Page 237 - 《应用声学》2024年第6期

第 43 卷 第 6 期 张冰等： 复合材料结构损伤声发射检测的信息扩充方法 1413

的方法。Kundu [10] 提出“L”型传感器簇声源定位技
0 引言
术，在材料参数和速度分布未知的情况下可在各向
同性与各向异性的板上完成声源定位，所需要的传
复合材料具有质量小、比强度及比模量大、低
感器的数量分别为4 个和6 个。Sen等 [11] 基于方形
蠕变和强耐腐蚀性等优点 [1] 。基于复合材料多样且
传感器簇声源定位技术提高了声源定位精度，一个
优异的材料性能，其已广泛应用于汽车工业、航空
方形传感器簇可看作由 4 个L 形的传感器簇共同组
航天等领域。但是复合材料在使用过程中由于疲劳
成，因此，基于一个方形传感器簇可获得声源的4 个
载荷、异物和环境条件 (温度和湿度) 影响，可能发
入射角度，通过平均可减小定位误差。
生破坏性损伤。如果这些损伤没有第一时间被发
现阶段的声发射技术主要依赖传感器阵列，通
现并修复，可能会发生重大的事故。因此对于复合
过获取足够的声源信息完成损伤定位。当部分传感
材料进行有效的早期检测与实时监测是非常重要
器失效导致获取的信息不足时，该技术将会面临误
的 [2−3] 。
判或者漏判的风险。因此，本文针对基于声发射方
无损检测技术主要分为主动和被动的方式。主
式的复合材料结构健康监测过程中部分传感器阵
动式方法的设备复杂，需要主动激励源，使用成本较
元失效问题，提出从声发射信号中挖掘与损伤相关
高。被动式检测操作简单，成本相对较低，且易实现
的边界反射信息来弥补损伤信息不足的方法，虚拟
实时监测，其中最具有代表性的是声发射损伤监测
扩充传感阵列，提高结构健康监测系统的可靠性。
技术。声发射技术通过捕获由材料局部应力能量瞬
间释放而引起的瞬态弹性波，获取材料内部特征，实
1 声发射技术声源定位算法
现无损检测。由于其具有运行快、成本低及技术成
熟等特点，在铁路、船舶及军事等领域应用广泛。 声发射技术声源定位算法主要以三角定位算
目前，国内外的学者开展了很多关于声源定位 法 [12−13] 、波束成形定位算法 [14−15] 以及其余如
声发射损伤监测技术的研究。Qiu 等 [4] 分别根据波 学者 Kundu 提出的 “L” 型传感阵列定位算法等为
的到达时间，采用三角声源定位方法定位低速冲击 主。其中三角定位算法是在均质结构中最常使用的
源的位置。Jang 等 [5] 通过使用神经网络训练将三 经典算法。如图1所示，三角定位法所需要的传感器
角测量方法扩展到各向异性板。McLasky 等 [6] 介 最少为 3 个，分别是 A、B、C，点 P 为待测结构上的
绍了声发射定位的波束成形技术，需要一个包含 声源点，由声源传播至传感器的距离分别为 r A 、r B

4 ∼ 8个传感器的小型传感器阵列。He 等 [7] 通过波 以及 r C 。通过传感器接收到的信号如图 1 所示，其
束成形技术结合奇异值分解，同时完成了两个声发 中信号到达时刻可以由 T A 、T B 以及 T C 表示，但是
射源的定位检测。Ciampa 等 [8−9] 提出了一种在材 由于声发射事件的起始时刻并不确定，所以由信号
料特性未知的前提下进行各向异性板上声源定位 起始点确定的传播时间并没有参考价值，仅能大致

C↼X C֒Y C↽
t A
T A A

r C
A-B
t B
A-C T B B
P↼X P ֒Y P ↽
r B
r A t C
A↼X A֒Y A↽ B↼X B ֒Y B ↽ T C C

图 1 三角定位方法示意图
Fig. 1 Schematic diagram of triangulation method