Способ определения координат источников акустической эмиссии при планарной локации Российский патент 2024 года по МПК G01N29/14 

Способ направлен на повышение вероятности выявления источников акустической эмиссии и снижение погрешности планарной локации их координат.

В настоящее время основным методом регистрации импульсов является фиксация превышения нарастающим фронтом волны напряжения (u_th) порога дискриминации сигналов на входе в систему сбора и обработки акустико-эмиссионных данных [1-4]. Значение порогового напряжения (u_th) устанавливают в зависимости от уровня возникающих помех при акустико-эмиссионной диагностике объекта исследования. При этом преобразователи акустической эмиссии могут регистрировать не только приход разных мод импульсов смещений среды, но и разных фаз этих мод в зависимости от выбранных настроек аппаратуры, включающих напряжение u_th и частотный диапазон пропускания сигналов (Δƒ).

Согласно нормативным документам проведения акустико-эмиссионной диагностики [5] локацию координат источников акустической эмиссии осуществляют по разности времени прихода сигналов на преобразователи локационной решетки, исходя из расстояний между приемными преобразователями и значения υ_g - расчетной групповой скорости импульсов в зоне исследования. При планарной локации для определения координат источников акустической эмиссии на плоскости (х, у) необходима локационная группа, состоящая минимум из трех преобразователей. На основании регистрации времени прихода локационных импульсов (t₁, t₂, t₃) на приемные преобразователи и известных расстояний между ними может быть получена система уравнений для определения координат источника акустической эмиссии [1-5].

Стандартно применяемый пороговые алгоритмы регистрации импульсов [1-5] с использованием вычисляемого значения скорости (υ_g) не учитывают факторы, влияющие на погрешность локации источников акустической эмиссии.

Одним из таких факторов, влияющим на погрешность локации в ближней от преобразователя зоне (при ΔL<100 мм) при пороговом методе регистрации сигналов, является точность определения момента пересечения нарастающим фронтом волны уровня порога дискриминации u_th. Как показали проведенные эксперименты [6-12], в зависимости от амплитуды сигнала разброс момента регистрации сигнала может достигать 60 мкс. При базовом размере антенной решетки В<300 мм и расчетной скорости υ_g=3-4 мм/мкс погрешность локации источников может достигать 180-240 мм, что сопоставимо с размером решетки.

Другим важным фактором, влияющим на ошибку локации источников в ближней от преобразователя зоне, является амплитуда регистрируемых импульсов. Как следует из проведенных исследований, чем больше доля энергии (χ) высокочастотных составляющих в спектре сигнала, тем выше значение расчетной групповой скорости υ_g импульсов, регистрируемых преобразователями в ближней от источника зоне (на расстоянии ΔL<100 мм). Дальнейшее распространение импульса в стенке изделия сопровождается резким снижением энергии высокочастотных мод и их влиянием на крутизну фронта сигнала при пересечении уровня порога дискриминации u_th. Возрастает влияние низкочастотных гармоник сигнала, распространяющихся в изотропном материале со скоростью близкой к скорости продольной волны. Поэтому для повышения точности локации источников АЭ, расположенных в ближней зоне от преобразователя антенной решетки, необходимо установление зависимости υ_g=ƒ{u_m,χ), учитывающей не только уровень амплитуды импульсов, регистрируемых в ближней зоне, но и долю энергии высокочастотных гармоник в его спектре.

Третьим фактором, влияющим на погрешность локации источника, является путь, проходимый импульсом от источника излучения акустической эмиссии до приемных преобразователей антенной решетки. Общие и локальные изменения формы и геометрии элементов конструкций, а также анизотропия свойств материала изделия может существенно повлиять на этот путь. Вследствие явлений дифракции и реверберации изменяется длительность прохождения акустического канала, а, следовательно, разность времени прихода импульсов от источника излучения на приемные преобразователи антенной решетки (t_i). Как показали проведенные исследования [13], наличие технологических вырезов и отверстий в стенке исследуемого элемента конструкции, может существенным образом сказаться на расстоянии, проходимым импульсом акустической эмиссии от источника излучения до приемных преобразователей антенной решетки, что может привести к существенным погрешностям при триангуляционной схеме определения координат источника акустической эмиссии на основании значений разности прихода импульсов на преобразователи локационной решетки.

Согласно нормативного документа [5] перед проведением акустико-эмиссионной диагностики исследуемого элемента изделия выполняют поверочное тестирование координатной локации источников, генерируемых электронным имитатором сигналов. Излучение импульсов осуществляют вблизи и на удалении от преобразователей антенной решетки и сравнивают результаты измерений с реальными координатами положения имитатора. Если погрешность координатной локации не удовлетворяет заданному уровню, осуществляют корректировку антенной решетки: изменяют количество преобразователей и их взаимное расположение, в том числе базовый размер антенной решетки, а также настройки аппаратуры, в том числе порог дискриминации сигналов и полосу пропускания цифровых фильтров. С учетом выполненных настроек аппаратуры, изменения положения и количества преобразователей в антенной решетки, вычисляют новое значение групповой скорости импульсов.

Наибольший вклад в ошибку вычисления координат локации источников акустической эмиссии при пороговом алгоритме регистрации сигналов вносит погрешность определения разности времени прихода импульсов на преобразователи антенной решетки и флуктуации скорости импульсов. Ошибки при подсчете этих параметров обусловлены следующими причинами:

1) отличием расчетных путей распространения импульсов от фактических;

2) анизотропией свойств материала изделия;

3) зависимостью расчетной скорости импульса от расстояния преобразователей до источника акустической эмиссии, его амплитуды и парциального содержания высокочастотных гармоник в сигнале;

4) зависимостью момента пересечения нарастающим фронтом волны сигнала порога дискриминации от уровня энергии импульса;

5) ошибками при выборе базового размера антенной решетки, расстановки преобразователей в ее узлах и определения их координат.

Влияние перечисленных выше факторов может привести к значительным погрешностям определения времени генерации сигнала и разности времен прихода импульсов на преобразователи антенной решетки [6-13].

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ Inglada's [14, 15], алгоритм (1) которого и схема определения координатной локации источника акустической эмиссии (Фигура 1) приведены ниже:

При решении системы уравнений (1) неизвестным остается время (t) генерации импульса акустической эмиссии и координаты источника, т.е. его удаление R_i, от преобразователей антенной решетки.

В развитие данного технического решения предлагается на основании уровня максимальной амплитуды (u_m)_i и усредненной частоты выбросов {N_и/t_и)_i представляющей соотношение количества выбросов (N_и - пересечений фронтом волны порога дискриминации сигналов) к длительности (t_и) импульса, регистрируемой каждым преобразователем локационной группы, уточнять момент его фиксации (t_i^'=t_i+Δt_i) и расчетную скорость υ_g(u_m)_i импульса с использованием регрессионных моделей, параметры которых вычисляют по результатам предварительных тестовых испытаний:

i=1, 2, 3 - номера преобразователей антенной решетки; Δ_ti(X_iY_i) - погрешность определения времени регистрации импульса, регистрируемого i-ым преобразователем; X_iY_i- координаты установки i-го преобразователя; А₁, …,А₄, B₁,… В₄ - коэффициенты регрессионных моделей, используемых для расчета погрешности времени регистрации импульсов АЭ i-ым преобразователем; С₁,…, С₄ - коэффициенты корреляции алгоритмов расчета скорости υ_g{u_m); t_i - время регистрации импульса i-ым преобразователем.

Цель, на решение которой направленно данное техническое решение, является разработка способа, позволяющего в процессе акустико-эмиссионной диагностики объекта исследования, повысить достоверность выявления источников акустической эмиссии и снизить погрешность их локации.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что перед проведением акустико-эмиссионной диагностики объекта исследования выполняют предварительное тестирование его акустико-эмиссионных свойств, по результатам которого уточняют значения времен регистрации акустических сигналов преобразователями антенной решетки t₁'=t₁+Δt₁, t₂^'=t₂+Δt₂, t₃^'=t₃+Δt₃ и расчетной скорости υ_g(u_m), нормированной относительно скорости продольной волны (с) в объекте контроля, с использованием коэффициентов регрессионных моделей А_1,…А₄,В₁,…, В₄, C₁,…, С₄ в формулах поправок (2) -(4).

В качестве существенных признаков, наиболее информативных характеристик, снижающих погрешность координатной локации источников акустической эмиссии, использованы параметры максимальной амплитуды (u_m)_i и усредненной частоты выбросов (N_и/t_и)_i, влияющие на момент регистрации импульса (t_i'=t_i+Δt_i) преобразователями акустической эмиссии и его расчетную скорость υ_g(u_m)_i.

При осуществлении заявляемого технического решения, поставленная задача достигается посредством предварительного тестирования акустико-эмиссионных свойств объекта контроля и определения коэффициентов регрессионных моделей А_1,…, А₄, B₁ В₄, С₁,…, С₄, используемых в выражениях (2)-(4) для уточнения моментов регистрации импульса (t_i'=t_i+Δt_i) преобразователями акустической эмиссии и его расчетной его скорости υ_g{u_m)i.

Технико-экономическая эффективность изобретения следует из технического результата, получаемого при осуществлении изобретения, т.е. повышения достоверности координатной локации источников акустической эмиссии и снижения погрешности вычисления их координат.

Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах предложенного изобретения, позволил установить, что не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам предложенного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к заявляемому устройству отличительных признаков, изложенных в формуле изобретения.

Для проведения соответствия предлагаемого изобретения требованию изобретательского уровня проведен дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками предложенного изобретения, результат которого показывает, что предложенное изобретение не следует явным образом из известного уровня техники.

В качестве демонстрации заявляемого способа рассмотрены результаты его применения для локации источников акустической эмиссии в алюминиевой пластине с габаритными размерами 990x850x7 мм. В проводимых экспериментах источником импульсов различной амплитуды являлся преобразователь R15α-SMA фирмы «Mistras» (США), подключенный к генератору сигналов прямоугольной формы GW Instek MFG-72120MA фирмы «Good Will Instrument Со.» (Тайвань). В результате предварительных испытаний были определены оптимальные параметры измерительной аппаратуры, такие как порог дискриминации u_th-42 дБ, полоса пропускания цифровых фильтров Δƒ_р=100-300 кГц, а также средняя скорость распространения импульсов υ_g=3300 м/с, рассчитанная в процессе генерации акустических сигналов с помощью электронного имитатора при максимальном расстоянии между преобразователями B=820 мм. Регистрация импульсов осуществлялась с помощью преобразователей R15α-SMA фирмы «Mistras» (США), подключенных к системе Aline-32D PCI ООО «ИНТРЕЮНИС-ИТ» (Россия).

На фиг. 1 представлена координатная локация источника АЭ по триангуляционной схеме в алгоритме Inglada's.

На фиг.2 представлена зависимость нормированной скорости распространения импульсов {υ_g/c) от уровня их максимальной амплитуды (u_m)

На фиг. 3 представлен разброс времени прихода импульсов (Δt₂) от уровня параметра χ₂

На фиг. 4 представлены результаты расчета координат источников АЭ при использовании стандартного (а) и заявленного способа (б): - преобразователи; х -источники акустической эмиссии; • - индикации источников

На фиг. 5 представлена гистограмма распределения индикаций источников в зависимости от погрешности построения планарной локации при использовании стандартного (а) и заявленного способа (б)

Апробация и расчет погрешности локационного алгоритма Inglada's осуществлялись по результатам планарной локации регистрируемых импульсов амплитудой u_m=45-90 дБ. Антенная решетка состояла из трех преобразователей и представляла равнобедренный треугольник со сторонами 820×732×732 мм.

Для установления корреляционной зависимости υ_g(u_m) решена обратная задача, состоящая в минимизации ошибки планарной локации в процессе итерационного изменения скорости в диапазоне Δυ_g=(υ_g)_min-(υ_g)_max=1800-6000 м/с для известных координат источников излучения (Х_ист; Y_ист). Результат построения корреляционной зависимости υ_g/c(u_m) представлен на Фигуре 2, где с=6000 м/с - предельная скорость распространения импульса акустической эмиссии в металле [1].

Как следует из фиг. 2, для импульсов, амплитуда которых u_m≤55 дБ относительное значение скорости (υ_g/c) не превышает 0,55. В диапазоне амплитуд u_m=55-65 дБ отмечается рост значений υ_g/c от 0,55 до 0,8. При амплитудах импульсов u_m>65 дБ относительное значение скорости возрастало от υ_g/c=0,7 до 1. Пунктирной линией представлен результат аппроксимации экспериментальных данных:

Аппроксимация результатов экспериментальных исследований осуществлялась с помощью метода наименьших квадратов. Регистрируемый разброс результатов расчетной скорости согласно алгоритму (6) соответствует уровню коэффициента детерминации R²=0,71.

Погрешность координатной локации зависит не только от правильности определения расчетной скорости, но и точности определения момента регистрации импульсов преобразователями, а, следовательно, корректности подсчета разности их прихода на преобразователи антенной решетки (Δt_i,). Для оптимизации расчета было принято допущение, что погрешность Δt₁=0 мкс. Значения Δt₂ и Δt₃ рассчитывались путем минимизации ошибки планарной локации в процессе итерационного изменения погрешности в диапазоне значений [-100…100] мкс с шагом 0,25 мкс для известных координат источников (Х_ист; Y_ист). В результате статистического анализа экспериментальных данных получены модели линейной регрессии:

u_m1, u_m2, u_m3 - максимальная амплитуда импульсов; - усредненное значение количества выбросов; t₁, t₂, t₃ - время регистрации импульсов преобразователями.

Как следует из фиг. 3, погрешность определения времени регистрации импульсов изменяется в широком диапазоне значений от -60 до+10 мкс независимо от положения источника относительно преобразователей антенной решетки. В качестве аппроксимирующей модели использовалась дробно-рациональная функция:

t'₂ и t'₃ - уточненные значения момента регистрации импульсов преобразователями №2 и №3.

Аппроксимация результатов экспериментальных исследований осуществлялась с помощью метода наименьших квадратов. Относительно низкая уровень разброса результатов аппроксимации подтверждается значением коэффициента детерминации R²=0,76.

Результаты координатной локации источников акустической эмиссии с помощью стандартного и заявленного способа приведены на фиг 4.

На фиг. 4, ,б представлен результат применения заявленного способа расчета скорости υ_g согласно алгоритму (6) и разности времени прихода импульсов Δt_ij (7) на преобразователи антенной решетки. Как следует из представленной схемы координатной локации источников акустической эмиссии, при генерации импульсов в точке с координатами Х=470 мм; У=335 мм среднее значение абсолютной погрешности составило Δ=9,67 мм, а в точке с координатами Х=270 мм; У=1455 мм при генерации в координатах максимальная погрешность локации источников акустической эмиссии составила Δ=88,9 мм, что в 2,36 раз меньше, чем погрешность при использовании стандартного алгоритма.

На фиг. 5 представлены гистограммы распределения погрешностей стандартного (а) и заявленного (б) способа. По результатам расчета погрешностей проведена оценка вероятности выявления источников акустической эмиссии (р) сопоставляемых алгоритмов. Значение параметра р рассчитывалось следующим образом:

N_L - количество АЭ событий, удовлетворяющих условию Δ≤Δ_L=0,1⋅B=82 мм; N_Σ - общее количество индикаций источников акустической эмиссии.

С помощью стандартного способа было зарегистрировано N_Σ=110 источников акустической эмиссии, из которых N_L=75 удовлетворяют условию Δ≤82 мм. В результате апробации алгоритма, заявленного способа, общее количество источников, удовлетворяющих условию Δ≤82 мм, увеличилось до N_L=100. Применение стандартного способа заявленного способа планарной локации позволило увеличить вероятность выявления источников акустической эмиссии с р=0,682 до р=0,909 при максимальном размере антенной решетки B=820 мм.

Список литературы

1. Иванов В.И., Бигус Г.А., Власов И.Э. Акустическая эмиссия / Под общ. ред. В.В. Клюева. М.: Издательский дом "Спектр". - 2015. 192 с.

2. Бигус Г.А., Даниев Ю.Ф., Быстрова Н.А., Галкин Д.И. Основы диагностики технических устройств и сооружений / М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана. - 2015. 445 с.

3. Иванов В.И., Бигус Г.А., Власов И.Э. Акустическая эмиссия. Под общ. ред. В.В. Клюева. М.: Спектр, 2015.192 с.

4. Pollock A. Acoustic emission testing. Metals handbook. / Edited by. Adrian Pollock. - 9 edition. AST International. Vol. 17,1989. P. 278-294.

5. Правила организации и проведения акустико-эмиссионного контроля сосудов, аппаратов, котлов и технологических трубопроводов (ПБ 03-593-03). Нормативные документы межотраслевого применения по вопросам промышленной безопасности и охраны недр. Серия 03. Выпуск 38 / Кол. авт.М.: «НЩ Промышленная безопасность». - 2003. 53 с.

6. Исследование и обоснование прочности и безопасности машин / Под ред. Н.А. Махутова, Ю.Г. Матвиенко, А.Н. Романова. М.: Знание, 2023. 832 с.

7. Матвиенко Ю.Г., Васильев И.Е., Чернов Д.В., Елизаров С.В. Проблемы локации источников акустической эмиссии // Дефектоскопия. 2021. №9. С. 35-44.

8. Матвиенко Ю.Г., Васильев И.Е., Чернов Д.В., Кожевников А.В., Мищенко И.В. Повышение вероятности выявления источников акустической эмиссии с помощью искусственных нейронных сетей // Дефектоскопия. - 2022. №5. С. 3-12.

9. Махутов Н.А., Васильев И.Е., Чернов Д.В., Иванов В.И., Елизаров С.В. Влияние полосы пропускания частотных фильтров на параметры импульсов акустической эмиссии // Дефектоскопия. 2019. №3. С 3-14.

10. Матвиенко Ю.Г., Иванов В.И., Васильев И.Е., Чернов Д.В., Мищенко И.В. Снижение погрешности при определении скорости распространения волнового пакета в композиционных материалах //Приборы и техника эксперимента. - 2020. №1. С.115-120.

11. Чернов Д.В., Васильев И.Е., Марченков А.Ю., Ковалева Т.Ю., Куликова Е.А., Мищенко И.В., Горячкина М.В. Влияние амплитуды акустических сигналов на вероятность выявления источников акустической эмиссии // Вестник МЭИ. -2022. №1. С. 130-136.

12. Marchenkov A., Vasiliev I., Chernov D., Zhgut D., Moskovskaya D., Mishchenko I., Kulikova E. Estimation of Acoustic Source Positioning Error Determined by One-Dimensional Linear Location Technique // Applied Sciences. - 2022. Vol. 12(1). P. 224-237.

13. Матвиенко Ю.Г., Васильев И.Е., Бубнов M.A., Чернов Д.В. Влияние размеров и формы технологических вырезов на точность локации источников акустической эмиссии // Дефектоскопия. 2020. №2. С.3-11.

14. Chen S., Yang С, Wang G., Liu W. Similarity assessment of acoustic emission signals and its application in source localization // Ultrasonics. 2017. Vol.75. p.36-45.

15. Spencer S.J. The two-dimensional source location problem for time differences of arrival at minimal element monitoring arrays // The Journal of the Acoustical Society of America. 2007. Vol. 121. №6. P. 3579-3594.

Использование: для определения координат источников акустической эмиссии при планарной локации. Сущность изобретения заключается в том, что уточняют значения времен регистрации акустических сигналов преобразователями антенной решетки t₁'=t₁+Δt₁, t₂^'=t₂+Δt₂, t₃^'=t₃+Δt₃ и расчетной скорости υ_g(u_m), нормированной относительно скорости продольной волны (с) в объекте контроля, с использованием коэффициентов регрессионных моделей A₁…A₄, B₁...В₄, C₁…С₄ в формулах поправок, на основании которых определяют координат источников акустической эмиссии. Технический результат: снижение погрешности и повышение точности локации источников акустической эмиссии. 5 ил.

Способ определения координат источников акустической эмиссии при планарной локации, в котором координаты источников вычисляют, исходя из времени регистрации импульсов акустической эмиссии (t_i) преобразователями антенной решетки, расположенными по триангуляционной схеме (i=1, 2, 3 - обозначение преобразователей на схеме), времени генерации импульса источником акустической эмиссии (t) и расчетной скорости распространения импульсов (υ_g=B/Δt, где В - максимальное расстояние между преобразователями антенной решетки, Δt - разность времен регистрации импульсов преобразователями), используя для этого алгоритм Inglada's:

(1)

в котором R_i - искомое удаления источника акустической эмиссии от i-того (i=1, 2, 3) преобразователя; X_i и Y_i, - координаты расположения i-того преобразователя; t_i - время регистрации импульса i-ым преобразователем; Х и У - искомые координаты источника акустической эмиссии, определяемые из результатов решения системы уравнений (1), отличающийся тем, что учитывают уровни максимальной амплитуды (u_m)_i и усредненной частоты выбросов (N_и/t_и)_i, представляющей соотношение количества выбросов (N_и - пересечений фронтом волны порога дискриминации сигналов) к длительности (t_и) импульса, регистрируемых каждым преобразователем локационной группы, по значениям которых уточняют момент их фиксации (t_i'=t_i+Δt_i) и расчетной скорости υ_g(u_m)_i с использованием регрессионных моделей, параметры которых вычисляют по результатам предварительных тестовых испытаний:

(Δ_ti - погрешность определения времени регистрации импульса, регистрируемого i-ым преобразователем; X_i, Y_i - координаты установки i-го преобразователя; A_1… А₄, B_1… В₄ - коэффициенты регрессионных моделей, используемых для расчета погрешности времени регистрации импульсов АЭ i-ым преобразователем; С₁… С₄ - коэффициенты корреляционной модели расчета скорости υ_g(u_m) распространения импульса), что практически в двое повышает вероятность выявления источников акустической эмиссии и более, чем в два раза снижает погрешность локации их координат по сравнению со стандартной методикой.