一种基于双传感器的类板状结构中声发射波模态分离方法

摘要

一种基于双传感器的类板状结构中声发射波模态分离方法，步骤有：一：在待监测的板状结构的上下表面对称位置两个声发射传感器接受声发射信号；二：将声发射信号检测系统中的声发射传感器通过前端放大器与声发射信号采集仪相连；三：接通电源，打开声发射信号采集仪，然后在待测板状结构上进行断铅实验，观察声发射信号采集仪各通道波形是否正常显示；若正常则进行数据采集；四：对两个声发射传感器拾取的信号相加，抵消反对称波A0；五：对两个声发射传感器拾取的信号相减，则能消除对称波S0。该方法简单，可以很完美的实现对声发射信号中的不同模式波进行选择、分离；能很好的保留声发射信号的原始特征，降低人为误差，定位的精确度。

说明书

技术领域

本发明提供一种基于双传感器的类板状结构中声发射波模态分离方法，它涉及一种声 发射波模态分离方法，尤其涉及一种不需要采用复杂信号处理的声发射模态分离方法，属 于声发射无损检测技术领域。

技术背景

声发射(Acoustic Emission，简称AE)是指材料局部因能量的快速释放而发出瞬态弹性波的 现象。声发射信号来自于损伤本身，因此它携带有结构内部损伤发展的信息，利用一定的手 段（如元件）将声发射源产生的弹性波转换为电信号，通过对这些电信号进行分析便可以获 得与声发射源有关的信息，如部位、类型和严重程度等，实现结构的损伤检测。一般来说， 结构中出现微观损伤但尚未形成宏观破坏之前，声发射现象就比较明显，因此，这种方法具 有很高的检测灵敏度。与其他无损检测方法相比，声发射检测技术在动态损伤监测与定位等 方面具有潜在的优势：信号来源于检测对象本身，适合作为一种动态评估方法对检测对象进 行动态评估和实时诊断；声发射检测方法对检测对象的实用性较好，它对被检对象的接近要 求不高，同时对对象的几何形状不敏感；检测的覆盖面广，在一次试验过程中，只需要布置 足够数量的传感器，声发射检验就能够整体探测和评价整个结构中活性缺陷的状态。

然而，AE波的传播十分复杂。被测结构中的源或声发射事件在负载作用下，声发射波在 板状结构中传播时，存在频散和多模态等特性，其成分较为复杂，导致源定位不准确、信号 解释困难等问题。

板状结构中传播的声发射波属于lamb波，是一种在具有两个平行表面的结构中由横波和 纵波相互耦合而成的应力波。它的位移不仅发生在波的传播方向上,垂直板的方向上也有。 Lamb波有两种基本型式,即对称(S)型和反对称(A)型,分别用S0,S1,S2,…,Sn和A0,A1,A2, …,Am表示,两种型式的不同是由质点相对于板的中间层作对称还是反对称型运动来决定的。 图1所示为S0和A0的波形图，可以清楚的看出S0中的上下表面位移对称，而A0中的上下表面 位移方向相同。

Lamb的运动形式可以通过Rayleigh-Lamb方程描述:

对称模式

$\frac{\tan k_{s}b}{\tan k_{l}b}=\frac{4k_0^2{k}_l{k}_s}{(k_0^2-k_s^2)}---\left(1\right)$

反对称模式

$\frac{\tan k_{s}b}{\tan k_{l}b}=\frac{(k_0^2-k_s^2)}{4k_0^2{k}_l{k}_s}---\left(2\right)$

$k_l^2={\left(\frac{\omega }{c_l}\right)}^2-k_0^2{k}_s^2={\left(\frac{\omega }{c_s}\right)}^2-k_0^2$

式中，k₀为沿板水平方向的纵波，b为1/2板厚，ω为角频率，ω=2πf，c_l为纵波速度，c_s为横波速度。

从Rayleigh-Lamb方程可以看出在板中存在多种模式的波。图2为一5mm厚钢板的 Rayleigh-Lamb的解析解。这些波的相互干扰使得定位不准确。如果在拾取声发射信号时，能 够进行波的分离，将大大提高定位的精度。特别是在低频段，只有对称波和反对称波两种模 式。低频段的信号较高频段的信号简单，而广泛应用于基于声发射的故障检测与诊断中。为 此，本发明主要是集中在低频段，即信号中只含有S0和A0两种模式的波。为进一步实现对声 发射信号低频段进行模态分离，必须探索新的方法。如果能够设计上下对称两个传感器接受 声发射信号，则两个传感器拾取的信号相加，则抵消反对称波；如果两者相减，则能消除对 称波，这样能够提纯波的成分，显著提高定位精度。鉴于此，本发明提出了一种基于双传感 器的声发射波模态分离方法，能够实现对声发射信号低频段进行模态选择，从而提高后续声 发射源定位精度。

发明内容

1、本发明的目的

声发射波在板状结构中传播过程中，由于受到频散、多模态、反射、衰减等方面的影响， 波形会发生改变，增加了信号的复杂程度，从而直接影响声发射源定位精度。由于多模态的 原因，导致低频段存在对称波S0和反对称波A0，两者传播速度不一样，可能使定位使用的时 差发生混淆，很大程度影响声发射源定位。鉴于此，本发明要解决的技术问题是提供一种基 于双传感器的类板状结构中声发射波模态分离方法，通过在待测板状结构的上下表面对称位 置两个传感器接受声发射信号，然后对两个传感器拾取的信号相加，抵消反对称波A0；对两 者相减，则能消除对称波S0，这样能够实现对声发射信号中的不同模式波进行选择、分离， 显著提高定位精度。

2、技术方案

为了解决上述的技术问题，本发明的一种基于双传感器的类板状结构中声发射波模态分 离方法，包括下列步骤：

步骤一：在待监测的板状结构的上下表面对称位置两个声发射传感器接受声发射信号， 所述的两个声发射传感器，其频响特性要尽可能接近，并且二者尽可能对中；

步骤二：将声发射信号检测系统中的声发射传感器通过前端放大器与声发射信号采集仪 相连；

步骤三：接通电源，打开声发射信号采集仪，然后在待测板状结构上进行断铅实验，观 察声发射信号采集仪各通道波形是否正常显示；若正常则进行数据采集；

步骤四：对两个声发射传感器拾取的信号相加，抵消反对称波A0；

步骤五：对两个声发射传感器拾取的信号相减，则能消除对称波S0。

其中，在步骤一中所述的“板状结构”是指厚度明显小于长度和宽度的几何结构；“声发 射传感器”是压电谐振传感器；

其中，在步骤二中所述的“声发射信号检测系统”由前端放大器、声发射信号采集仪、 计算机组成；所述前端放大器功能是对声发射传感器阵列测试到的声发射信号进行功率放大； 所述声发射信号采集仪是常规用的声发射测试仪器。

其中，在步骤三中所述的“进行断铅实验”，采用直径为0.3mm或者0.5mm的2H石墨铅笔 芯，与待监测的板状结构表面呈30°左右夹角，倾斜折断；

其中，在步骤四中所述的“反对称波A0”，是指所测得的声发射信号中的一种信号成分；

其中，在步骤五中所述的“对称波S0”，是指所测得的声发射信号中的一种信号成分。

本发明的基本原理是：利用板波理论分析，可以知道在板中存在多种模式的波，特别是 对称波和发对称波。这些不同模式的波增加了声发射信号的复杂度，并且它们之间的相互干 扰使得定位不准确。如果在拾取声发射信号时，能够进行波的分离，将大大提高定位的精度。 在低频段时，只存在两种基本模态，即对称波S0和反对称波A0，二者的质点振动方向完全相 反。本发明通过设计上下对称两个传感器接受声发射信号，对两个传感器拾取的信号相加， 抵消反对称波；对两者相减，则能消除对称波，这样能够提纯波的成分，显著提高定位精度。 本发明方法可以方便、快捷的对低频段声发射信号进行模态选择，其选择过程无需过多的复 杂信号处理，能很好的保留声发射信号的原始特征，最大程度上降低人为误差，有利于提高 声发射源定位的精确度，从而推动声发射检测技术在结构损伤定位中的推广和应用。

3、本发明的优点在于：

（1）本发明实现方法简单，仅需在上下对称布置两个传感器，即可实现对声发射信号中 的不同模式波进行选择、分离；

（2）本方法来源于板波理论，立足于对称波和发对称波的物理本质，利用二者的对称性 可以很完美的实现对声发射信号中的不同模式波进行选择、分离；

（3）本发明方法无需过多的复杂信号处理，能很好的保留声发射信号的原始特征，最大 程度上降低人为误差，有利于提高声发射源定位的精确度。

附图说明

通过阅读下面对本发明的示例性实施例的详细描述，同时结合附图考虑，本发明的上 述实施例和其它实施例、目的、特性、优点、技术上和工业上的意义将更好理解，其中：

图1为板中的对称和反对称波传播示意图

图2一5mm厚钢板的Rayleigh-Lamb的解析解；

图3为本发明所述方法之流程图；

图4为双传感器的声发射波模态分离实验示意图；

图5为图4中上表面传感器3采集到的声发射信号时域波形图；

图6为图4中下表面传感器4采集到的声发射信号时域波形图；

图7为上表面传感器3采集到的声发射信号时域波形和下表面传感器4采集到的声发 射信号时域波形叠加图。

图8为上表面传感器3采集到的声发射信号和下表面传感器4采集到的声发射信号相 减结果的时域波形图；

图9为上表面传感器3采集到的声发射信号和下表面传感器4采集到的声发射信号相 加结果的时域波形图；

图中序号说明如下：

1-模拟声发射源位置，2-钢板，3-上表面声发射传感器，4-下表面声发射传感器，5前 端放大器，6-声发射采集仪，7-计算机，8-上表面传感器3采集到的声发射信号时域波形图， 9-下表面传感器4采集到的声发射信号时域波形

具体实施方式

结合图1-9所示，在以下的描述中，将根据示例性实施例详细地描述本发明。

如图4所示，其中待监测结构为各向均匀的钢板，尺寸为500mm×500mm×5mm，采用 钢板上断铅的方式模拟声发射的发生。

本发明一种基于双传感器的类板状结构中声发射波模态分离方法，如图3所示，即为 本发明所述方法之流程图。以下各具体实施步骤均按照该图实施。

步骤一：如图4所示，在待监测的钢板2的上下表面对称位置上表面传感器3和下表面传感 器4，二者尽可能对中；

步骤二：将声发射信号检测系统中的上表面传感器3和下表面传感器4通过前端放大器5 与声发射信号采集仪6相连；同时将声发射信号采集仪6与计算机7相连；

步骤三：接通电源，打开采集软件，然后在钢板2上进行断铅实验，观察声发射信号采集 仪各通道波形是否正常显示；若正常则进行数据采集；图5和图6分别是上表面传感器3和下表 面传感器4拾取信号的时域波形图；图7则是上表面传感器3采集到的声发射信号时域波形和下 表面传感器4采集到的声发射信号时域波形叠加图；

步骤四：对上表面传感器3和下表面传感器4拾取的信号相减，结果的时域波形图如图8 所示；

步骤五：上表面传感器3和下表面传感器4拾取的信号相加，结果的时域波形图如图9所示。

其中，在步骤一中所述的“声发射传感器”是压电谐振传感器；

其中，在步骤二中所述的“声发射信号检测系统”由前端放大器、声发射信号采集仪、 计算机组成；所述前端放大器功能是对声发射传感器阵列测试到的声发射信号进行功率放大； 所述声发射信号采集仪是常规用的声发射测试仪器；

其中，在步骤三中所述的“进行断铅实验”，采用直径为0.3mm或者0.5mm的2H石墨铅笔 芯，与待监测的板状结构表面呈30°左右夹角，倾斜折断；

其中，在步骤四中所述的“反对称波A0”，是指所测得的声发射信号中的一种信号成分；

其中，在步骤五中所述的“对称波S0”，是指所测得的声发射信号中的一种信号成分。