基于前期到达波的圆柱形储液罐底板声源定位方法

摘要

本发明公开了一种基于前期到达波的圆柱形储液罐底板声源定位方法。本发明首先计算传感器实测信号的时间特征序列；然后，将底板均匀离散化成多个网格(每个网格点代表可能的声源位置)，基于声波传播理论，根据本发明提出的圆柱形储液罐底板的声源传播路径计算方法，计算网格点所发出声波到达每个传感器的所有早期的波达时间，构造波达时间特征序列；接着，计算每个网格点波达时间特征序列和实测信号时间特征序列的匹配度；最后，找出匹配程度最高的网格点即为所求声源位置。

说明书

技术领域

基于前期到达波的圆柱形储液罐底板声源定位方法

背景技术

声发射技术已经成为检测圆柱形储液罐底板劣化状态的常规检测方法。圆柱形储液罐底板因腐蚀、变形等原因激发出声信号，该信号可以被安装在罐壁的传感器捕获。通过计算信号到达传感器的时间差，应用定位算法就可以计算出声源位置。持续一段时间的检测最终生成一张储液罐底板声源的分布图，用户据此可以了解储油罐底板的质量状况。

目前的声源定位方法有两大类：时差定位方法和区域定位方法，这两类方法都基于一个重要的前提假设，即每个传感器检测到的首波是通过液体传播过来的直达波。大量的实验和工程检测实例表明，直达波不是传感器所检测到的最强信号波，它们很容易被当做背景噪声被忽略掉，从而导致错误的定位结果。因此目前所有声发射检测系统提供的底板声源分布图都不准确，业界仅将该图作为定性了解底板整体质量状况的依据，其定位位置并无参考价值，用户必须通过其它手段确认底板劣化位置。

准确的定位计算必须清楚所检信号的传播路径和实际传播距离。(1)根据有关声学原理，特定环境下，声源到传感器之间的传播路径和实际传播距离是可以确定的，因为传播路径必须遵守声波反射定律。虽然底板声源向外辐射信号是全方向的，但是一个底板确定声源产生的信号只能通过符合反射定律的声线传播到传感器。满足反射定律的声线很多，每条声线的长度也不一样，这导致一个声源激发后有多个信号在不同时间到达传感器，造成传感器检测到一串不连续的的信号。(2)该现象非常显著地体现在传感器早期检测到的声波中，而后期这一现象则不明显。因为圆柱形储罐是个封闭空间，传播后期同一时间到达传感器的反射声波很多很杂，被视为无规声波，综合考虑衰减因素，这些声波混在背景噪声中是难以辨识的。(3)不同位置的底板声源信号到达同一传感器的波达时间也是不同的，因此传感器检测到的早期声波具有非常显著的波达时间特征(如图2所示)。

本发明利用的就是这一声学原理，通过分析判断传感器检测到的这一波达时间特征，可以有效地识别出声源位置。

发明内容：

本发明的目的是提供一种用于圆柱形储罐的底板声源的定位方法。

本发明的技术方案是：

传感器捕捉到的早期声波信号在时间上具有明显的排列特征，并吻合理论计算结果。任取底板上一个点作为假定声源，都可以通过理论计算出早期波达信号的时间特征。理论波达时间特征与实测信号的波达时间特征的匹配程度通过互相关运算可以得到。搜寻底板上的点，匹配程度最高的就可以认为是发出声信号的实际声源。

其具体步骤为：

(1)对于半径为R、液位为H的储液罐，底板中心为坐标原点，其壁板上安装有Q个传感器，第i个传感器的笛卡尔坐标为(Rcosθ_i，Rsinθ_i，h_i)，有q个传感器检测到底板声源发出的信号，第i个传感器采集到的声波信号为S_i。

(2)提取传感器实测信号的早期波达时间特征。以第一个传感器检测到信号开始，截取后续ΔT₁时间内的信号；计算实测信号单位时间ΔT内的能量，获得实测信号的能量序列；对能量序列进行规格化处理，得到的序列即实测信号的时间特征序列，每个传感器的波达时间特征序列长度为N，合成一个序列P后的长度为qN；

(3)将圆形底板外切矩形均匀分割成L*L个方形网格，只取圆板内的网格点，得到K个网格点，其中第k个网格点坐标r_k为该网格点距离底板中心的距离，为方向角。

(4)计算每个网格点位置所发出信号经多次反射传播到达传感器的早期波达时间，只保留第一个波达时间后续ΔT₁内的波达时间，并以ΔT为最小时间单元构造波达时间特征序列，每个波达时间对应位置叠加一个宽0.2ms-1ms的脉冲信号，得到第k个网格点的波达时间特征序列，每个传感器的波达时间特征序列长度为N，合成一个序列T(k)后的长度为qN。

波达时间含两部分，第一部分包含以纵波、弯曲波方式通过底板传播和通过液体传播直接到达传感器的时间t_l、t_f和t_d，第二部分波达时间指在罐壁、液面和底板处多次反射后通过液体到达传感器的时间t_r。对于底板纵波波速为v_l，底板弯曲波波速为v_f，液体中波速为v，第一部分时间计算方法为：

t_l＝(L+h_i)/v_l

t_f＝(L+h_i)/v_f

$>t_d=\sqrt{L^2+h_i}/v$>

t_r由多个反射波波达时间构成。对于网格点发出信号经壁板反射n次，液面反射m次到达第i个传感器的反射波波达时间t有两个，其计算方法为：

$>t=\sqrt{d^2+(2\mathrm{mH}\pm h_i{)}^2}/v,$>

其中

$>d=2\mathrm{nR}\cos \alpha +\sqrt{{[x-R\cos (\mathrm{n\pi }-2\mathrm{n\alpha })]}^2+{[y-R\sin \left(2\mathrm{n\alpha }\right)]}^2}$>

而α是方程x·sin(2n+1)α+y·cos(2n+1)α＝(-1)ⁿ·R·sinα的解。

(5)将传感器实测信号的时间特征序列P和网格点波达时间特征序列理论值T(k)作零均值处理后，求两者互相关系数的最大值，即为匹配度M(k)(k＝1，2，...，K)。计算方法为：

$>M\left(k\right)=\frac{\mathrm{Max}\left(C_{P,T\left(k\right)}\left(b\right)\right)}{\sqrt{C_{P,P}\left(0\right)C_{T\left(k\right),T\left(k\right)}\left(0\right)}},b=\mathrm{0,1},...,N-1$>

其中的互相关系数：$>C_{A,B}\left(b\right)={\Sigma }_{a=0}^{\mathrm{qN}-b-1}{A}_{(a+b)}{B}_{\left(a\right)}.$>

(6)求出K个网格点匹配度最大值对应的序号j，则即为所求声源位置。

有益效果：

这种方法解决了传统方法错误定位的问题。即使直达波信号较弱导致无法识别，本方法依然可以进行有效定位。本方法定位时对传感器的数量要求也不高，传统定位方法需要3个以上的传感器接收到信号后才能定位，本方法在只有1个或2个传感器接收到信号的情况下也可能得到定位结果。本方法的定位精度可以根据需要自由调节，定位精度取决于网格大小。

附图说明

图1是被检罐及传感器布置图

图2是模拟声源(-0.5，0，0)激发后5个传感器采集到的信号

图3是传感器实测信号的早期波达时间特征序列

图4是坐标位置(-2，1，0)的早期波达时间特征序列理论值

图5是坐标位置(-0.5，0，0)的早期波达时间特征序列理论值

图6是罐底各点早期波达时间特征序列理论值与传感器实测信号的匹配度分布图

具体实施方法

下面结合实例对本发明进行详细说明，人工模拟的声源位于坐标位置(-0.5，0，0)。

(1)半径R＝4.5m、液位高H＝7.32m的碳钢材质的储水罐，其壁板上离底板0.2m高度位置平均安装有5个传感器，如图1所示。模拟声源激发后，5个传感器都检测到声波信号。模拟声源到达各传感器的实测信号如图2所示。

(2)提取传感器实测信号的早期波达时间特征P。以第一个传感器检测到信号开始，截取后续ΔT₁＝19ms时间内的信号；计算实测信号单位时间(ΔT＝0.1ms)内的能量，获得实测信号的能量序列；对能量序列进行规格化处理，，每个传感器实测信号的时间特征序列的长度为190，合成后的时间特征序列P长度为950。模拟声源实测信号(按传感器分列)的时间特征序列如图3所示。

(3)将圆形底板外切矩形剖分成90*90个0.1m×0.1m的方格，只取圆内点得到K＝6361个网格点，每个网格点坐标都可以通过计算得到。

(4)计算每个网格点位置所发出信号经多次反射传播到达传感器的早期波达时间，单位时间ΔT＝0.1ms，只保留前19ms的波达时间，在波达时间位置叠加宽0.3ms的脉冲信号，得到第k个网格中心点的波达时间特征序列为T(k)。

取纵波波速为v_l＝5.27km/s，弯曲波波速为v_f＝2.1km/s，液体中波速为v＝1.46km/s，壁板反射次数选择小于10，液面反射次数选择小于5，分别计算第一部分波达时间和第二部分波达时间。例如，坐标位置(-2，1，0)的早期波达时间特征序列理论值如图4所示，坐标位置(-0.5，0，0)的早期波达时间特征序列理论值(按传感器分列)如图5所示。

(5)计算传感器实测信号的时间特征序列P和网格中心点波达时间特征序列理论值T(k)的匹配度M(k)(k＝1，2，...，6361)。罐底各点的匹配度分布如图6所示。

例如：坐标位置(-2，1，0)的匹配度M(1434)＝0.543，坐标位置(-0.5，0，0)的匹配度M(2735)＝0.912。

(6)求出K个网格点匹配度最大值0.912及其对应的序号2735，其坐标(-0.5，0，0)即为所求声源位置。