基于相关分析的金属板声发射源定位方法研究

　　材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象称为声发射,有时也称为应力波发射[1].材料在应力作用下的变形与裂纹扩展,是结构失效的重要机制.这种直接与变形和断裂机制有关的源,称为声发射源.声发射检测的主要目的之一是确定声发射源的部位;文章主要是研究声发射信号在金属板中的传播特性,通过试验模拟声发射源,并采用相关分析的方法对试验采集数据进行分析,从而定位声发射源.

　　1　声发射信号在金属板中传播定位的基本原理

　　互相关表示的是两个时间序列之间在任意两个不同时刻的取值之间的相关程度,即描述随机信号x(t),y(t)在任意两个不同时刻t1,t2的取值之间的相关程度.常用的测量两个突发型声发射波之间时差的技术不适用于连续型声发射源,而互相关技术既适用于断续波之间的时差或时间延迟测量,也适用于连续波之间的时差或时间延迟测量[2].金属板缺陷的声发射信号既可能是突发型的也可能是连续型的,在材质均匀的金属板中各向同性传播,因此可以采用互相关分析的方法对缺陷进行定位.

　　设金属板在A点有个缺陷,为了对这个缺陷定位,在B,C两点分别安装传感器1和传感器2,如图1所示.其中传感器1距A点为S1,传感器2距A点为S2,测得两传感器的响应分别为x1(t)和x2(t),对x1(t)和x2(t)进行互相关分析,即求x1(t)和x2(t)的互相关函数

　　将会得到如图2所示的互相关图[3],图2中与Rxy最大值对应的延时即为信号从声源A点分别传向1、2两个传感器的时间差,由此可得

　　式中,v为声源在钢板中的传播速度,设为已知.而S2+S1=S可以直接测量出来,把它与式(2)联立,即可解得S2、S1的值,这样,即可对声源A进行较准确的定位.实际应用可求声发射源距两传感器中心点的距离.

　　2　试验信号采集

　　试验要求在一块长为120cm、宽80cm的钢板上将传感器设置线定位阵列,以断铅作为模拟声发射信号源.图3为实验方案布置图.图中A、B两点布置传感器,C、D、E、F4点是模拟声发射源在钢板中的位置,在此4点处每处做10组断铅试验,总共采集40组数据.

　　试验采用美国PAC公司生产的四通道声发射采集系统,采用AD共振型传感器,采样频带为1kHz~1MHz,采样长度为2K.

　　3　信号分析

　　对两个传感器所采集的波形数据做互相关分析,通过互相关图找出互相关函数的最大值,互相关函数的最大值所对应的时间τ即为声发射信号到达两个传感器的时间差.下面对不同模拟声发射源采集的信号进行分析.

　　(1)对声源位于C点时所采集的试验数据进行分析.

　　如图4所示O为A,B两点连线的中点,C点为声源位置.图5为所采集的第1组试验数据作出的互相关图.