СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОДНОГО ПРИЕМНИКА
METHOD OF DETERMINING LOCATION OF ACOUSTIC EMISSION SOURCES USING ONE RECEIVER

Изобретение относится к акустико-эмиссионной диагностике материалов и конструкций и может быть использовано для линейной локации источников акустической эмиссии (АЭ) с применением одного приемника и повышения достоверности при определении местоположения источников сигналов АЭ при применении известных методов линейной, плоскостной и объемной локации.
Известен способ измерения расстояния от единственного приемника до источника сигнала АЭ [1], где измеряется разность времени Δt между началом сигнала АЭ и максимумом этого сигнала или максимумом его огибающей, пришедшим на приемник АЭ. Вычисление расстояния осуществляют по формуле L=K*Δt, где К - определяемый экспериментально коэффициент пропорциональности. Недостатком данного способа является зависимость точности определения расстояния от необходимости четкой фиксации начала сигнала и зависимость от числа предварительных измерений разности времени Δt имитационных сигналов АЭ на заранее известных расстояниях «источник-приемник». Число предварительных измерений при этом должно быть достаточно для построения аппроксимирующей зависимости.
1
2
Наиболее близким аналогом изобретения является способ [2] измерения расстояния от единственного приемника АЭ до источника АЭ, где измеряют разность времени прихода Δt на приемник АЭ двух различных типов волн или частотных составляющих одного типа волны, порожденных одним актом АЭ. Физически возможность определения данного расстояния указанным образом объясняется тем, что в дисперсных волноводных системах волновые пакеты с различными центральными частотами распространяются с неодинаковыми фазовыми и групповыми скоростями. Это подтверждается известным из практики физической акустики фактом изменения формы и амплитуды упругого импульса в зависимости от пройденного им в среде распространения, в частности в твердом теле, пути. Поэтому один и тот же путь волновые пакеты с различными центральными частотами пройдут за разное время, что, с учетом величин групповых скоростей каждого пакета, позволяет произвести необходимые вычисления. Скорости V и V двух различных типов волн или частотных составляющих одного типа волны должны быть заранее известны или измерены. Вычисление расстояния осуществляют по формуле:
,
где V1, V2 - скорости распространения различных гармонических составляющих акустического сигнала.
1
2
Недостатком ближайшего аналога является необходимость знания скоростей V и V распространения волн, а также сложное аппаратное решение, заключающееся в изготовлении прецизионных пар фильтров электрических сигналов для выделения частотных компонентов сигналов АЭ с целью распознавания времени прихода на приемник АЭ первого и второго типа акустических волн или частотных составляющих одного типа волн для определения Δt.
Заявляемое изобретение направлено на решение задачи определения расстояния до источника сигнала АЭ с помощью одного приемника сигналов АЭ.
В процессе решения поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в повышении достоверности при определении местоположения источников сигналов АЭ при применении известных методов линейной, плоскостной и объемной локации и определении местоположения источников сигналов АЭ помощью одного приемника сигналов АЭ, если отсутствует техническая возможность установки двух и более приемников сигналов АЭ. Кроме того, существенно упрощается схема аппаратурной реализации данного метода по сравнению с ближайшим аналогом: регистрация сигналов АЭ осуществляется с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), вся дальнейшая обработка осуществляется с применением методов цифровой обработки сигналов.
Указанный технический результат достигается применением специальных методов цифровой обработки спектров принятых сигналов АЭ. Оцифрованный сигнал АЭ подвергается вейвлет-разложению (WT), в результате которого спектр сигнала АЭ представляется дискретным набором частотных вейвлет-коэффициентов. Каждый набор частотных вейвлет-коэффициентов соответствует своему масштабу разложения (а) и определен числом интервалов дискретизации, установленным настройками АЦП. Вследствие дисперсии звуковой волны время распространения различных гармонических составляющих акустического сигнала от источника до приемника сигналов АЭ неодинаково и по разнице времени прихода Δt этих гармонических составляющих можно судить о расстоянии (L) от источника до приемника. Таким образом, для определения расстояния до источника сигналов АЭ достаточно определить задержки на различных масштабах разложения (а) частотных вейвлет-коэффициентов, возникающие при распространении сигналов. Расчет времени задержки необходимо производить относительно двух калибровочных сигналов, т.е. с известным расстоянием до приемника.
Для апробирования метода был проведен ряд экспериментов с использованием модельных сигналов заданной длительности возбуждения, излучаемых на заранее установленных расстояниях источник-приемник (Фигура 1 - Схема для имитации сигналов АЭ, регистрируемых на различных расстояниях источник-приемник сигналов АЭ). Расстояние источник-приемник изменялось в пределах 20÷200 мм, длительность модельных возбуждающих сигналов изменялась в пределах 1÷10 мкс.
Предложенный метод реализуется следующим образом.
На образце исследуемого материала на известном расстоянии друг от друга и от преобразователя АЭ в одну линию располагают источники, имитирующие сигналы АЭ различной длительности (Фигура 1). Регистрируют сигналы АЭ и подвергают их цифровой обработке - разложению в спектр с применением вейвлетов (Фигуры 2, 3). На фигурах 2 и 3 представлены цветовые диаграммы вейвлет-спектров сигналов АЭ, возбуждаемых на расстояниях 20 и 30 мм от приемника АЭ соответственно. Масштаб разложения (а) изменялся от 30 до 128, частота дискретизации АЦП - 6,25 МГц. Существует связь между масштабом разложения (а) и соответствующей ему частотой компоненты анализируемого сигнала:
,
a
c
где: F - частота на масштабе (a), F - центральная частота вейвлета на масштабе а=1, Т - период дискретизации АЦП.
Частоты F1 и F2 для численного анализа коэффициентов вейвлет-разложения выбирают из условия их расположения в диапазоне спектра регистрируемых акустическими преобразователями частот, а также из условия F2≥2*F1. В данном случае выбраны два масштаба вейвлет-разложения (а): F1 (а73) и F2 (а41), что соответствует частотным компонентам сигналов АЭ с центральными частотами ~57 кГц и ~102 кГц для выбранного типа вейвлета. Критерием выбора масштабов вейвлет-разложения (а) может быть существенное разнесение соответствующих им частотных компонент сигнала (в два и более раза), а также учет характеристик усилительного тракта (Фигура 4).
На Фигурах 5 и 6 представлены графики коэффициентов вейвлет-разложения масштабов (а73) и (а41) для модельных сигналов с расстоянием источник-приемник 20 мм и 30 мм соответственно.
Оценим задержку коэффициентов вейвлет-разложения масштабов (а73) и (а41), для чего вычислим функцию взаимной корреляции R для указанных коэффициентов:
,
где: [a, b] - интервал, на котором определяется задержка между сигналами f и g; τ - величина сдвига по оси времени.
Максимум функции взаимной корреляции R будет соответствовать временной задержке между анализируемыми рядами данных. На Фигуре 7 изображен график функции взаимной корреляции между коэффициентами вейвлет-разложения масштаба а73 (~57 кГц) двух модельных сигналов, расположенных на расстояниях источник-приемник 20 мм и 30 мм. На Фигуре 8 изображен график функции взаимной корреляции между коэффициентами вейвлет-разложения масштаба а41 (~102 кГц) двух модельных сигналов, расположенных на расстояниях источник-приемник 20 мм и 30 мм.
На основании полученных данных о смещении максимумов вейвлет-коэффициентов соответствующих масштабов разложения сигналов АЭ (19 и 10 дискретных интервалов для масштабов разложения а73 и а41 соответственно) оценивают величину задержки распространения частотной компоненты сигнала 57 кГц от частотной компоненты 102 кГц. В данном случае она равна: 19-10=9 дискретных интервалов. Данная задержка пропорциональна расстоянию между двумя источниками сигналов АЭ (для рассмотренного примера расстояние между источниками составляет 30-20=10 мм). Расстояние до источника АЭ, находящегося на неизвестном расстоянии от приемника, после этого рассчитывают с использованием взаимной корреляции коэффициентов вейвлет-разложения для пары: сигнал источника АЭ, находящегося на неизвестном расстоянии - сигнал имитирующего источника АЭ. Таким образом, методика определения расстояния до источника сигнала АЭ может быть представлена следующими этапами.
1. На исследуемом техническом устройстве или образце исследуемого материала размещают два источника, имитирующих сигналы АЭ, на известном взаимном расстоянии S друг от друга и известном расстоянии от приемника сигналов АЭ. Данные сигналы АЭ, излучаемые имитирующими источниками, будем считать калибровочными.
2. Определяют частоты F1 и F2 калибровочных сигналов АЭ для последующего анализа из условий: F1 и F2 должны соответствовать линейной части АЧХ усилительного тракта, F2≥2*F1.
3. Осуществляют вейвлет-разложение анализируемых (калибровочных) сигналов АЭ и выделяют вейвлет-коэффициенты масштабов разложения, соответствующих частотным компонентам F1 и F2.
4. Определяют максимумы функции взаимной корреляции R для каждой из пар вейвлет-коэффициентов частотных компонент F1 и F2. Максимум взаимной корреляции R соответствует временной задержке между анализируемыми рядами вейвлет-коэффициентов.
5. Рассчитывают задержку распространения частотной компоненты F1 относительно частотной компоненты F2 по формуле: Δt=Δt1-Δt2, где Δt1 и Δt2 - задержки между анализируемыми вейвлет-коэффициентами пары калибровочных сигналов для частотных компонент F1 и F2 соответственно.
6. Осуществляют регистрацию сигналов АЭ в процессе испытания исследуемого технического устройства или нагружения образца исследуемого материала.
i
7. Повторяют пп.3-5 для пар сигналов АЭ, одним из которых является какой-либо из калибровочных, вторым - один из зарегистрированных сигналов АЭ, расстояние до которого необходимо определить, рассчитывая тем самым задержку Δt распространения частотной компоненты F1 относительно F2 для i-го сигнала и одного из калибровочных сигналов.
i
8. Рассчитывают искомое расстояние S для всех зарегистрированных сигналов АЭ по формуле:
Результаты экспериментов показали, что предлагаемый способ определения местоположения источников АЭ дает достаточно высокую для практического применения точность (1 мм при частоте дискретизации АЦП 6,25 МГц и полосе частот усилителя и преобразователя АЭ 30-500 кГц), которая зависит от частоты дискретизации применяемого при регистрации сигналов АЭ АЦП и частотных характеристик усилительного тракта, и прост в реализации.
Источники информации
1. Патент Российской Федерации №2229121, кл. G01N 29/14, 2002. Способ определения расстояния между преобразователем и источником акустической эмиссии (оценка задержки по максимуму амплитуды или огибающей сигнала).
2. Авторское свидетельство СССР №1536304, кл. G01N 29/04, 1990. Устройство для акустико-эмиссионной диагностики трубопроводов.