СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ИСТОЧНИКА АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
METHOD OF DETERMINING COORDINATES OF ACOUSTIC EMISSION SOURCE

Изобретение относится к неразрушающим методам контроля и может быть использовано в химической, нефтехимической, энергетической, металлургической промышленности, на объектах транспорта.
Известен способ определения расстояния между источником и приемником сигналов акустической эмиссии (SV 741142 A1, МПК G01N 29/04, дата подачи заявки 23.10.1978).
Сущность известного способа заключается в следующем. На контролируемое изделие устанавливают преобразователи акустической эмиссии, изделие нагружают, принимают по двум каналам сигналы акустической эмиссии, генерируемые дефектом изделия, измеряют интервалы времени между моментами появления сигналов в разных каналах, принимая за моменты появления сигналов сигналы двух выделенных мод волны Лэмба, и определяют расстояние между источником и приемником по измеренным интервалам и скорости распространения сигналов.
Недостатками данного способа являются сложность реализации, так как для регистрации каждой из двух мод волны Лэмба требуется наличие своего преобразователя и измерительного канала, при этом необходимо определять момент прихода каждой моды и измерять интервалы времени, т.е. использовать пороговый метод обнаружения сигналов, обладающий большой погрешностью. В дополнение, данный способ предполагает использование направленных преобразователей, а для этого необходимо знать заранее направление, с которого придет сигнал. Кроме того, скорость распространения мод волны Лэмба зависит от частоты и две разные моды могут иметь одинаковую скорость на разных или одной частоте. Необходимость учитывать это обстоятельство значительно усложняет задачу и сказывается точности определения расстояния.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ определения расстояния между преобразователем и источником акустической эмиссии (RU 2397490 С2, МПК G01N 29/14, дата подачи заявки 07.08.2007), заключающийся в том, что на контролируемом изделии, представляющем из себя плоский лист, устанавливают преобразователь акустической эмиссии, изделие нагружают, принимают сигналы акустической эмиссии, генерируемые дефектом, регистрируют моды волн Лэмба в виде волнового пакета, после представления которого частотно-временной зависимостью на спектрограммах выделяют энергетические максимумы антисимметричных и симметричных мод, а расстояние между преобразователем и источником акустической эмиссии рассчитывают по разнице во времени прихода энергетических максимумов на выбранных частотах.
Недостатком данного способа является то, что в определении положения источника акустической эмиссии возникает неопределенность, так как геометрическое место точек (координат источника), равноудаленных от данной (приемника акустической эмиссии), представляет собой, на плоском образце, окружность радиуса, равного определяемому расстоянию до источника (Фиг.1), а на цилиндрическом образце, например трубопроводе, геометрическое место точек, равноудаленных от данной по образующей поверхности (Фиг.2).
С учетом того, что дальность локации может достигать величин порядка десятков метров, ценность информации о расстоянии до источника акустической эмиссии становится чрезвычайно незначительной, особенно в реальных испытаниях, например, на трубопроводах.
Задачей изобретения является повышение точности определения местоположения источника акустической эмиссии.
Поставленная задача решается тем, что в способе определения расстояния между преобразователем и источником акустической эмиссии, заключающемся в том, что на контролируемом изделии устанавливают преобразователь акустической эмиссии, изделие нагружают, принимают сигналы акустической эмиссии, генерируемые дефектом, регистрируют моды волн Лэмба в виде волнового пакета, после представления которого частотно-временной зависимостью на спектрограммах выделяют энергетические максимумы антисимметричных и симметричных мод, а расстояние между преобразователем и источником акустической эмиссии рассчитывают по времени прихода энергетических максимумов на выбранных частотах. Согласно изобретению на контролируемом изделии устанавливают два преобразователя акустической эмиссии, определяют расстояние от источника до каждого из преобразователей и затем рассчитывают координаты дефекта изделия - источника акустической эмиссии.
Технический результат предлагаемого изобретения выражается в следующем. За счет одновременного определения расстояний от источника акустической эмиссии до двух преобразователей, разнесенных на некоторое расстояние друг от друга, появляется возможность определения по данным измерения одного импульса акустической эмиссии координат источника акустической эмиссии, что значительно повышает практическую ценность метода.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом. На испытуемом изделии - металлическом листе, трубопроводе и т.д. устанавливают два преобразователя акустической эмиссии (ПАЭ), подсоединенные к измерительному каналу системы. Сигнал акустической эмиссии, генерируемый имеющимся в изделии дефектом или имитируемый с помощью источника Хсу-Нильсена регистрируется ПАЭ, осциллографом, подвергается непрерывному вейвлет-преобразованию и представляется в координатах время-частота.
1
2
1
2
i
i
i
Далее на спектрограммах выделяют энергетические максимумы A(f,t), A(f,t) -антисимметричных и/или S(f,t), S (f,t) - симметричных мод сигналов ПАЭ одного и другого, анализируя частотно-временные представления A(f,t) и/или S(f,t) (i=1,2) определяют разницу T во времени прихода разных мод на разных или одной частоте, или одной моды на разных частотах, а координаты источника акустической эмиссии рассчитывают по формулам:
а) для плоских образцов (Фиг.3) - декартовы координаты (ху) - по разнице во времени прихода энергетических максимумов разных мод на разных или одной частоте:
A
S
где υ, υ - скорости прихода энергетических максимумов антисимметричной и симметричной мод соответственно;
i,A-S
o2
o2
T - разница во времени прихода энергетических максимумов антисимметричной и симметричной мод в первом (i=1) и во втором (i=2) ПАЭ; а=y-y- расстояние между ПАЭ;
для расчета координат по разнице во времени прихода энергетических максимумов одной моды на разных частотах:
f1
f2
1
2
где υ, υ - скорости прихода энергетических максимумов симметричной либо антисимметричной моды на частотах f и f;
1,f1-f2
2,f1-f2
1
2
T, T- разницы во времени прихода энергетических максимумов симметричной либо антисимметричной моды на частотах f и fна первый и второй ПАЭ соответственно;
б) для тонкостенных цилиндрических образцов радиуса r - цилиндрические координаты (ρ, z, φ):
где D - диаметр цилиндрического образца.
1
2
Сечение z=z цилиндрического образца, содержащее дефект, определяется однозначно.
A
S
Дисперсионные экспериментальные кривые скоростей υ(f) и υ(f) мод волн Лэмба могут быть рассчитаны методом конечных элементов для конкретного материала и геометрии изделия либо определены экспериментально при возбуждении импульса акустической эмиссии имитатором в точке с известными координатами.
2
2
2
На Фиг.1 представлено возможное положение источника акустической эмиссии при определении расстояния на плоских образцах с помощью одного ПАЭ. Определяемое расстояние R удовлетворяет уравнению х+y=R в декартовых координатах.
D - преобразователь акустической эмиссии.
2
2
2
2
На Фиг.2 представлено возможное положение источника акустической эмиссии при определении расстояния на цилиндрических образцах с помощью одного ПАЭ. Определяемое расстояние R удовлетворяет уравнению ρφ+z=R в цилиндрических координатах;
ρ=r, где r - радиус цилиндрической поверхности.
1
2
На Фиг.3 представлено возможное положение источника акустической эмиссии в случае применения двух ПАЭ на плоских образцах - это две точки u и u плоскости декартовыми координатами.
;
;
а
1
2
- расстояние между ПАЭ D и D.
1
2
На Фиг.4 представлено возможное положение источника акустической эмиссии в случае применения двух ПАЭ на цилиндрических образцах - это две точки u и u поверхности с цилиндрическими координатами
;
;
.
На Фиг.5 и 6 приведены данные для сигнала акустической эмиссии, полученные при испытании на медном плоском образце.
В верхней части каждой фигуры приведены акустические импульсы, зарегистрированные пьезоэлектрическим приемником акустической эмиссии и оцифрованные с помощью аналого-цифрового преобразователя. Частота оцифровки импульсов - 6,25 МГц.
В нижней части каждой фигуры приведены частотно-временные представления каждого импульса, полученные в результате непрерывного вейвлет-преобразования.
S
A
Полученного в результате вейвлет-преобразования данные для расчета, когда проводили калибровочные измерения скоростей υ и υ симметричной и антисимметричной волн Лэмба:
1
с,
с - времена прихода максимумов симметричной и антисимметричной мод Лэмба на первый ПАЭ D,
с,
с - времена прихода максимумов симметричной и антисимметричной волн Лэмба.
S
A
1
2
S
A
1
2
1
2
а
Тогда значение скоростей υ и υ соответствующих мод при расстоянии =0,5 м между ПАЭ D и D: υ=2854 м/с, υ=2180 м/с, а искомые координаты источника акустической эмиссии: x=x=0, y=y=1,38 м. Ошибка в определении координат не превысила 10%.