Page 238 - 《应用声学》2024年第6期
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判断声源距离传感器的远近。通过计算传感器接收 为了更好地分析波包成分，对信号进行包络处
信号的时间差： 理，信号包络是通过希尔伯特变换 (H[ ]) 将实数信
∆t AB = t B − t A , (1) 号s(t)转换为复数信号z(t)：
∆t AC = t C − t A . (2) z(t) = s(t) + jH [s(t)] . (5)
假设待测结构为各向同性或者均质结构，传播 其时域信号包络A(t)定义为
√
波速一般认为在结构各处均相同，通过声源传播至 A(t) = (s(t)) + (H [s(t)]) . (6)
2
2
各个传感器的距离、传播波速以及已知的传感器布
获得包络曲线后，需要提取信号到达传感器的
置位置可以获得以下关于声源点的几何关系：
√ 时间点。在实际实验中，由于传感器具有一定的尺
2 2
(x p − x B ) + (y p − y B ) 寸，并且波在传播过程中具有一定的频散效应，所以
√
2 2 一般对波包峰值取一定的阈值作为信号到达时间；
− (x p − x A ) + (y p − y A )
将相关参数代入几何定位关系式 (3) 和式 (4)，对待
= c(t B − t A ) = c∆t AB , (3)
测区域划分分析网格，求解并显示出预测的声源点
√
2 2
(x p − x C ) + (y p − y C ) 位置。
√
2 2 三角定位方法是目前各向同性以及均质结构
− (x p − x A ) + (y p − y A )
中最常用的源定位技术。该方法是使用分散式少量
= c(t C − t A ) = c∆t AC . (4)
传感器阵列进行声源定位，设置较为简单，且定位原
由式 (3)∼(4) 可知该几何关系是以传感器位置
理相对直观，编制算法难度较小。因此在后续声发
为焦点的双曲线，通过两个传感器组成的一个传感
射监测系统传感器阵列可靠性的实验研究中，采用
器对可形成一条几何定位双曲线，然后由两个传感
的定位方法为三角定位方法。
器对确定的两条双曲线形成的交点即为三角定位
预测的声源点位置。此外，由于以其中一个传感器 2 边界反射信息的挖掘与补充
作为参考，3 个有效传感器获得的独立时间差只有
两个，可形成两条独立的双曲线，这也是三角定位所 由上述对三角定位算法的分析可知，至少需要
需要的传感器数量最少为3个的原因。 3 个及以上的传感器采集声发射信号才能够完成声
该声源定位算法的流程如图 2 所示。首先通过 源的几何定位。而当部分传感器失效，有效传感器
接收传感器获取到声发射信号，该信号可能存在多 数量少于 3 个时，在待测表面上只会形成一条独立
个干扰频率成分，所以需要进行滤波操作；其次， 的双曲线，而不会形成交点。就定位算法而言，声
滤波后的信号到达特征常表现为波形图中的波包 源出现在双曲线上的概率是一样的，因此在这种情
成分。 况下常规的三角定位算法将失效，无法完成声源定
位或损伤检测。但是传感器在服役过程中又易发生
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失效，导致有效传感器数量少于算法对传感阵元的
ฉࣳරԩηՂӊፏ 需求。为此，本文提出从有效传感器收集的声发射
信号中挖掘与声源相关的额外边界反射信息以弥
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ηՂ҂͜ਖ٨ᄊ҉ 补部分传感器失效导致信息不足的问题 (如图 3 所
示)。
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传感器采集的信息中除了直达波信息，还包含
ѵѣरරᝍї͵Тጇ 大量与损伤相关的反射信息。当波传播到边界或者
障碍物处会发生反射后再继续传播，其反射的特点
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在于反射角等于入射角，反射波的波长、频率和波
速都与入射波相同，如图 4(a) 所示。当声发射事件
图 2 定位算法信号处理流程图
Fig. 2 Positioning algorithm signal processing 的波经过待测结构的边界反射后，会携带关于声源
flow chart 点的额外信息，这将会为传感器阵元不足的阵列声
