一种圆柱储罐的声发射源定位方法及其装置与流程

本发明属于声源定位领域，具体涉及一种圆柱储罐的声发射源定位方法及其装置。

背景技术：

声发射检测作为无损检测的一种方法，可用于确定声发射源的位置，评定声发射源的活性和强度，分析声发射源的性质，确定声发射发生的时间或载荷。

现有技术对声发射源的定位是通过多通道声发射检测仪来实现，根据采集信号种类不同分为突发信号定位与连续信号定位；其中，连续声发射信号源定位主要用于带压力的气液介质泄漏源的定位；突发信号定位又分为时差定位和区域定位，区域定位是一种处理速度快，简单而又粗略的定位方式。时差定位是经过对各个声发射通道信号到达时间差、波速和探头间距等参数的测量及运算来确定声源的位置或坐标，包括平面定位、柱面定位与球面定位等。时差定位是一种精确而又复杂的定位方式，广泛用于试样和构件的检测。但它易丢失大量的低幅度信号，容易出现的假点、错点等情况，其定位精度又受波速、衰减、波形和构件形状等许多易变量的影响，因而在实际应用中也受到种种限制。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用于圆柱储罐的声发射源定位方法及其装置。

为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种圆柱储罐的声发射源定位方法，包括如下步骤：

S1、获取圆柱储罐半径r，在圆柱储罐壁四周均匀设置n个声发射传感器，所述声发射传感器设置在同一水平面上，其中n≥3，并按逆时针依次编号为0、1、2、3…n-1；

以均匀设置在圆柱储罐四周且在同一水平面的n个所述声发射传感器的中心为原点，原点与编号为0的所述声发射传感器的连线为x轴，建立xy直角坐标系，通过极坐标得到各个所述声发射传感器的位置，第i个所述声发射传感器的坐标位置为：

$\left(cos\right(\frac{i}{n}*2\mathrm{\π})*r,sin(\frac{i}{n}*2\mathrm{\π})*r)$

S2、选取的三个用于定位的所述声发射传感器，编号分别为a、b、c，编号分别为a、b、c的所述声发射传感器与声发射源之间的距离分别为z_a、z_b、z_c；假设所述声发射源的坐标为(x，y)，可得到下列方程组：

S3、对上述方程组分别进行①式-②式，②式-③式处理，消除二次方项并进行归类处理后得到④式和⑤式，转化为x与y的二元一次方程：

S4、对④式与⑤式组成的方程组求解可得到x与y的值，也即得到所述声发射源的坐标位置：

$x=\frac{\left(sin\right(\frac{c}{n}\×2\mathrm{\π})-sin(\frac{b}{n}\×2\mathrm{\π}\left)\right)\×\frac{{z_a}^2-{z_b}^2}{2r}-\left(sin\right(\frac{b}{n}\×2\mathrm{\π})-sin(\frac{a}{n}\×2\mathrm{\π}\left)\right)\×\frac{{z_b}^2-{z_c}^2}{2r}}{\left(cos\right(\frac{b}{n}\×2\mathrm{\π})-\cos (\frac{a}{n}\×2\mathrm{\π}\left)\right)\×\left(sin\right(\frac{c}{n}\×2\mathrm{\π})-sin(\frac{b}{n}\×2\mathrm{\π}\left)\right)-\left(sin\right(\frac{b}{n}\×2\mathrm{\π})-sin(\frac{a}{n}\×2\mathrm{\π}\left)\right)\×\left(cos\right(\frac{c}{n}\×2\mathrm{\π})-cos(\frac{b}{n}\×2\mathrm{\π}\left)\right)}$

$y=\frac{\left(\cos \right(\frac{b}{n}\×2\mathrm{\π})-\cos (\frac{a}{n}\×2\mathrm{\π}\left)\right)\×\frac{{z_b}^2-{z_c}^2}{2r}-\left(\cos \right(\frac{c}{n}\×2\mathrm{\π})-\cos (\frac{b}{n}\×2\mathrm{\π}\left)\right)\×\frac{{z_a}^2-{z_b}^2}{2r}}{\left(cos\right(\frac{b}{n}\×2\mathrm{\π})-\cos (\frac{a}{n}\×2\mathrm{\π}\left)\right)\×\left(sin\right(\frac{c}{n}\×2\mathrm{\π})-sin(\frac{b}{n}\×2\mathrm{\π}\left)\right)-\left(sin\right(\frac{b}{n}\×2\mathrm{\π})-sin(\frac{a}{n}\×2\mathrm{\π}\left)\right)\×\left(cos\right(\frac{c}{n}\×2\mathrm{\π})-cos(\frac{b}{n}\×2\mathrm{\π}\left)\right)}$

进一步地，设定液体中的声速为v，所述声发射源发出声信号的时间为t₀，到达编号分别为a、b、c的所述声发射传感器时间分别对应为t_a、t_b、t_c，则编号分别为a、b、c的所述声发射传感器与所述声发射源之间的距离z_a、z_b、z_c分别为：

z_a＝v(t_a-t₀)

z_b＝v(t_b-t₀)

z_c＝v(t_c-t₀)

进一步地，当所述声发射传感器数量大于3个时，根据所述声发射传感器接收到所述声发射源发射的声信号的时间先后顺序，选取前三个所述声发射传感器进行定位。

进一步地，所述声发射源向四周发射固定频率的声信号。

进一步地，所述声发射源以1次/秒的频率向四周发射声信号。

进一步地，在所述声发射源发出的声信号被所述声发射传感器接收时的强度大于所述声发射传感器周围环境噪声的强度。

一种圆柱储罐的声发射源定位装置，所述声发射源定位装置用于实现上述所述声发射源定位方法，所述声发射源定位装置包括所述声发射源、至少三个所述声发射传感器，以及声发射检测仪；所述声发射源和所述声发射传感器分别通信连接至所述声发射检测仪；所述声发射传感器均匀设置在圆柱储罐壁四周，且所述声发射传感器设置在同一水平面上；

所述声发射源以固定频率向四周发射声信号；所述声发射传感器接收所述声发射源发出的声信号，所述声发射传感器将声信号转换为电信号传送至所述声发射检测仪；

所述声发射检测仪包括时钟模块、存储模块和处理器模块，所述时钟模块和所述存储模块分别连接至所述处理器模块，所述存储模块用于存储记录所述声发射源发出声信号的时间和所述声发射传感器接收到所述声发射源发射的声信号的时间。

进一步地，所述声发射检测仪还包括：

滤波模块，用于将所述声发射传感器转换的电信号滤波处理；

A/D转换模块，用于将滤波处理后的电信号转换为数字信号。

进一步地，所述声发射源具有防水外壳。

进一步地，所述防水外壳在所述声发射源的信号发出端的形状为半球型。

本发明采用以上技术方案，至少具备以下有益效果：

本发明提供一种圆柱储罐的声发射源定位方法及其装置，在圆柱储罐壁四周均匀设置n≥3个声发射传感器，获取声发射源发出声信号的时间与声发射传感器接收信号的到达时间，计算得到各声发射传感器与信号源之间的距离，实现对声发射源的定位；通过声发射源发射固定频率的声信号，区别环境噪声信号，解决信号接收过程中出现的假点、错点等情况；当所述声发射传感器数量n大于3个时，根据声发射传感器接收到声信号的时间先后顺序，选取前三个声发射传感器进行定位；本发明还提供一种声发射源定位装置，包括声发射源、至少三个声发射传感器和声发射检测仪，其中，声发射检测仪包括时钟模块和存储模块，存储模块用于存储记录声发射源发出声信号的时间和声发射传感器接收到声发射源发射的声信号的时间。

附图说明

图1为本发明中声发射源、声发射传感器和圆柱储罐设置关系示意图；

图2为本发明声发射源定位方法示意图；

图3为本发明圆柱储罐的声发射源定位装置示意图；

图4为本发明声声发射检测仪的各模块工作原理示意图；

图5为本发明声发射源和防水外壳示意图。

图中：1、圆柱储罐；2、声发射传感器；3、声发射源；4、声发射检测仪；5、防水外壳；401、时钟模块；402、存储模块；403、处理器模块；404、滤波模块；405、A/D转换模块。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明提供一种圆柱储罐的声发射源定位方法，包括如下步骤：

S1、如图1和图2所示，获取圆柱储罐1半径r，在圆柱储罐1壁四周均匀设置n个声发射传感器2，且所述声发射传感器2设置在同一水平面上，其中n≥3，并按逆时针依次编号为0、1、2、3…n-1；

如图2所示，以均匀设置在圆柱储罐1四周且在同一水平面的n个所述声发射传感器2的中心为原点，原点与编号为0的所述声发射传感器的连线为x轴，建立xy直角坐标系，通过极坐标得到各个所述声发射传感器2的位置，第i个所述声发射传感器2的坐标位置为：

$\left(cos\right(\frac{i}{n}*2\mathrm{\π})*r,sin(\frac{i}{n}*2\mathrm{\π})*r)$

S2、选取的三个用于定位的所述声发射传感器2，编号分别为a、b、c，编号分别为a、b、c的所述声发射传感器2与声发射源3之间的距离分别为z_a、z_b、z_c；假设所述声发射源的坐标为(x，y)，可得到下列方程组：

S3、对上述方程组分别进行①式-②式，②式-③式处理，消除二次方项并进行归类处理后得到④式和⑤式，转化为x与y的二元一次方程：

S4、对④式与⑤式组成的方程组求解可得到x与y的值，也即得到所述声发射源3的坐标位置：

$x=\frac{\left(sin\right(\frac{c}{n}\×2\mathrm{\π})-sin(\frac{b}{n}\×2\mathrm{\π}\left)\right)\×\frac{{z_a}^2-{z_b}^2}{2r}-\left(sin\right(\frac{b}{n}\×2\mathrm{\π})-sin(\frac{a}{n}\×2\mathrm{\π}\left)\right)\×\frac{{z_b}^2-{z_c}^2}{2r}}{\left(cos\right(\frac{b}{n}\×2\mathrm{\π})-\cos (\frac{a}{n}\×2\mathrm{\π}\left)\right)\×\left(sin\right(\frac{c}{n}\×2\mathrm{\π})-sin(\frac{b}{n}\×2\mathrm{\π}\left)\right)-\left(sin\right(\frac{b}{n}\×2\mathrm{\π})-sin(\frac{a}{n}\×2\mathrm{\π}\left)\right)\×\left(cos\right(\frac{c}{n}\×2\mathrm{\π})-cos(\frac{b}{n}\×2\mathrm{\π}\left)\right)}$

$y=\frac{\left(\cos \right(\frac{b}{n}\×2\mathrm{\π})-\cos (\frac{a}{n}\×2\mathrm{\π}\left)\right)\×\frac{{z_b}^2-{z_c}^2}{2r}-\left(\cos \right(\frac{c}{n}\×2\mathrm{\π})-\cos (\frac{b}{n}\×2\mathrm{\π}\left)\right)\×\frac{{z_a}^2-{z_b}^2}{2r}}{\left(cos\right(\frac{b}{n}\×2\mathrm{\π})-\cos (\frac{a}{n}\×2\mathrm{\π}\left)\right)\×\left(sin\right(\frac{c}{n}\×2\mathrm{\π})-sin(\frac{b}{n}\×2\mathrm{\π}\left)\right)-\left(sin\right(\frac{b}{n}\×2\mathrm{\π})-sin(\frac{a}{n}\×2\mathrm{\π}\left)\right)\×\left(cos\right(\frac{c}{n}\×2\mathrm{\π})-cos(\frac{b}{n}\×2\mathrm{\π}\left)\right)}$

可以理解的是，本发明方案可用于对储罐液面或罐底的定位，上述方法中，已知任意三个所述声发射传感器2与所述声发射源3之间的距离即可确定所述声发射源3的位置，实现定位。

进一步地，设定液体中的声速为v，所述声发射源发出声信号的时间为t₀，到达编号分别为a、b、c的所述声发射传感器时间分别对应为t_a、t_b、t_c，则编号分别为a、b、c的所述声发射传感器与所述声发射源之间的距离z_a、z_b、z_c分别为：

z_a＝v(t_a-t₀)

z_b＝v(t_b-t₀)

z_c＝v(t_c-t₀)

可以理解的是，本优选方案提供一种获得所述声发射源3和所述声发射传感器2之间距离的方法，通过所述声发射源3发出声信号的时间与所述声发射传感器2接收声信号到达时间的差值，根据液体中的声速，计算得到所述声发射源3与各所述声发射传感器2之间的距离，进而实现对所述声发射源3的定位。

声信号在液体中传导会随距离的增加而逐渐衰减，因而各个所述声发射传感器2因距离所述声发射源3的远近不同，越远的所述声发射传感器2接收到的声信号衰减越厉害，且更容易受到周围环境噪声的干扰，出现假点或误点问题，进而产生误差。为了解决上述问题，提高本发明定位准确度，本发明给出进一步的优选方案：当所述声发射传感器2数量大于3个时，根据所述声发射传感器2接收到所述声发射源3发射的声信号的时间先后顺序，选取前三个所述声发射传感器2进行定位。这样通过选取所述声发射传感器2与所述声发射源3的距离最短的三个，克服上述指出的问题，从而减小定位误差。

为了克服环境噪声干扰的问题，本发明所述声发射源3优选向四周发射固定频率的声信号，以区别于无规律的环境噪声，便于采集识别，进一步地，所述声发射源3优选以1次/秒的频率向四周发射声信号。

此外，为了克服环境噪声干扰的问题，本发明还提供进一步的改进方案，优选提高所述声发射源3发出声信号的强度，在所述声发射源3发出的声信号被所述声发射传感器2接收时，所述声发射源3发出的声信号的强度仍大于所述声发射传感器2周围环境噪声的强度。这样就可以使所述声发射源3发出的声信号与所述声发射传感器2周围环境噪声区别开，更便于识别采集。

如图3和图4所示，为了实现上述所述声发射源定位方法，本发明还提供一种圆柱储罐的声发射源定位装置，包括声发射源3、至少三个声发射传感器2，以及声发射检测仪4；所述声发射源3和所述声发射传感器2分别通信连接至所述声发射检测仪4；所述声发射传感器2均匀设置在圆柱储罐1壁四周，所述声发射传感器2设置在同一水平面上；

所述声发射源3以固定频率向四周发射声信号；所述声发射传感器2接收所述声发射源3发出的声信号，所述声发射传感器2将声信号转换为电信号传送至所述声发射检测仪4；

所述声发射检测仪4包括时钟模块401、存储模块402和处理器模块403，所述时钟模块401和所述存储模块402分别连接至所述处理器模块403，所述存储模块402用于存储记录所述声发射源3发出声信号的时间和所述声发射源3发出的声信号到达所述声发射传感器2的时间。

可以理解的是，通过所述声发射检测仪4中设置时钟模块401和存储模块402，可记录存储所述声发射检测仪4检测所述声发射源3发出声信号或声信号到达所述声发射传感器2的同时，记录存储所述声发射源3发出声信号的时间和所述声发射传感器2接收到所述声发射源3发射的声信号的时间。

如图4所示，进一步地，所述声发射检测仪4还包括：

滤波模块404，用于将所述声发射传感器2转换的电信号滤波处理；

A/D转换模块405，用于将滤波处理后的电信号转换为数字信号。

可以理解的是，通过所述滤波模块404可剔除掉环境噪声信号的干扰，以提供定位准确度。

如图5所示，进一步地，所述声发射源3具有防水外壳5。

可以理解的是，现有技术的所述声发射源3在应用于液体环境中都会有防水处理，本发明通过设置所述防水外壳5以保证其防水性。

如图5所示，进一步地，所述防水外壳5在所述声发射源3的信号发出端的形状为半球型。

可以理解的是，信号发出端的防水外壳形状设计为半球型，这样信号向四周扩散时不会受到所述防水外壳的形状干扰。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。