一种新的声发射时差定位方法

于 洋 王 赛

(沈阳工业大学信息科学与工程学院，沈阳 110870)

传播速度和时差的测量是时差定位技术的关键。在时差定位中，一般可通过查阅工程手册或现场实际测量获得声发射信号的传播速度，因此，时差的测量精度对声发射源的定位精度有很大的影响[1]。谱熵能量积之所以能有效区分语音信号和非语音信号是因为在语音信号端点检测中，该方法能有效确定语音的起始点和终止点，而声发射信号和语音信号相似，也具有非线性和非平稳性的特点[2]，因此在声发射信号到达时间的测定中也可以运用语音端点检测法中的谱熵能量积方法。谱熵能量积是在短时能量算法的基础上对谱熵法进行改进，使其在无噪声和非平稳噪声情况下测量精度都有大幅度提高，鲁棒性得到增强[3]。对于声发射信号，同样可以使用谱熵能量积计算输入声发射信号，进而将声发射信号段和噪声段有效区分开，以确定声发射信号的到达时间。

1 基于谱熵能量积的到达时间测量

图1 声发射信号到达时间算法流程

在时差测量中，通常采用特征值法、互相关法[4]和广义互相关法[5]。其中在特征值法中，一般选择的特征点是触发时刻，由于信号来自不同的传播路径，可能导致同一信号的幅值由于传感器的不同而不同，那么就可能在相同的触发时刻使得波形位置出现不一样的情况，导致误差产生；若特征值点取在信号的峰值，那么在记录信号中混有更高峰值的信号时，就会把噪声信号取为特征值点，进而产生误差。信号和噪声之间、噪声和噪声之间的两两互不相关是互相关法应用的前提；另外，互相关函数在数学意义上是一种可以用无穷时间平均值，在平稳遍历的条件下来替代严格的统计平均的函数，但是在实际的计算测量中，一般是由有限的时间平均代替严格的统计平均，因此在有限的时间里，噪声因素的影响在互相关函数中不能被忽略。广义互相关法对输入信号及噪声的统计等先验知识的依赖性较强，然而对于通常的声发射检测，这些先验知识一般是较难获得或其完整性难以保证的。由于来自同一信号的噪声信号和声发射信号的谱熵能量积存在较大的不同，因此通过计算信号的谱熵能量积，能准确区分噪声信号与声发射信号，可以降低信号在低信噪比环境下短时能量法的误差，同时也可以弥补没有噪声情况下谱熵算法不准确的缺点，因此声发射信号的到达时间可以被更加准确地测量到。

2 声发射源定位

主要用声发射源面定位实验对上述方法的可靠性进行验证。针对声速的测量精度对定位精度的影响和声速测量中存在的误差，笔者采用增加传感器的方式增加计算式，通过该计算式消除速度对实验结果的影响。

如图2所示，分别放置传感器(传感器位置已知)，其中l1、l2、l3、l4分别为4个传感器到声发射源的距离，信号到达4个传感器的时间分别为t1、t2、t3、t4，声发射信号的传播速度为v。

图2 声发射源面定位示意图

结合图2，按几何关系可以得到：

(1)

(2)

(3)

(4)

3 实验

3.1 实验系统

按照GB/T 18182-2000标准的要求，声发射信号用铅笔芯折断进行模拟，铅笔芯的直径为0.5mm，硬度为HB，伸长量为2.5mm，与钢板的夹角为30°。通过130cm×100cm的长方形钢板进行声发射源平面定位。实验选用宽频声发射传感器DP3I，传感器频率范围为100～1 000kHz，工作温度为-65～175℃。选用的声发射检测系统为Micro-Ⅱ(Digital AE System)，可满足实时采集、处理和传输所有通道的AE参数和波形数据。在宽频传感器一端还需附加一个前置放大器，用于增强信号的抗干扰能力，选用增益可调放大器。本实验选择40dB增益，此时对应的频率响应带宽为10～2 000kHz，完全满足实验中对信号采集的需求。

3.2 面定位

在面定位中，4个传感器的坐标分别为(0，0)、(0，60)、(76，0)、(76，60)，单位为cm，图3为面定位声发射信号处理结果，表1为基于谱熵能量积的定位结果和对应的相应误差。由图3可以看出，噪声信号与声发射信号的谱熵能量积在数值上存在明显差异，由此可根据上述算法得到声发射信号开始的时间，并以此作为声发射的到达时间。

图3 面定位声发射信号处理

序号实际位置cm定位结果cmx坐标相对误差%y坐标相对误差%1(10,35)(10.24,35.59)2.401.692(15,25)(15.22,25.47)1.471.883(20,55)(19.71,56.28)1.452.334(25,50)(25.39,49.21)1.561.585(30,40)(29.56,39.34)1.471.656(35,20)(35.34,20.23)0.971.157(40,45)(40.47,45.61)1.181.348(45,30)(45.55,30.37)1.221.239(50,15)(50.83,15.19)1.661.2710(55,10)(53.63,9.79)2.492.10

3.3 实验分析

对于面定位实验，影响定位精度的因素主要有传感器、时差算法和传感器坐标，在本实验中通过门限法判定信号起始点是造成实验误差的最主要因素，也是实验下一步改进的主要方向。根据石油储罐罐底定位的工程实践，定位误差必须控制在5.00%以内。在本实验中，最大定位误差出现在x坐标定位结果中，为2.49%，总体符合工程定位要求。

4 结束语

笔者将谱熵能量积方法引入到声发射信号到达时间的测定上，利用噪声信号与声发射信号的谱熵能量积的显著不同区分出噪声信号和声发射信号，进而获取声发射信号的到达时间。实验中，使用了Micro-Ⅱ(Digital AE System)系统进行测量，设计实验消去速度因素的影响来探究时差对定位准确性的影响。通过实验发现，采用谱熵能量积的时差定位的最大误差为2.49%，满足声发射源定位的需要，相比传统方法具有较高的精度。

[1] Sun L Y，Li Y B，Qu Z G，et al.Study on Acoustic Emission Pipeline Leakage Detection Based on EMD Signal Analysis Method[J].Piezoelectrics and Acoustooptics，2008，30(2)：239～241.

[2] 赵江海，杨慧，顾菊平，等.基于短时能量的声发射源定位方法研究[J].振动与冲击，2013，32(23)：110～114.

[3] 李荣荣，胡昌奎，余娟.基于谱熵的语音端点检测算法改进研究[J].武汉理工大学学报，2013，35(7)：134～139.

[4] 王伟魁.储罐罐底腐蚀声发射检测信号处理关键技术研究[D].天津：天津大学，2011.

[5] 金中薇，姜明顺，隋青美，等.基于广义互相关时延估计算法的声发射定位技术[J].传感技术学报，2013，26(11)：1513～1518.