Способ идентификации источников акустической эмиссии
METHOD OF IDENTIFYING SOURCES OF ACOUSTIC EMISSION

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и мониторинга технического состояния конструкций. Способ может быть использован для идентификации и классификации источников акустической эмиссии (АЭ) на контролируемых объектах.
Известен способ распознавания источников сигналов акустической эмиссии (RU 2569078, МПК G01N 29/14, опубликовано 20.11.2015 Бюл. №32). Сущность известного способа заключается в том, что измеряют максимальную амплитуду импульса, число выбросов и длительность импульсов сигналов, после чего на основании проведенных измерений осуществляют распознавание источников сигналов акустической эмиссии.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ обработки сигналов акустической эмиссии (RU 2671152, МПК G01N 29/14, опубликовано 29.10.2018 Бюл. №31), заключающийся в том, что сигнал, полученный с датчиков акустической эмиссии, пропускают через цифровой полосовой фильтр, декомпозируют сигнал на полезную и шумовую составляющую на разных уровнях с помощью wavelet фильтра, строят огибающую сигнала с помощью преобразования Гильбера и последующим сглаживанием при помощи средней скользящей функции, проводят детектирование импульсов с определением параметров времени зарождения импульса, максимальной амплитуды, продолжительности, энергии, энтропии и фрактальной размерности, строится аттрактор и вейвлет скалограмма, полученные характеристики импульсов и сами импульсы записываются в специальную базу данных структурной устойчивости материалов.
Недостатком данного способа является то, что при регистрации сигналов АЭ не учитывается расстояние от источника до приемника сигнала АЭ, не выполняется идентификация типов источников сигналов АЭ.
Задачей изобретения является разработка способа, позволяющего проводить классификацию и идентификацию источников регистрируемых сигналов АЭ, различающихся по типам источников, если форма регистрируемых сигналов АЭ, их Фурье спектры имеют высокую степень сходства, а источники АЭ при этом находятся на различном расстоянии от приемника.
В процессе решения поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в повышении достоверности и обеспечении возможности идентификации источников акустической эмиссии, порождаемых различными типами источников АЭ, характеризующих разрушение материалов и находящихся на различном расстоянии от приемника АЭ.
Указанный технический результат достигается тем, что способ идентификации сигналов АЭ основан на установлении зависимости между численным значением энергии, рассчитанным для компонент вейвлет декомпозиции сигнала АЭ и Фурье спектра компонент вейвлет декомпозиции и параметром, характеризующим тип разрушения материала, с учетом расстояния от источника до приемника сигнала АЭ.
Предложенный способ реализуется следующим образом. На объекте исследований или аналогичном объекте проводят предварительные калибровочные испытания. Для этого на объекте исследований устанавливают приемник АЭ. Задаются несколькими расстояниями между приемником АЭ и предполагаемым источником АЭ, определяемыми с учетом затухания ультразвуковой волны при ее распространении в материале и чувствительности приемника АЭ. Выполняют регистрацию приемником АЭ сигналов АЭ, возбуждаемых известными типами источников АЭ, расположенных на заданном расстоянии между приемником и источником АЭ. Далее выполняют обработку зарегистрированных сигналов АЭ. Для этого выполняют дискретное вейвлет преобразование сигналов АЭ, расчет численных значений энергии АЭ для компонент второго и третьего уровней вейвлет декомпозиции сигналов АЭ, расчет Фурье спектров компонент четвертого уровня вейвлет декомпозиции сигналов АЭ. Выполняют расчет отношения энергии в каждом из двух заданных частотных диапазонов Фурье спектров компонент вейвлет декомпозиции четвертого уровня. Для этого на Фурье спектре задают два граничащих между собой частотных диапазона, границу между которыми выбирают таким образом, чтобы она располагалась между двумя пиками частотных компонент спектра, характеризующими симметричную и антисимметричную моды волны Лэмба. Частотные диапазоны слева и справа от указанной границы выбраны равными и не выходящими за пределы частотного диапазона приемной аппаратуры. Далее выполняют расчет численных значений энергии Фурье спектров в заданных частотных диапазонах и расчет отношения между ними. По полученным расчетам выполняют построение следующих графиков численной зависимости:
- зависимости между рассчитанными значениями отношения энергии Фурье спектров и значениями расстояния между приемником и источником АЭ;
- зависимости между рассчитанными значениями энергии компонент вейвлет декомпозиции второго и третьего уровней и значением твердости или иного параметра, характеризующего тип источника АЭ.
Построенные графики используют как калибровочные для выполнения последующих исследований на других объектах. Для этого на объекте исследований устанавливают один или несколько приемников АЭ, выполняют нагружение объекта исследования путем задания в нем испытательной или рабочей нагрузки, или выполняют иное воздействие, требуемое при проведении исследований и способное при возникновении развивающихся дефектов вызвать излучение и распространение в объекте волн АЭ. В процессе нагружения выполняют регистрацию сигналов АЭ, порождаемых различными типами источников АЭ при воздействии на объект исследований. Определяют места расположения источников АЭ для зарегистрированных сигналов АЭ, определяют расстояние между приемниками и источниками зарегистрированных сигналов АЭ. Определение местоположения источников АЭ выполняют известными методами локации источников, например, методами линейной или планарной локации по задержке времени распространения акустических волн. Для зарегистрированных источников АЭ с установленным для них расстоянием между приемником и источником АЭ выполняют расчет численных значений энергии Фурье спектров в заданных при калибровочном исследовании частотных диапазонах компонент четвертого уровня вейвлет декомпозиции сигналов АЭ. По построенному ранее калибровочному графику численной зависимости между значениями отношения энергии Фурье спектров компонент вейвлет декомпозиции четвертого уровня в заданных частотных диапазонах и значением расстояния между приемником и источником АЭ определяют тип источника АЭ. При необходимости, выполняют уточнение типа источника по калибровочным графикам численной зависимости между рассчитанными значениями энергии компонент вейвлет декомпозиции второго и третьего уровней и значением твердости или иного параметра, характеризующего тип источника АЭ.
Реализация способа представлена на фигурах. На фиг. 1 приведена схема расположения приемника и источников АЭ на пластине. На фиг. 2 показана зависимость твердости грифелей карандаша (источников Су-Нильсена) от их обозначений. На фиг. 3 приведены осциллограммы сигналов АЭ и их Фурье спектров, зарегистрированных при возбуждении изломом грифеля карандаша твердостью 2Н (а), Н (б) и НВ (в) и расположенных на расстоянии 150 мм от приемника. На фиг. 4 приведены шесть уровней вейвлет декомпозиции сигналов АЭ, зарегистрированных на расстоянии 150 мм от приемника при изломе грифеля карандаша твердостью 2Н (а), Н (б) и НВ (в). Фиг. 5 - калибровочный график зависимости значений энергии частотных компонент вейвлет декомпозиции сигналов АЭ, зарегистрированных при возбуждении источниками различной твердости: а), в) и д) частотные компоненты второго уровня вейвлет декомпозиции; б), г) и е) частотные компоненты третьего уровня вейвлет декомпозиции; а) и б) на расстоянии 90 мм до приемника; в) и г) на расстоянии 150 мм до приемника; д) и е) на расстоянии 200 мм до приемника. Фиг. 6 - Фурье спектр частотной компоненты четвертого уровня вейвлет декомпозиции одного из сигналов АЭ. Фиг. 7 - калибровочный график зависимости значений отношения энергий частотных диапазонов Фурье спектров для сигналов АЭ, зарегистрированных при возбуждении источниками различной твердости (НВ, Н, 2Н), зарегистрированных на различном расстоянии от приемника.
Для апробирования способа был проведен ряд экспериментов с использованием модельного возбуждения источников сигналов АЭ различных типов. В качестве различных типов источников сигналов использовали излом графитового стержня цангового карандаша (источник Су-Нильсена) различной твердости, например, НВ, Н, 2Н.
Сущность изобретения рассматривается на примере обработки сигналов АЭ, возбуждаемых указанными типами источников Су-Нильсена, и зарегистрированных при распространении акустических волн в пластине из алюминиевого сплава Д16 на различном расстоянии от приемника. Размер пластины составлял 500 мм × 600 мм × 1,8 мм.
Для регистрации сигналов АЭ использовался пьезоэлектрический преобразователь, например, GT-301, который является широкополосным преобразователем акустической эмиссии. Преобразователь был подключен к предварительному усилителю с коэффициентом усиления 40 дБ, выход которого был подключен к регистрирующей АЭ системе с аналого-цифровым преобразованием сигналов. Положения преобразователя, являющегося приемником АЭ сигналов, и источников АЭ на поверхности пластины приведены на фиг. 1. Зависимость твердости грифелей цангового карандаша от их обозначений приведены на фиг. 2.
Сигналы АЭ и их Фурье спектры, которые были зарегистрированы приемником АЭ на расстоянии 150 мм от источников, возбуждаемых при изломе грифеля различной твердости, приведены на фиг. 3. Вид сигналов АЭ, зарегистрированных от источников твердостью НВ, Н и 2Н, и их Фурье спектры имеют высокую степень сходства. При качественном выявлении типа источника по виду графиков сигналов АЭ и их спектров Фурье, подобные сигналы можно отнести к однотипным, не имеющим между собой существенных различий.
Для зарегистрированных сигналов АЭ был выполнен дискретный вейвлет анализ и получены компоненты дискретного вейвлет преобразования для шести уровней декомпозиции. На фиг. 4 показаны графики дискретного вейвлет преобразования сигналов АЭ, зарегистрированных на расстоянии 150 мм от источников, возбуждаемых при изломе грифелей карандаша твердостью 2Н (а), Н (б) и НВ (в) для шести уровней вейвлет декомпозиции. Из графиков на фиг. 4 видно, что декомпозиции второго, третьего и четвертого уровней имеют отдельные характерные различия.
Для каждой компоненты вейвлет декомпозиции рассчитывали энергию по формуле:
АЭ
s
i
где: Е - энергия компоненты сигнала, ƒ - частота дискретизации, x - текущее дискретное значение компоненты вейвлет декомпозиции.
д
g
g
В результате расчета энергии частотной компоненты для всех уровней разложения были построены зависимости между твердостью источника Су-Нильсена и энергией частотной компоненты для более, чем пяти испытаний на каждую экспериментальную точку. Для компонент второго и третьего уровней разложения наблюдается линейная зависимость численных значений энергии частотной компоненты от значения твердости (фиг. 5). Как представлено в примере серии проведенных испытаний (фиг. 5), зарегистрированные сигналы от различных источников характеризуются прямой возрастающей зависимостью энергии частотной компоненты второго и третьего уровней вейвлет декомпозиции от значения твердости источника (в данном примере - от значения твердости грифеля карандаша источника Су-Нильсена). Закономерным является изменение численного значения энергии частотной компоненты для отдельно взятого источника с определенной твердостью от расстояния до приемника АЭ. При этом, монотонный характер изменения энергии отдельных частотных диапазонов сигнала АЭ отмечен для частотной компоненты вейвлет декомпозиции четвертого уровня. Это обосновано тем, что четвертый уровень вейвлет декомпозиции соответствует по частоте приблизительно середине частотного диапазона регистрируемых сигналов АЭ и АЧХ используемых широкополосных преобразователей GT301 (f=50-550 кГц) и для частоты дискретизации аналого-цифрового преобразования регистрирующей АЭ системы f=5 МГц составляет 253 кГц. Для установления зависимости энергии частотного диапазона от расстояния до приемника АЭ было выполнено преобразование Фурье и построен Фурье спектр для частотной компоненты вейвлет декомпозиции четвертого уровня каждого из сигналов АЭ (фиг. 6). На полученном Фурье спектре выполнено разделение на два частотных диапазона с границей на частоте f=300 кГц, расположенной между двумя пиками частотных компонент спектра, характеризующих симметричную и антисимметричную моды волны Лэмба. Частотные диапазоны слева и справа от границы f выбраны равными по 100 кГц для снижения влияния шумов на результаты.
Расчет энергии каждого из двух частотных диапазонов выполнялся по формуле:
i
1
g
1
2
2
g
1
2
i
где E - энергия частотного диапазона, Е - энергия частотного диапазона слева от границы f между f=200 кГц и f=300 кГц, Е - энергия частотного диапазона справа от границы f между f=300 кГц, f=400 кГц, d4(x) - компонента вейвлет декомпозиции четвертого уровня, ƒƒt - Фурье преобразование сигнала.
1
2
1
2
1
2
Для рассчитанных значений энергии E и Е найдено их отношение Е и Е, показывающее вклад в частотную компоненту составляющих сигнала, характеризующих симметричную и антисимметричную волны Лэмба. Рассчитанные значения отношения E/Е для различных значений твердости грифеля карандаша, как источника АЭ, и различных расстояний между источником АЭ и приемником при многократном повторении эксперимента приведены на фиг. 7.
1
2
Методика идентификации источников регистрируемых сигналов АЭ состоит в следующем. Строят калибровочные графики, приведенные на фиг. 5 и 7. Для этого с использованием различных и предполагаемых к идентификации типов источников АЭ в объекте исследования возбуждают на различном расстоянии от приемника сигналы АЭ. Для зарегистрированного сигнала АЭ, порожденного неизвестным типом источника, определяют расстояние до приемника известными методами локации источников АЭ. По диаграмме зависимости отношения E/Е от расстояния между источником АЭ и приемником (фиг. 7) определяют тип источника, расположенного на определенном расстоянии от приемника. Далее установленный тип источника уточняют по калибровочным графикам, приведенным на фиг. 5.
Таким образом, полученные результаты идентификации источников сигналов АЭ могут быть использованы для определения механизма разрушения (твердости локальной зоны разрушения, скорости развития трещины, характера разрушения или иного параметра, характеризующего тип источника АЭ) в объекте исследования при его нагружении, заданном во время испытаний объекта исследования или во время его эксплуатации при рабочей нагрузке, и позволяют установить связь параметров зарегистрированных сигналов АЭ с параметрами разрушения структуры материала, как источника АЭ определенного типа, расположенного на различном расстоянии от приемника АЭ.