設(shè)備

實驗采用的檢測試件為2 mm厚鋁板，其尺寸為50 cm×50 cm，通過測量并計算得出聲發(fā)射信號在鋁板表面?zhèn)鞑サ牟ㄋ贋? 421.05 m/s。在鋁板平面建立直角坐標(biāo)系，4個壓電陶瓷傳感器坐標(biāo)分別為(-15，-15)、(-15，15)、(15，15)、(15，-15)，單位為cm，并命名為傳感器a、傳感器b、傳感器c、傳感器d。

傳感器與鋁板之間涂有耦合劑，以減少聲發(fā)射信號在傳感器與鋁板界面處的過度散射和衰減。實驗使用直徑為0.5 mm的HB鉛芯，斷鉛時鉛芯伸長量為2.5 mm，每次斷鉛時保證鉛芯與試件表面夾角為30°。

2.2 系統(tǒng)功能驗證實驗

將系統(tǒng)中信號的采樣率設(shè)置為1 MHz，門檻值設(shè)置為40 dB，數(shù)據(jù)存儲長度設(shè)置為10 kB。在鋁板表面坐標(biāo)(-14 cm，15 cm)處進(jìn)行斷鉛試驗，連續(xù)進(jìn)行10次斷鉛，傳感器布置方式和斷鉛位置如圖6所示。

圖6 單通道斷鉛試驗傳感器布置方式和斷鉛位置

數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，選擇指定的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，點擊界面中的“運(yùn)行”按鈕，LabVIEW程序即可調(diào)用COM組件進(jìn)行計算，得出聲發(fā)射特征參數(shù)值。

傳感器b采集的10次聲發(fā)射信號幅度分布如圖7所示，可以看出聲發(fā)射信號幅度均達(dá)到100 dB。圖8(a)為MATLAB截取的傳感器b采集的第1次～第10次有效信號波形圖，10組波形基本相似，圖8(b)為第10次斷鉛信號波形圖，可以看出為高衰減突發(fā)性聲發(fā)射信號，因此表明采集的信號均為有效的聲發(fā)射信號。

圖7 聲發(fā)射信號幅度分布

(a)1～10次斷鉛信號

圖9為MATLAB截取的傳感器b采集的第10次有效斷鉛信號波形圖，根據(jù)門檻值與信號波形的交點及幅度點手動拾取了離散點數(shù)，可以確定上升時間與持續(xù)時間分別為0.117 ms和9.117 ms，表1為第10次斷鉛信號經(jīng)系統(tǒng)自動計算后的聲發(fā)射特征參數(shù)結(jié)果，可以看出上升時間、持續(xù)時間與手動計算結(jié)果完全一致。

圖9 第10次斷鉛信號波形圖分析

表1 鋁板中斷鉛試驗數(shù)據(jù)及定位結(jié)果

2.3 定位實驗

聲發(fā)射檢測技術(shù)的一項主要功能是實現(xiàn)聲發(fā)射源定位，從而確定損傷位置，其中到達(dá)時間法為經(jīng)典的聲發(fā)射源定位方法。此方法需要多通道同時采集聲發(fā)射信號，根據(jù)不同傳感器接收信號的時間差與波速計算出聲發(fā)射源位置[7]。

本文在鋁板表面隨機(jī)選擇5處坐標(biāo)(-8，7)、(4，0)、(2，-1)、(-2，-4)、(-1，-5)作為斷鉛位置進(jìn)行試驗，分別命名為P1、P2、P3、P4、P5，在P1、P2、P3、P4、P5處各斷鉛3次。具體位置及坐標(biāo)如圖10所示。

圖10 傳感器及斷鉛位置

使用系統(tǒng)采集聲發(fā)射信號后，通過信號分析模塊對采集的斷鉛聲發(fā)射信號進(jìn)行降噪處理，得出信號到達(dá)到各傳感器的時刻，再結(jié)合Geiger迭代法[8]計算定位結(jié)果。進(jìn)一步分析試驗結(jié)果得到5處斷鉛位置的誤差分析數(shù)據(jù)，表2給出了定位結(jié)果及相對誤差，相對誤差為測量坐標(biāo)與實際坐標(biāo)之間的距離和鋁板結(jié)構(gòu)中安裝的4個傳感器之間的最大距離之比[9]。相對誤差δ可以表示為

(1)

式中：(x，y)為測量結(jié)果坐標(biāo)；(x0，y0)為斷鉛位置的實際坐標(biāo)；L為2個傳感器之間的最大距離，本實驗中，L為42.42 cm。

從表2可以看出每組斷鉛位置的相對誤差均低于5%，定位結(jié)果較準(zhǔn)確。

表2 鋁板中斷鉛試驗數(shù)據(jù)及定位結(jié)果

3 結(jié)束語

本文基于LabVIEW開發(fā)出一套聲發(fā)射采集分析系統(tǒng)，可利用廉價的壓電陶瓷片作為傳感器，實現(xiàn)聲發(fā)射信號的采集、存儲和分析功能。利用開發(fā)的系統(tǒng)開展了鋁板表面的斷鉛試驗，得出了聲發(fā)射特征參數(shù)并驗證了開發(fā)的系統(tǒng)采集和分析聲發(fā)射信號的可行性。進(jìn)一步開展了聲發(fā)射源的定位實驗，定位結(jié)果的相對誤差低于5%，證明了系統(tǒng)在聲發(fā)射源定位方面的正確性。本文的研究成果初步展示了所研發(fā)的聲發(fā)射系統(tǒng)的有效性和準(zhǔn)確性，后續(xù)將進(jìn)一步結(jié)合大尺度構(gòu)件和實際工程來驗證其有效性。同時，作者在聲發(fā)射定位等方面發(fā)展了一些高精度的定位算法，后續(xù)研究中將會在系統(tǒng)中集成這些算法。