基于模态分析和小波变换的声发射源定位新算法研究

    1　引　　言

    声发射技术(Acoustic Emission)是根据材料或结构内部发出的应力波判断结构内部损伤程度的一种动态无损检测方法,它是大型承载结构(如压力容器和管道)安全监控的重要手段之一[1]。声发射信号中隐含着有关声发射源特性的重要信息,如缺陷的类型、大小、位置、变化趋势等。确定结构中受损位置(声发射源)是声发射相对于其它无损检测的一大优势所在。传统声发射源定位主要根据声发射信号到达各传感器的时间、传感器间距和介质中体纵波的传播速度。对于现有的声发射仪,声发射信号到达传感器的时间通过设定一定的门槛电压来确定,因此门槛电压设计高低直接影响声发射信号到达各传感器的时间,因此传统声发射源定位中,门槛电压设计的合理与否直接影响到声发射源的定位准确性[2]。

    模态声发射(Modal Acoustic Emission)是在传统共振传感器参数声发射基础上,近年来发展起来的声发射检测新技术[2～5]。它认为被测结构中的源或声发射事件在负载作用下,产生的是频率和模态丰富的导波信号,并利用导波理论将困扰声发射推广应用面临的一些问题,如源定位不准确、信号解释困难等,从理论上进行了较好的解释。然而,受声发射源的自身特性、声发射源到传感器的传播路径、环境噪声和声发射测量系统等多种复杂因素的影响,声发射传感器输出的波形十分复杂,属于一种非平稳随机信号,需要利用各信号处理技术才能从中有效提取声发射源的信息。传统的信号分析方法建立在Fourier变换基础上,只适用于确定性信号,对于声发射信号的分析无法解决时间和频率分辨力的矛盾,而小波变换的方法使这一问题得以解决[6～9]。

    在考虑声发射信号频散和多模态特性基础上,通过对声发射信号进行小波变换的方法,有效地提取出声发射信号中同一频率下、同一模态导波的信息,从而达到提高声发射源定位精度的目的。

    2　基于模态分析和小波变换的声发射源定位方法

　　根据模态声发射理论,声发射波在薄板或管道等结构中传播时,同样存在频散和多模态等特性,因此声发射源定位中涉及的声发射信号的到达时间和声发射信号的传播速度,应当考虑导波的频散和多模态特性的影响。

    假设结构中沿x方向传播的某单位幅度声发射信号,由X1和X2两种频率成分(有微小差别)的单一模态导波组成,且已知该模态导波在结构中的传播特性,即已知波数随频率的变化关系k(X)。则该声发射信号u(x,t)可表示为:

u(x,t)=exp(-i(k(X1)x-X1t))+exp(-i(k(X2)x-X2t)) (1)

    式中:k(X1)、k(X2)分别为频率X1、X2处该模态导波的波数。进行以下变量代换: