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原文传递一种基于改进时间反转算法的玻璃纤维复合材料声发射源定位成像方法

专利名称：	一种基于改进时间反转算法的玻璃纤维复合材料声发射源定位成像方法
摘要：	本发明公开了一种基于改进时间反转算法的玻璃纤维复合材料声发射源定位成像方法，首先按照传感器分布划分监测区域，在不同监测区域内几处特殊位置利用时差法测定声速，并以此为依据确定各监测区域声速值；然后根据时间反转理论，推导出时间反转加载后各传感器再次接收到的时间反转信号，提高声发射源处的振动能量和幅值；最后根据不同监测区域的声速值，对监测区域各像素点进行时间反转成像，实现声发射源的准确定位。这种采用区域划分处理的时间反转定位成像方法适用于内部结构不均匀的其他各向异性材料声发射源定位，具有重要的实际应用价值。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	江西;36
申请人：	南昌航空大学
发明人：	李秋锋;李昕;卢超;陈果;周瑞琪;黄丽霞;齐添添
专利状态：	有效
申请日期：	2019-03-07T00:00:00+0800
发布日期：	2019-04-30T00:00:00+0800
申请号：	CN201910170024.4
公开号：	CN109696480A
代理机构：	南昌洪达专利事务所
代理人：	刘凌峰
分类号：	G01N29/14(2006.01);G;G01;G01N;G01N29
申请人地址：	330000 江西省南昌市丰和南大道696号
主权项：	1.一种基于改进时间反转算法的玻璃纤维复合材料声发射源定位成像方法，在检测区域内设定一个坐标系，分别在横轴和纵轴上布置四个声发射传感器；由于玻璃纤维复合材料的各向异性，导致材料各传播方向声速差异较大，通过在各象限内选择几个特殊位置利用时间反转聚焦处理后的散射信号进行时差法求解，确定各象限内的平均声速值，将四个象限划为四个声速区；通过四个传感器采集到的声发射源发出的声发射信号，利用时间反转聚焦增强算法实现对声发射源处的聚焦和增强；最后按照各声速区内的声速值进行成像处理，实现玻璃纤维复合材料实时损伤声发射源的准确定位成像；其特征在于方法步骤如下：步骤一：选定一块长为600mm，宽为600mm，厚度为6.7mm的玻璃纤维复合材料作为实验试块，用一个声发射传感器固定在试块中间位置，采用铅笔断芯的方式在试块上从距离试块100mm开始，以100mm为步长测量不同距离处声波的衰减，通过衰减实验确定两探头间的最佳间距为300mm；步骤二：在检测区域内设定一个坐标系，以原点为中心分别在横轴和纵轴上放置四个声发射传感器，各传感器距离原点均为150mm，即各轴上的两个传感器都相距300mm；步骤三：在坐标系的各个象限内设定一个激励点，该点到两个坐标轴的垂直距离相等，即该点到所在象限内的两个声发射传感器的距离相等，同时该点到所在象限外的两个声发射传感器的距离相等。然后分别在各激励点采用铅笔断芯的方式发出模拟声发射信号，通过四个声发射传感器采集到该激励点发出的模拟声发射信号，然后对接收到的信号进行时间反转增强处理，并取信号包络线，以包络线最大峰值作为到达时刻，根据各激励点到各个传感器的距离差与各个传感器接收到声发射信号的时间差求出各个点所在象限的声速值，并将各个象限划分为四个声速区；步骤四：在试块的检测区域内进行监测，当在监测区域内四个声发射传感器接收到声发射源发出的声发射信号(实验采用铅笔断芯的方式模拟声发射源发出声发射信号)，将接收到的声发射信号进行时间反转增强处理，得到各个传感器接收到损伤处的散射信号，并取信号包络线，确定各传感器经过时间反转加载后在声发射源处散射被重新接收的时刻；步骤五：分别采用四个声速区的声速值，利用四点圆弧定位方法计算损伤处对传感器时间反转加载信号的散射时刻，然后根据经过时间反转增强处理后的各传感器接收到损伤处的散射信号，重建检测区域波动图，最后比较四个重建波动图中最大幅值，取幅值最大的重建波动图作为声发射源定位成像图，确定幅值最大的像素坐标位置即为声发射源位置。 2.根据权利要求1所述的一种基于改进时间反转算法的玻璃纤维复合材料声发射源定位成像方法，其时间反转增强算法特征在于：对声发射传感器接收到的声发射源发出的信号(无论是采用采用铅笔断芯方式激励信号还是材料损伤自身发出的信号)，利用改进的时间反转达到增强信号信噪比的效果。假设声发射源发出信号为x(ω)，第i个传感器接收到的信号为di(ω,r),(i＝1,2,3,4)，令从声源处到第i个传感器的传递函数为hi(ω),(i＝1,2,3,4)，这里的传递函数也包括压电元件的机电耦合系数，则第i个传感器收到的信号可表示为di(ω,r)＝x(ω)·hi(ω)，对接收信号进行时反加载后，声源损伤处得到的聚焦信号X(ω)可以表示为：式中其实就是对声源信号的时间反转聚焦的一个叠加，所以信号X(ω)的波峰幅值较x(ω)能够得到一个增强。X(ω)只是理论上损伤处的聚焦信号，经过聚焦信号将会有损伤处散射并再次传感器接收到，那么各个传感器接收到的信号Dj(ω,r),(j＝1,2,3,4)可以表示为：其中hi(ω)和hj(ω)表示声信号在介质中传播时由第i个到第j个传感器传播过程中传递函数。由于声发射源到各传感器的路径传递函数未知，因此对公式(2)做了改进，在公式两边同时乘以x(ω)·x(ω)，得到：公式(3)右侧整理后的物理意义很明确，都分别表示各个探头接收到的信号，d*i(ω,r)表示第i个探头接收到信号的时反信号，di(ω,r)表示第i个探头接收到的信号，dj(ω,r)表示第j个探头接收到的信号。由于X(ω)已经是经过时间反转后的聚焦信号，各个传感器接收到该信号后再次聚焦，因此信号的信噪比会大大提高，经过上述处理，上述信号全部为传感器直接接收的声源信号及其变换信号，因此计算过程和难度将被大大的简化。 3.根据权利要求1所述的一种基于改进时间反转算法的玻璃纤维复合材料声发射源定位成像方法，其检测区域成像特征在于处理方法：将各传感器接收到的声发射信号按照权利要求2处理后，获得信号Dj(ω,r)，通过求取Dj(ω,r)的包络线图，包络线峰值对应的时间即为各传感器经过时间反转加载后在声发射源处散射被重新接收的时刻ti,(i＝1,2,3,4)，假设四个探头的位置分别为a(x1，y1)，b(x2，y2)，c(x3，y3),d(x4，y4)，那么可按照公式(4)计算出声发射源的位置(x0，y0)以及信号由损伤处散射的时间ts。式中v分别用四个声速区的声速值代入，可得到四个不同的声发射源位置和散射时刻ts。然后按照声波的传播原理，建立在散射时刻整个结构的波动图，图中的每个像素点都与结构相对应，每个像素点的像素值代表波动幅值，在散射时刻每个点上的波动幅值可按照公式(5)和(6)计算获得：式中v代表声波的传播速度，代入的声速值与计算出散射时刻ts时的声速值一致，p代表图像的像素尺寸，xi和yi则分别为第i个传感器所对应的坐标，Axy代表像素坐标点(x，y)的幅值。同样，因为分别代入了四个声速值，所以也可以重建四个波动图。最后比较四个波动图中最大幅值，以振动幅值最大的波动图进行阈值成像，确定该成像图中幅值最大的像素坐标位置定为声发射源位置。
所属类别：	发明专利