СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ИСТОЧНИКОВ СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
METHOD FOR DETERMINING COORDINATES OF ACOUSTIC EMISSION SIGNAL SOURCES

Изобретение относится к неразрушающему контролю металлических конструкций с использованием метода акустической эмиссии.
Известен способ определения времени прихода сигнала акустической эмиссии по его оцифрованной форме, который основывается на концепции скользящего «окна». При этом на оцифровку сигнала акустической эмиссии накладывается «окно» определенного размера. По части оцифровки сигнала в данном «окне» рассчитывается некоторый параметр, реагирующий на локальное изменение структуры сигнала. Данное «окно» передвигается по оцифровке, а для параметра устанавливается пороговый уровень, при превышении которого фиксируется начало сигнала. При использовании метода скользящего «окна» в качестве параметра структуры сигнала выбирается среднее квадратическое отклонение, которое характеризует уровень энергии:
,
1
где Т - номер отсчета аналого-цифрового преобразователя, соответствующий началу «временного окна»;
2
Т - номер отсчета аналого-цифрового преобразователя, соответствующий моменту окончания временного «окна»;
ср
х - среднее значение реализации сигнала акустической эмиссии в «окне»;
j - номер точки в массиве среднего квадратического отклонения.
Для определения времени прихода сигнала акустической эмиссии используется два пороговых уровня среднего квадратического отклонения. Первый пороговый уровень определяется уровнем шума предыстории сигнала, а второй пороговый уровень является порогом, определяющим минимальный уровень энергии сигнала, который превышает уровень шумов. Время прихода сигнала акустической эмиссии определяется моментом его пересечения первого порогового уровня (Акустико-эмиссионный контроль авиационных конструкций /А.Н. Серьезнов, Л.Н. Степанова, С.И. Кабанов и др. - М.: Машиностроение/ Машиностроение-Полет, 2008. - С. 50-54), принятый за аналог.
Недостатком способа является зависимость погрешности определения времени прихода от задаваемой величины порогового уровня, определяющего минимальный уровень энергии сигнала. Кроме того, данный способ не позволяет с высокой точностью определять время прихода для сигналов с пологим передним фронтом и большим временем нарастания. Это приводит к некорректной локации таких сигналов.
Наиболее близким к предлагаемому решению является способ определения координат источников сигналов акустической эмиссии на металлической конструкции, включающий установку n акустических преобразователей на конструкции, определение скорости распространения сигналов акустической эмиссии на конструкции и разности их времен прихода на акустические преобразователи, вычисление по ним координат дефектов. Кроме того, в зону, ограниченную пьезоантенной, устанавливается акустический преобразователь имитатора, а расчет времен прихода сигналов акустической эмиссии на акустические преобразователи, составляющие пьезоантенну, производится по отфильтрованным с использованием вейвлет-фильтрации сигналам, рассчитывается погрешность определения координат акустического преобразователя имитатора, подбираются пороговые значения по амплитуде коэффициентов для вейвлет-фильтрации, при которых погрешность определения координат акустического преобразователя имитатора принимает минимальное значение, изменяется частотный диапазон вейвлет-фильтрации до тех пор, пока погрешность определения координат акустического преобразователя имитатора не примет минимальное значение, после чего металлическая конструкция нагружается, а по полученным параметрам вейвлет-фильтрации производится фильтрация сигналов акустической эмиссии и определение их координат (Пат. РФ №2356043, МПК G01N 29/14, приоритет от 27.06.2007 г. БИ №14, 2009 г.), принятый за прототип.
К числу основных недостатков данного способа следует отнести большой объем необходимых вычислений. Кроме того, способ вариации частотного диапазона вейвлет-фильтрации применим только при условии использования широкополосных акустических преобразователей. Также следует учитывать, что вейвлет-фильтрация изменяет форму регистрируемого сигнала акустической эмиссии, в связи с чем невозможно полностью исключить риск подавления таких «дополнительных» (по отношению к имеющей наибольшую зарегистрированную амплитуду) частотных составляющих сигнала, которые могут содержать важную информацию о типе источника сигналов акустической эмиссии.
При разработке заявляемого способа определения координат источников сигналов акустической эмиссии была поставлена задача повышения точности определения координат дефектов по сигналам акустической эмиссии и сокращение времени локации.
Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемом способе определения координат источников сигналов акустической эмиссии на металической конструкции, включающем установку n акустических преобразователей, образующих пьезоантенну, на конструкцию и акустического преобразователя имитатора в зону, ограниченную пьезоантенной, определение скорости распространения сигналов акустической эмиссии на конструкции и разности их времен прихода на акустические преобразователи, вычисление по ним координат дефектов, после установки пьезоантенны осуществляется калибровка конструкции для определения оптимальной длительности двух временных «окон» по минимальному разбросу времен прихода, затем с датчика имитатора снимается напряжение и конструкция нагружается, а времена прихода сигналов акустической эмиссии на датчики пьезоантенны определяются по максимальному значению отношения энергии сигнала во втором временном «окне» к энергии сигнала в первом временном «окне».
1
2
1
2
На фиг. 1 показана схема расстановки акустических преобразователей, работающих в режиме приема, и акустический преобразователь имитатора И, работающий в режиме излучения акустических сигналов. На фиг. 2 показано изменение функционала R, по максимуму которого определяется время прихода сигнала, при перемещении по его цифровой реализации временных «окон» длительностью 16 мкс и 64 мкс, для сигнала, зарегистрированного при контроле процесса сварки. На фиг. 3 изображено передвижение временных «окон» вдоль реализации сигнала акустической эмиссии. На фиг. 4 показан пример локации сигналов имитатора при неудачном задании размеров временных «окон» (τ=20 мкс, τ=52 мкс). На фиг. 5 приведена локация сигналов имитатора со стандартными размерами временного «окна». На фиг. 6 показана локация сигналов имитатора с оптимальными размерами временного «окна», оцененными предложенным методом. На фиг. 7 приведен подбор оптимального размера временного «окна» по сигналам имитатора. На фиг. 8 приведен выбор размера временного «окна» для контроля сварки. На фиг. 9 показана суммарная амплитуда локализованных с использованием заявленного способа сигналов акустической эмиссии при сварке с оптимальными размерами «окна» τ=24 мкс и τ=72 мкс. На фиг. 10 приведена локация сигналов из активной области с использованием предложенного способа. На фиг. 11 приведена локация сигналов из активной области со стандартными размерами временного «окна».
1
2
Предложенный способ реализуется следующим образом. Для каждой пьезоантенны, состоящей из четырех акустических преобразователей, выбирается место установки акустического преобразователя имитатора И сигналов акустической эмиссии (см. фиг. 1). В случае наличия концентратора напряжений от дефекта, подлежащего контролю, либо другого источника сигналов акустической эмиссии, установка преобразователя имитатора производится в непосредственной близости от такого источника. Место установки выбирается таким образом, чтобы время распространения акустического сигнала до первого принимающего преобразователя было вдвое меньше, чем до второго, и в три раза меньше, чем до третьего принимающего преобразователя. Такое положение преобразователя имитатора позволяет выполнить подбор оптимальных параметров определения времени прихода сигнала для любого положения реального источника акустической эмиссии в зоне контроля, ограниченной пьезоантенной. После установки преобразователей выполняется калибровка конструкции путем регистрации сигналов акустической эмиссии от имитатора. При этом количество зарегистрированных сигналов должно быть не меньше 20 для получения устойчивого результата при их обработке с использованием методов математической статистики (Пугачев B.C. Теория вероятностей и математическая статистика. - М.: Физматлит, 2000 - с. 348-349) для каждого значения амплитуды сигналов акустической эмиссии имитатора. Затем выполняется обработка каждой полученной группы сигналов с целью подбора оптимального размера временных «окон» длительностью τ, τ (см. фиг. 3). Подбор оптимальных величин размеров «окон» осуществляется по минимальному значению разброса величин времени прихода, для группы сигналов акустической эмиссии имитатора. При этом размер второго временного «окна» определяется из выражения:
После этого рассчитывается функционал, включающий энергетические параметры сигналов в «окнах», а время прихода сигнала акустической эмиссии определяется по максимальному значению функционала, вычисляемого как:
,
2
1
где τ, τ - длительность двух временных «окон», перемещающихся по цифровой реализации сигнала; u - отсчеты цифровой реализации сигнала; m - ее размер.
Размер временного «окна» влияет на оценку энергии сигнала акустической эмиссии и соответственно на оцениваемое по максимальной величине функционала R значение времени прихода сигнала. Для определения оптимальной величины размера временного «окна» рассчитывается значение дисперсии времени прихода сигналов акустической эмиссии на четыре акустических преобразователя, формирующих пьезоантенну:
, 0≤i<4,
i,j
1
k
min
max
1
k
где T - значение времени прихода j-го сигнала акустической эмиссии из группы однородных сигналов имитатора на датчик-преобразователь с номером i;  - среднее время прихода для этой группы сигналов, определенное по максимуму функционала R(i)[(τ), τ+τ-(τ)];  - количество сигналов в группе;  - оценка дисперсии расчетных значений времени прихода акустического сигнала имитатора по методу максимального правдоподобия (Пугачев B.C. Теория вероятностей и математическая статистика. - М.: Физматлит, 2000 - с. 294-295).
Затем вычисляется максимальное значение дисперсии времен прихода по номерам принимающих датчиков преобразователей:
,
(k)
1
1
k
где D - значение предлагаемого дисперсионного критерия эффективности оценки времени прихода акустического сигнала при τ={τ}.
1оптим
2оптим
После чего определяются τ τ:
1оптим
2оптим
Полученные величины τ и τ используются при определении времен прихода сигналов акустической эмиссии в процессе испытаний конструкции.
2
1
Затем напряжение с датчика имитатора снимается, металлический объект контроля нагружается и акустические датчики пьезоантенны регистрируют времена прихода сигналов с использованием настроенных с оптимальной длительностью «окон», определенных при калибровке конструкции. Времена прихода сигнала на датчики пьезоантенны определяются по максимальному значению отношения энергии сигнала во временном «окне» длительностью τ к энергии сигнала во временном «окне» длительностью τ.
Пример 1. Определение координат датчика имитатора на стальном листе
-9
В процессе работы с имитатором сигналов акустической эмиссии регистрация осуществлялась микропроцессорной системой СЦАД-16.10 с «плавающими» порогами селекции (свидетельство RU.C.27. 007.A №40707, зарегистрирована в Государственном реестре средств измерений №45154-10). Электронный имитатор сигналов акустической эмиссии с длительностью 200⋅10 с и частотой следования акустических сигналов (0,25-32) Гц с изменяемой амплитудой сигналов (20…119) В входит в состав этой системы. Устанавливалась пьезоантенна, состоящая из четырех преобразователей акустической эмиссии типа GT300, с полосой пропускания (100-800) кГц. Частота в акустико-эмиссионной системе изменялась программно от 1 до 8 МГц, а «плавающие» пороги селекции исключали переход измерительных каналов системы в режим насыщения.
Датчик имитатора сигналов акустической эмиссии последовательно устанавливался в десяти различных позициях на стальном листе размером 1000х1000х8 мм. При этом амплитуда выходного сигнала изменялась в каждой новой точке, а также в процессе регистрации сигналов из одного положения датчика имитатора. Всего было зарегистрировано 384 сигнала от имитатора акустической эмиссии. Локация сигналов акустической эмиссии со стандартными размерами временных «окон» представлена на фиг. 6.
1
2
Далее была выполнена кластеризация сигналов по их цифровой форме (Серьезнов А.Н., Степанова Л.Н., Ивлиев В.В. и др. Акустико-эмиссионный контроль железнодорожных конструкций. - Новосибирск: Наука, 2011. - 272 с. - С. 207), в результате чего было получено 10 кластеров. Каждый кластер соответствовал сигналам из одного положения имитатора с неизменной амплитудой. Для каждого кластера была выполнена процедура подбора оптимального размера временных «окон». Если размеры временных «окон» были заданы неудачно, то разброс точек локации был большим, что представлено на фиг. 4. Кривые изменения величины дисперсии времени прихода в зависимости от размера «окна» для сигналов датчика имитатора на стальном листе оказались однотипными (фиг. 7). Минимальное значение разброса времен прихода было получено при размерах временных «окон» τ=48 мкс, τ=24 мкс (фиг. 5).
Пример 2
Способ определения координат дефектов методом акустической эмиссии с использованием алгоритма выбора оптимального размера временных «окон» для определения времени прихода сигнала на датчик пьезоантенны был реализован при контроле ручной многопроходной сварки стальных листов размером 1000×800×30 мм.
В процессе сварки использовались электроды марки ЭА-981/15 диаметром 4 мм. Для имитации дефекта сварного шва в корень шва закладывалась искусственная вставка - титановая проволока длиной 8 мм.
Для зарегистрированных сигналов акустической эмиссии в процессе сварки была выполнена кластеризация по оцифрованной форме, являющаяся наиболее надежным методом выявления сигналов от одного источника (Акустико-эмиссионный контроль железнодорожных конструкций / А.Н. Серьезнов, Л.Н. Степанова, В.В. Ивлиев и др. - Новосибирск: Наука, 2011 - 272 с., С. 207).
1
2
Кластер с наибольшим числом сигналов, локализованных на месте расположения дефекта сварного шва в виде титановой вставки, был выбран в качестве эталонного источника. Предлагаемый способ подбора оптимального размера временных «окон» дал следующие значения: τ=24 мкс, τ=72 мкс (фиг. 8).
На фиг. 2 показано, как меняется зависимость функционала R от времени и определяемое по максимуму этой зависимости время прихода сигнала при изменении размера временного «окна». Размеры временных «окон», равных 16 мкс и 64 мкс, соответствуют минимальному и максимальному размерам «окон», используемых в том случае, если линейные размеры зоны, ограниченной пьезоантенной, не превышают 1000 мм.
2оптим
min
max
1оптим
min
max
1оптим
2оптим
На фиг. 7 показан подбор оптимального размера временного «окна» по сигналам имитатора. Размер «окна» в 48 мкс определяется по минимальному значению разброса времен прихода сигналов имитатора. Размер второго «окна» определялся по формуле (1), как τ=τ+τ-τ. На фиг. 8 показан подбор оптимального размера временного «окна» по сигналам, зарегистрированным при сварке. Из-за большого размера зоны, ограниченной пьезоантенной, расчеты производились для двух значений предельных размеров временных «окон», τ, τ, что соответствует двум кривым на фиг. 8. Оптимальные значения τ=24 мкс, τ=72 мкс были выбраны по минимальному разбросу времен прихода сигналов кластера на фиг. 8.
Применение данных параметров позволило локализовать область повышенной акустической активности на участке сварного шва с титановой вставкой (фиг. 9). Область максимальной акустической активности характеризовалась уровнем суммарной амплитуды сигналов АЭ, превышающим уровень, равный 5000 мВ.
1
2
Всего с использованием предложенного метода локализовано 3047 сигналов акустической эмиссии с применением фильтра по параметрам: «амплитуда сигнала >250 мВ, функционал R>9». Применение аналогичных параметров при использовании стандартных размеров временных «окон» τ=32 мкс, τ=32 мкс позволило локализовать 2193 сигнала. Локация сигналов из выделенной активной области (фиг. 9) с использованием предложенного метода подбора размеров временных «окон» показана на фиг. 10, а с использованием стандартных размеров «окон» - на фиг. 11. Разброс точек локации сигналов из активной области с использованием стандартного размера временных «окон» (фиг. 11) существенно выше, чем с использованием оптимального их размера, (фиг. 10), определяемого по формулам (1) и на фиг. 8. Следовательно, предложенный метод приводит к увеличению точности локации для сигналов из выделенной активной области акустической эмиссии.
Выбор параметров метода производится однократно перед построением картины акустической активности, что особенно важно при выполнении многократного контроля одного объекта, например в случае многопроходной сварки. Это приводит к уменьшению времени получения результатов контроля и принятии решения о диагнозе.
Предложенный метод по сравнению с аналогами обладает большей гибкостью, выражающейся в возможности вычисления оптимальных параметров для произвольных условий применения. Предложенный метод также обладает меньшей вычислительной сложностью по сравнению с прототипом.