基于聲發(fā)射信號(hào)的風(fēng)機(jī)葉片裂紋定位分析
0 引言
風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國(guó)的重視。風(fēng)電設(shè)備日益增多，在風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，葉片經(jīng)常出現(xiàn)大量裂紋，若裂紋過大會(huì)影響風(fēng)機(jī)的整體運(yùn)行。因此能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)葉片的狀態(tài)，尤其是及時(shí)有效的監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)葉片裂紋的位置及大小對(duì)保證風(fēng)機(jī)設(shè)備的可靠運(yùn)行有重要的實(shí)際意義。目前存在的風(fēng)機(jī)葉片檢驗(yàn)方法主要有：靜態(tài)檢驗(yàn)，疲勞檢驗(yàn)，模型分析等，而這些方法并不成熟，檢測(cè)的準(zhǔn)確度不高。聲發(fā)射信號(hào)檢測(cè)識(shí)別技術(shù)作為一種新型動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于設(shè)備的無損檢測(cè)等領(lǐng)域，本文構(gòu)建了風(fēng)機(jī)葉片的模型，討論了聲發(fā)射信號(hào)的無線采集，并對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分析及特征提取，將聲發(fā)射信號(hào)檢測(cè)技術(shù)用于風(fēng)機(jī)葉片裂紋的監(jiān)測(cè)，并基于小波分析有效地識(shí)別裂紋的位置以及強(qiáng)度，提高了檢測(cè)的精度。
1 聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)
來自于材料或構(gòu)件在應(yīng)力超過屈服極限進(jìn)入不可逆塑性變形階段而產(chǎn)生的彈性應(yīng)力波在構(gòu)件介質(zhì)中傳播和擴(kuò)散的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射(acoustic emission，ae)。利用聲發(fā)射現(xiàn)象的特點(diǎn)，用電子學(xué)方法接收發(fā)射出來的應(yīng)力波，根據(jù)信號(hào)特征，進(jìn)行處理和分析以判斷裂變的發(fā)生進(jìn)而推斷發(fā)射源的缺陷位置的技術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)。由于聲發(fā)射信號(hào)來自裂紋本身，因此研究裂紋所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)的特點(diǎn)便可以分析裂紋所處的位置以及其損傷程度。
任何物體受到外力作用都會(huì)發(fā)生形變，超過一定限度便產(chǎn)生裂紋以至斷裂。聲發(fā)射產(chǎn)生的機(jī)制是由外部作用(如應(yīng)力、溫度、磁場(chǎng)、化學(xué)腐蝕等)引起的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致材料中的一部分能量以彈性波的形式釋放出來。聲發(fā)射檢測(cè)的過程可以概括為：生源產(chǎn)生的彈性波在介質(zhì)中傳播，到達(dá)材料表面后引起表面振動(dòng)，安裝在材料表面的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過傳感器接收轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，后經(jīng)前置信號(hào)放大器放大、再由聲發(fā)射采集卡接收轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)存儲(chǔ)于處理，經(jīng)過對(duì)數(shù)據(jù)的分析判斷聲發(fā)射源的位置和特性。
2 風(fēng)機(jī)葉片的傳感器配置
2．1風(fēng)機(jī)葉片的傳感器配置
根據(jù)風(fēng)機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)特征和材料性質(zhì)以及定位的方法，葉片上的傳感器的配置方式主要有以下兩種：
(1)線性定位
風(fēng)機(jī)葉片的長(zhǎng)度和半徑之比非常大，因此，可在風(fēng)機(jī)葉片上放置兩個(gè)傳感器，采用線性定位方式。如圖1(a)所示。設(shè)兩個(gè)傳感器的坐標(biāo)分別為s1(x1，y1)、s2(x2，y2)，(其中，y1=y2，若為方便定位圖顯示，可自行確定一個(gè)大于0的值)。
(2)平面定位
若需要將風(fēng)機(jī)葉片的裂紋檢測(cè)在一個(gè)平面上進(jìn)行，則需要選擇時(shí)差平面定位。如圖1（b）所示。根據(jù)兩兩不同的傳感器可確定不同的雙曲線，其交點(diǎn)就是裂紋源的位置。為方便計(jì)算，通常將其中兩個(gè)傳感器所在直線作為x軸。由于配置3個(gè)傳感器后，有時(shí)在求解雙曲線交點(diǎn)會(huì)得到兩個(gè)解，即一個(gè)真實(shí)的裂紋源和一個(gè)偽裂紋源，因此，需要增加一個(gè)約束條件來判斷哪一個(gè)是真實(shí)的裂紋源，即再增加一個(gè)傳感器，用4個(gè)傳感器進(jìn)行平面定位。
圖1 傳感器配置方式
在放置傳感器的時(shí)候，要考慮以下幾個(gè)要素：
(1)傳感器位置。在ae檢測(cè)中，傳感器的尺寸基本不影響定位精度，但是，若傳感器覆蓋了很大的區(qū)域，則會(huì)嚴(yán)重影響裂紋源的精度。因此，因盡量將傳感器布置成規(guī)則的形狀，在安放時(shí)也盡可能準(zhǔn)確。
(2)誤差分析。各種因素都可能引起誤差，為減少這種定位誤差，在正式安放傳感器之前，應(yīng)對(duì)被檢測(cè)物體的聲波衰減特性進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，進(jìn)行模擬信號(hào)的定位仿真，以確定適宜的傳感器的間距。
2．2聲發(fā)射信號(hào)無線采集
數(shù)據(jù)采集模塊將安裝在葉片上的傳感器采集到的聲發(fā)射等信號(hào)，送入機(jī)艙中的數(shù)據(jù)采集單元(wtsrtii)，每個(gè)數(shù)據(jù)采集單元都是獨(dú)立的。
如圖2所示，將采集到的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行特征參數(shù)提取，由光纖路由器將各特征值存入數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，控制室里的pc監(jiān)測(cè)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，狀態(tài)評(píng)估，故障診斷，并自動(dòng)存儲(chǔ)機(jī)組狀態(tài)報(bào)告、有故障時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等，供用戶隨時(shí)進(jìn)行查看。
圖3為標(biāo)準(zhǔn)ae信號(hào)簡(jiǎn)化波形參數(shù)的定義。其中各參數(shù)的特點(diǎn)及計(jì)算方法如表1所示。
圖2 數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
圖3 聲發(fā)射信號(hào)
表1 ae信號(hào)參數(shù)
3 裂紋位置定位和強(qiáng)度識(shí)別
3．1定位計(jì)算基本原理及過程
3．1．1時(shí)差線性定位
確定兩個(gè)傳感器的坐標(biāo)s1(x1=1，y1=1)、s2(x2，y2=1）（y1=y2)；已知聲波在該風(fēng)機(jī)葉片材料中的速度為v；ae信號(hào)到達(dá)兩個(gè)傳感器的時(shí)間不同，其時(shí)間差為△t，△t的值可通過以下算法得出：當(dāng)ae信號(hào)到達(dá)個(gè)傳感器時(shí)，振幅超過閾值的時(shí)刻t1，到達(dá)第二個(gè)傳感器時(shí)，振幅超過閾值的時(shí)刻心，并由振鈴計(jì)數(shù)分析可得兩個(gè)傳感器接收到聲發(fā)射信號(hào)屬于同一ae源，因此，時(shí)差△t=t2-t1。然后，通過下列公式便可得出裂紋的位置。
時(shí)差線性定位仿真圖如圖4(a)所示。s(x，y)即為裂紋源的位置。此方法具有一定的局限性，若裂紋源不在兩個(gè)傳感器的連線之間就不能使用此方法。
圖4 兩種方式的定位結(jié)果
3．1．2 時(shí)差平面定位
一般情況下，風(fēng)機(jī)葉片上的裂紋檢測(cè)在是在一個(gè)平面上進(jìn)行，因此需要選擇時(shí)差平面定位啪。已知聲波在該風(fēng)機(jī)葉片材料中的速度為v，根據(jù)線性定位求時(shí)間差的原理得到ae信號(hào)到達(dá)各傳感器之間的時(shí)間差。由于聲發(fā)射信號(hào)到達(dá)各傳感器的時(shí)間不同，在聲波傳播的過程中頻率存在衰減的現(xiàn)象，因此，需要引進(jìn)一個(gè)衰減因子a進(jìn)行補(bǔ)償。根據(jù)兩個(gè)不同的傳感器可確定兩條不同的雙曲線，在圖形中顯示，其交點(diǎn)即為ae源位置，為方便計(jì)算，通常將其中兩個(gè)傳感器所在直線作為x軸，即s1(0，0)，s2(x2，0)，s3(x3，y3)。算法如下
其中，裂紋源坐標(biāo)為z(x，y)；式(4)由傳感器s1和s2確定，式(5)由傳感器s1和s3確定；△t=t1-t2表示信號(hào)到達(dá)sl和s2的時(shí)間差：at=t3-tl表示信號(hào)道道s3和s2的時(shí)間差。
用任意三角形傳感器進(jìn)行平面裂紋源定位，求解式(4)和(5)，有時(shí)得到雙曲線的兩個(gè)焦點(diǎn)，即一個(gè)真實(shí)的ae源和一個(gè)偽ae源。此時(shí)，需采用4個(gè)傳感器進(jìn)行平面定位，相當(dāng)于增加了一個(gè)約束條件，則只得到一個(gè)真實(shí)的ae源。算法如下
其中，d為s1和s3間距：d為s2和s4間距；波速為v；△t1為s1和s3間的時(shí)差；△t2為s2和s4間的時(shí)差。
時(shí)差平面定位仿真圖如圖4(b)所示。在平面定位中，傳感器陣列可任意選擇，但為運(yùn)算簡(jiǎn)單，常采用簡(jiǎn)單陣列形式，如三角形。就原理而言，波源的位置均為兩組或三組雙曲線的交點(diǎn)所確定。
3．1．3基于小波分析的定位方法與實(shí)現(xiàn)
雖然在時(shí)差平面定位中考慮到了聲波的衰減并引進(jìn)了一個(gè)衰減因子，但衰減因子不能根據(jù)衰減的程度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，因此還是存在一定的誤差。本文提出利用小波分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)了改進(jìn)的ae源定位方法，對(duì)不同頻率范圍衰減程度不同的信號(hào)波形給予一定的補(bǔ)償，然后實(shí)現(xiàn)ae源定位，能有效地減小定位誤差。其實(shí)現(xiàn)流程圖如圖5所示。
小波分析在分析信號(hào)頻率成分時(shí)采用基小波，其基本思想是用一族函數(shù)去表示或者逼近一個(gè)信號(hào)或函數(shù)。假設(shè)ae信號(hào)f(t)∈l²(r)(l²(r)表示能量有限的信號(hào)空間)，若能找到ψ（t）∈l²(r)，
有：
其中j,k∈z，2j是頻率，k是采樣步長(zhǎng)。ψjk（t）是基小波。可以看出
可由單個(gè)小波函數(shù)ψ（t）通過一個(gè)二進(jìn)膨脹(即2j)和一個(gè)k／2j的二進(jìn)移位得到。
圖5 方法實(shí)現(xiàn)流程
由此可知，基小波ψ（t）的二進(jìn)膨脹和二進(jìn)移位足以表示l²(r)中所有函數(shù)，則小波級(jí)數(shù)為
小波系數(shù)cjk由
給出，即定義在l²(r)上的一個(gè)積分變換wf，稱為關(guān)于基小波ψ的積分小波變化，即
其重構(gòu)公式為
實(shí)際中所有的ae過程均為突發(fā)過程。因而在對(duì)ae信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，必須將連續(xù)小波加以離散化。將a，b離散化
則對(duì)應(yīng)的離散小波函數(shù)為
離散化小波變換系數(shù)為
其重構(gòu)公式為
其中c是一個(gè)與信號(hào)無關(guān)的常數(shù)。
離散化的小波對(duì)信號(hào)作j層分解，則它在第j層所形成的頻域部分是把0-fmax均分為
共2j份。如果原始信號(hào)s的長(zhǎng)度為2，采樣頻率為f，則分解層數(shù)n應(yīng)小于l，第n層每個(gè)序列的帶寬為
在對(duì)某一頻率段內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，由于實(shí)際結(jié)構(gòu)中ae波的衰減機(jī)制很復(fù)雜，衰減曲線很難用理論計(jì)算，可根據(jù)對(duì)風(fēng)機(jī)葉片材料的大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)得的幅值．距離．頻率曲線來進(jìn)行分析。按照聲波的傳播距離和所分析的頻段計(jì)算出衰減的幅值，對(duì)衰減信號(hào)在不同的頻率段內(nèi)做出有效地補(bǔ)償。對(duì)信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償衰減后實(shí)行對(duì)小波的重構(gòu)，然后再利用時(shí)差定位的方法對(duì)聲發(fā)射源進(jìn)行定位分析。
將此定位方法應(yīng)用到風(fēng)機(jī)葉片裂紋定位模擬試驗(yàn)中，其中一個(gè)通道的信號(hào)經(jīng)小波分解并結(jié)合頻譜分析的結(jié)果與根據(jù)所測(cè)得的衰減曲線對(duì)信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償衰減處理后實(shí)行小波重構(gòu)的結(jié)果如圖6所示。
圖6 原始信號(hào)與小波包重構(gòu)波形
3．2裂紋強(qiáng)度識(shí)別
確定出聲發(fā)射源的大致位置后，還要對(duì)裂紋的嚴(yán)重程度進(jìn)行分析。裂紋的擴(kuò)展是能量積累到一定程度的結(jié)果。正因?yàn)槟芰康牟粩嗬鄯e增大導(dǎo)致裂紋擴(kuò)散，從而產(chǎn)生劇烈的聲發(fā)射信號(hào)。計(jì)算能量的方法是計(jì)算由故障能量包絡(luò)線和時(shí)間軸圍成的面積，即為在有限的時(shí)間軸上對(duì)能量包絡(luò)線進(jìn)行積分。但是，由于能量包絡(luò)線是一條不規(guī)則的連續(xù)曲線，不能夠?qū)ζ溥M(jìn)行精確的積分，只能利用積分的定義，采用固定的短時(shí)間段為單位，將包絡(luò)線轉(zhuǎn)化成近似的直線，再進(jìn)行積分和相加。
將有效時(shí)間軸分成n個(gè)小區(qū)間，它們的長(zhǎng)度依次為△x1，△x2，⋯，△x，則
對(duì)winae軟件中的3個(gè)聲發(fā)射信號(hào)的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行分別進(jìn)行仿真及編程計(jì)算，結(jié)果如表2所示。
表2 能量結(jié)果比較
3．3仿真結(jié)果分析
對(duì)4個(gè)通道采用同樣的分析。表3為ae源的精確位置，采用衰減補(bǔ)償與文中傳統(tǒng)方法實(shí)現(xiàn)的定位結(jié)果。通過比較分析可知，利用小波包分析定位對(duì)減小ae源的定位誤差是有效的，能較大地提高定位精度。
傳統(tǒng)方法在實(shí)現(xiàn)定位時(shí)，原理簡(jiǎn)單，便于快速判斷裂紋的大體位置，精確度較差。對(duì)于3個(gè)傳感器組成的定位模式，通過解雙曲線方程組可能會(huì)得到兩個(gè)ae定位源，一個(gè)真實(shí)的和一個(gè)偽的。為避免此類情況，可以采用增加第4個(gè)傳感器來識(shí)別。而基于小波包分析的ae源定位方法，對(duì)不同頻率范圍衰減程度不同的信號(hào)波形給予一定的補(bǔ)償，有效地減小定位誤差。
表3 定位結(jié)果比較
4 結(jié)束語(yǔ)
葉片作為風(fēng)機(jī)的系統(tǒng)的重要組成部件，監(jiān)測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)并進(jìn)行預(yù)知維修非常重要，而聲發(fā)射信號(hào)能夠很好的表征葉片的狀態(tài)特征，充分探討了聲發(fā)射信號(hào)的特征提取方法，對(duì)已有風(fēng)機(jī)葉片裂紋定位及識(shí)別方法進(jìn)行了仿真，改進(jìn)了基于小波分析的裂紋能量和定位的方法，討論了葉片傳感器配置方案，并搭建了信號(hào)無線采集和傳輸系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證了基于小波分析的多傳感器信號(hào)綜合裂紋能量定位方法與傳統(tǒng)的線性定位和平面的定位方法進(jìn)行比較，提高了定位精度。
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1 聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)
來自于材料或構(gòu)件在應(yīng)力超過屈服極限進(jìn)入不可逆塑性變形階段而產(chǎn)生的彈性應(yīng)力波在構(gòu)件介質(zhì)中傳播和擴(kuò)散的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射(acoustic emission，ae)。利用聲發(fā)射現(xiàn)象的特點(diǎn)，用電子學(xué)方法接收發(fā)射出來的應(yīng)力波，根據(jù)信號(hào)特征，進(jìn)行處理和分析以判斷裂變的發(fā)生進(jìn)而推斷發(fā)射源的缺陷位置的技術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)。由于聲發(fā)射信號(hào)來自裂紋本身，因此研究裂紋所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)的特點(diǎn)便可以分析裂紋所處的位置以及其損傷程度。
任何物體受到外力作用都會(huì)發(fā)生形變，超過一定限度便產(chǎn)生裂紋以至斷裂。聲發(fā)射產(chǎn)生的機(jī)制是由外部作用(如應(yīng)力、溫度、磁場(chǎng)、化學(xué)腐蝕等)引起的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致材料中的一部分能量以彈性波的形式釋放出來。聲發(fā)射檢測(cè)的過程可以概括為：生源產(chǎn)生的彈性波在介質(zhì)中傳播，到達(dá)材料表面后引起表面振動(dòng)，安裝在材料表面的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過傳感器接收轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，后經(jīng)前置信號(hào)放大器放大、再由聲發(fā)射采集卡接收轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)存儲(chǔ)于處理，經(jīng)過對(duì)數(shù)據(jù)的分析判斷聲發(fā)射源的位置和特性。
2 風(fēng)機(jī)葉片的傳感器配置
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根據(jù)風(fēng)機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)特征和材料性質(zhì)以及定位的方法，葉片上的傳感器的配置方式主要有以下兩種：
(1)線性定位
風(fēng)機(jī)葉片的長(zhǎng)度和半徑之比非常大，因此，可在風(fēng)機(jī)葉片上放置兩個(gè)傳感器，采用線性定位方式。如圖1(a)所示。設(shè)兩個(gè)傳感器的坐標(biāo)分別為s1(x1，y1)、s2(x2，y2)，(其中，y1=y2，若為方便定位圖顯示，可自行確定一個(gè)大于0的值)。
(2)平面定位
若需要將風(fēng)機(jī)葉片的裂紋檢測(cè)在一個(gè)平面上進(jìn)行，則需要選擇時(shí)差平面定位。如圖1（b）所示。根據(jù)兩兩不同的傳感器可確定不同的雙曲線，其交點(diǎn)就是裂紋源的位置。為方便計(jì)算，通常將其中兩個(gè)傳感器所在直線作為x軸。由于配置3個(gè)傳感器后，有時(shí)在求解雙曲線交點(diǎn)會(huì)得到兩個(gè)解，即一個(gè)真實(shí)的裂紋源和一個(gè)偽裂紋源，因此，需要增加一個(gè)約束條件來判斷哪一個(gè)是真實(shí)的裂紋源，即再增加一個(gè)傳感器，用4個(gè)傳感器進(jìn)行平面定位。
圖1 傳感器配置方式
在放置傳感器的時(shí)候，要考慮以下幾個(gè)要素：
(1)傳感器位置。在ae檢測(cè)中，傳感器的尺寸基本不影響定位精度，但是，若傳感器覆蓋了很大的區(qū)域，則會(huì)嚴(yán)重影響裂紋源的精度。因此，因盡量將傳感器布置成規(guī)則的形狀，在安放時(shí)也盡可能準(zhǔn)確。
(2)誤差分析。各種因素都可能引起誤差，為減少這種定位誤差，在正式安放傳感器之前，應(yīng)對(duì)被檢測(cè)物體的聲波衰減特性進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，進(jìn)行模擬信號(hào)的定位仿真，以確定適宜的傳感器的間距。
2．2聲發(fā)射信號(hào)無線采集
數(shù)據(jù)采集模塊將安裝在葉片上的傳感器采集到的聲發(fā)射等信號(hào)，送入機(jī)艙中的數(shù)據(jù)采集單元(wtsrtii)，每個(gè)數(shù)據(jù)采集單元都是獨(dú)立的。
如圖2所示，將采集到的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行特征參數(shù)提取，由光纖路由器將各特征值存入數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，控制室里的pc監(jiān)測(cè)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，狀態(tài)評(píng)估，故障診斷，并自動(dòng)存儲(chǔ)機(jī)組狀態(tài)報(bào)告、有故障時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等，供用戶隨時(shí)進(jìn)行查看。
圖3為標(biāo)準(zhǔn)ae信號(hào)簡(jiǎn)化波形參數(shù)的定義。其中各參數(shù)的特點(diǎn)及計(jì)算方法如表1所示。
圖2 數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
圖3 聲發(fā)射信號(hào)
表1 ae信號(hào)參數(shù)
3 裂紋位置定位和強(qiáng)度識(shí)別
3．1定位計(jì)算基本原理及過程
3．1．1時(shí)差線性定位
確定兩個(gè)傳感器的坐標(biāo)s1(x1=1，y1=1)、s2(x2，y2=1）（y1=y2)；已知聲波在該風(fēng)機(jī)葉片材料中的速度為v；ae信號(hào)到達(dá)兩個(gè)傳感器的時(shí)間不同，其時(shí)間差為△t，△t的值可通過以下算法得出：當(dāng)ae信號(hào)到達(dá)個(gè)傳感器時(shí)，振幅超過閾值的時(shí)刻t1，到達(dá)第二個(gè)傳感器時(shí)，振幅超過閾值的時(shí)刻心，并由振鈴計(jì)數(shù)分析可得兩個(gè)傳感器接收到聲發(fā)射信號(hào)屬于同一ae源，因此，時(shí)差△t=t2-t1。然后，通過下列公式便可得出裂紋的位置。
時(shí)差線性定位仿真圖如圖4(a)所示。s(x，y)即為裂紋源的位置。此方法具有一定的局限性，若裂紋源不在兩個(gè)傳感器的連線之間就不能使用此方法。
圖4 兩種方式的定位結(jié)果
3．1．2 時(shí)差平面定位
一般情況下，風(fēng)機(jī)葉片上的裂紋檢測(cè)在是在一個(gè)平面上進(jìn)行，因此需要選擇時(shí)差平面定位啪。已知聲波在該風(fēng)機(jī)葉片材料中的速度為v，根據(jù)線性定位求時(shí)間差的原理得到ae信號(hào)到達(dá)各傳感器之間的時(shí)間差。由于聲發(fā)射信號(hào)到達(dá)各傳感器的時(shí)間不同，在聲波傳播的過程中頻率存在衰減的現(xiàn)象，因此，需要引進(jìn)一個(gè)衰減因子a進(jìn)行補(bǔ)償。根據(jù)兩個(gè)不同的傳感器可確定兩條不同的雙曲線，在圖形中顯示，其交點(diǎn)即為ae源位置，為方便計(jì)算，通常將其中兩個(gè)傳感器所在直線作為x軸，即s1(0，0)，s2(x2，0)，s3(x3，y3)。算法如下
其中，裂紋源坐標(biāo)為z(x，y)；式(4)由傳感器s1和s2確定，式(5)由傳感器s1和s3確定；△t=t1-t2表示信號(hào)到達(dá)sl和s2的時(shí)間差：at=t3-tl表示信號(hào)道道s3和s2的時(shí)間差。
用任意三角形傳感器進(jìn)行平面裂紋源定位，求解式(4)和(5)，有時(shí)得到雙曲線的兩個(gè)焦點(diǎn)，即一個(gè)真實(shí)的ae源和一個(gè)偽ae源。此時(shí)，需采用4個(gè)傳感器進(jìn)行平面定位，相當(dāng)于增加了一個(gè)約束條件，則只得到一個(gè)真實(shí)的ae源。算法如下
其中，d為s1和s3間距：d為s2和s4間距；波速為v；△t1為s1和s3間的時(shí)差；△t2為s2和s4間的時(shí)差。
時(shí)差平面定位仿真圖如圖4(b)所示。在平面定位中，傳感器陣列可任意選擇，但為運(yùn)算簡(jiǎn)單，常采用簡(jiǎn)單陣列形式，如三角形。就原理而言，波源的位置均為兩組或三組雙曲線的交點(diǎn)所確定。
3．1．3基于小波分析的定位方法與實(shí)現(xiàn)
雖然在時(shí)差平面定位中考慮到了聲波的衰減并引進(jìn)了一個(gè)衰減因子，但衰減因子不能根據(jù)衰減的程度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，因此還是存在一定的誤差。本文提出利用小波分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)了改進(jìn)的ae源定位方法，對(duì)不同頻率范圍衰減程度不同的信號(hào)波形給予一定的補(bǔ)償，然后實(shí)現(xiàn)ae源定位，能有效地減小定位誤差。其實(shí)現(xiàn)流程圖如圖5所示。
小波分析在分析信號(hào)頻率成分時(shí)采用基小波，其基本思想是用一族函數(shù)去表示或者逼近一個(gè)信號(hào)或函數(shù)。假設(shè)ae信號(hào)f(t)∈l²(r)(l²(r)表示能量有限的信號(hào)空間)，若能找到ψ（t）∈l²(r)，
有：
其中j,k∈z，2j是頻率，k是采樣步長(zhǎng)。ψjk（t）是基小波。可以看出
可由單個(gè)小波函數(shù)ψ（t）通過一個(gè)二進(jìn)膨脹(即2j)和一個(gè)k／2j的二進(jìn)移位得到。
圖5 方法實(shí)現(xiàn)流程
由此可知，基小波ψ（t）的二進(jìn)膨脹和二進(jìn)移位足以表示l²(r)中所有函數(shù)，則小波級(jí)數(shù)為
小波系數(shù)cjk由
給出，即定義在l²(r)上的一個(gè)積分變換wf，稱為關(guān)于基小波ψ的積分小波變化，即
其重構(gòu)公式為
實(shí)際中所有的ae過程均為突發(fā)過程。因而在對(duì)ae信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，必須將連續(xù)小波加以離散化。將a，b離散化
則對(duì)應(yīng)的離散小波函數(shù)為
離散化小波變換系數(shù)為
其重構(gòu)公式為
其中c是一個(gè)與信號(hào)無關(guān)的常數(shù)。
離散化的小波對(duì)信號(hào)作j層分解，則它在第j層所形成的頻域部分是把0-fmax均分為
共2j份。如果原始信號(hào)s的長(zhǎng)度為2，采樣頻率為f，則分解層數(shù)n應(yīng)小于l，第n層每個(gè)序列的帶寬為
在對(duì)某一頻率段內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，由于實(shí)際結(jié)構(gòu)中ae波的衰減機(jī)制很復(fù)雜，衰減曲線很難用理論計(jì)算，可根據(jù)對(duì)風(fēng)機(jī)葉片材料的大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)得的幅值．距離．頻率曲線來進(jìn)行分析。按照聲波的傳播距離和所分析的頻段計(jì)算出衰減的幅值，對(duì)衰減信號(hào)在不同的頻率段內(nèi)做出有效地補(bǔ)償。對(duì)信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償衰減后實(shí)行對(duì)小波的重構(gòu)，然后再利用時(shí)差定位的方法對(duì)聲發(fā)射源進(jìn)行定位分析。
將此定位方法應(yīng)用到風(fēng)機(jī)葉片裂紋定位模擬試驗(yàn)中，其中一個(gè)通道的信號(hào)經(jīng)小波分解并結(jié)合頻譜分析的結(jié)果與根據(jù)所測(cè)得的衰減曲線對(duì)信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償衰減處理后實(shí)行小波重構(gòu)的結(jié)果如圖6所示。
圖6 原始信號(hào)與小波包重構(gòu)波形
3．2裂紋強(qiáng)度識(shí)別
確定出聲發(fā)射源的大致位置后，還要對(duì)裂紋的嚴(yán)重程度進(jìn)行分析。裂紋的擴(kuò)展是能量積累到一定程度的結(jié)果。正因?yàn)槟芰康牟粩嗬鄯e增大導(dǎo)致裂紋擴(kuò)散，從而產(chǎn)生劇烈的聲發(fā)射信號(hào)。計(jì)算能量的方法是計(jì)算由故障能量包絡(luò)線和時(shí)間軸圍成的面積，即為在有限的時(shí)間軸上對(duì)能量包絡(luò)線進(jìn)行積分。但是，由于能量包絡(luò)線是一條不規(guī)則的連續(xù)曲線，不能夠?qū)ζ溥M(jìn)行精確的積分，只能利用積分的定義，采用固定的短時(shí)間段為單位，將包絡(luò)線轉(zhuǎn)化成近似的直線，再進(jìn)行積分和相加。
將有效時(shí)間軸分成n個(gè)小區(qū)間，它們的長(zhǎng)度依次為△x1，△x2，⋯，△x，則
對(duì)winae軟件中的3個(gè)聲發(fā)射信號(hào)的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行分別進(jìn)行仿真及編程計(jì)算，結(jié)果如表2所示。
表2 能量結(jié)果比較
3．3仿真結(jié)果分析
對(duì)4個(gè)通道采用同樣的分析。表3為ae源的精確位置，采用衰減補(bǔ)償與文中傳統(tǒng)方法實(shí)現(xiàn)的定位結(jié)果。通過比較分析可知，利用小波包分析定位對(duì)減小ae源的定位誤差是有效的，能較大地提高定位精度。
傳統(tǒng)方法在實(shí)現(xiàn)定位時(shí)，原理簡(jiǎn)單，便于快速判斷裂紋的大體位置，精確度較差。對(duì)于3個(gè)傳感器組成的定位模式，通過解雙曲線方程組可能會(huì)得到兩個(gè)ae定位源，一個(gè)真實(shí)的和一個(gè)偽的。為避免此類情況，可以采用增加第4個(gè)傳感器來識(shí)別。而基于小波包分析的ae源定位方法，對(duì)不同頻率范圍衰減程度不同的信號(hào)波形給予一定的補(bǔ)償，有效地減小定位誤差。
表3 定位結(jié)果比較
4 結(jié)束語(yǔ)
葉片作為風(fēng)機(jī)的系統(tǒng)的重要組成部件，監(jiān)測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)并進(jìn)行預(yù)知維修非常重要，而聲發(fā)射信號(hào)能夠很好的表征葉片的狀態(tài)特征，充分探討了聲發(fā)射信號(hào)的特征提取方法，對(duì)已有風(fēng)機(jī)葉片裂紋定位及識(shí)別方法進(jìn)行了仿真，改進(jìn)了基于小波分析的裂紋能量和定位的方法，討論了葉片傳感器配置方案，并搭建了信號(hào)無線采集和傳輸系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證了基于小波分析的多傳感器信號(hào)綜合裂紋能量定位方法與傳統(tǒng)的線性定位和平面的定位方法進(jìn)行比較，提高了定位精度。
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