基于前期到達波的圓柱形儲液罐底板聲源定位方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于前期到達波的圓柱形儲液罐底板聲源定位方法。本發明首先計算傳感器實測信號的時間特征序列；然后，將底板均勻離散化成多個網格(每個網格點代表可能的聲源位置)，基于聲波傳播理論，根據本發明提出的圓柱形儲液罐底板的聲源傳播路徑計算方法，計算網格點所發出聲波到達每個傳感器的所有早期的波達時間，構造波達時間特征序列；接著，計算每個網格點波達時間特征序列和實測信號時間特征序列的匹配度；最后，找出匹配程度最高的網格點即為所求聲源位置。
【專利說明】基于前期到達波的圓柱形儲液罐底板聲源定位方法
【技術領域】
[0001]基于前期到達波的圓柱形儲液罐底板聲源定位方法
【背景技術】
[0002]聲發射技術已經成為檢測圓柱形儲液罐底板劣化狀態的常規檢測方法。圓柱形儲液罐底板因腐蝕、變形等原因激發出聲信號，該信號可以被安裝在罐壁的傳感器捕獲。通過計算信號到達傳感器的時間差，應用定位算法就可以計算出聲源位置。持續一段時間的檢測最終生成一張儲液罐底板聲源的分布圖，用戶據此可以了解儲油罐底板的質量狀況。
[0003]目前的聲源定位方法有兩大類:時差定位方法和區域定位方法，這兩類方法都基于一個重要的前提假設，即每個傳感器檢測到的首波是通過液體傳播過來的直達波。大量的實驗和工程檢測實例表明，直達波不是傳感器所檢測到的最強信號波，它們很容易被當做背景噪聲被忽略掉，從而導致錯誤的定位結果。因此目前所有聲發射檢測系統提供的底板聲源分布圖都不準確，業界僅將該圖作為定性了解底板整體質量狀況的依據，其定位位置并無參考價值，用戶必須通過其它手段確認底板劣化位置。
[0004]準確的定位計算必須清楚所檢信號的傳播路徑和實際傳播距離。(I)根據有關聲學原理，特定環境下，聲源到傳感器之間的傳播路徑和實際傳播距離是可以確定的，因為傳播路徑必須遵守聲波反射定律。雖然底板聲源向外輻射信號是全方向的，但是一個底板確定聲源產生的信號只能通過符合反射定律的聲線傳播到傳感器。滿足反射定律的聲線很多，每條聲線的長度也不一樣，這導致一個聲源激發后有多個信號在不同時間到達傳感器，造成傳感器檢測到一串不連續的的信號。(2)該現象非常顯著地體現在傳感器早期檢測到的聲波中，而后期這一現象則不明顯。因為圓柱形儲罐是個封閉空間，傳播后期同一時間到達傳感器的反射聲波很多很雜，被視為無規聲波，綜合考慮衰減因素，這些聲波混在背景噪聲中是難以辨識的。(3)不同位置的底板聲源信號到達同一傳感器的波達時間也是不同的，因此傳感器檢測到的早期聲波具有非常顯著的波達時間特征(如圖2所示)。
[0005]本發明利用的就是這一聲學原理，通過分析判斷傳感器檢測到的這一波達時間特征，可以有效地識別出聲源位置。
【發明內容】
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[0006]本發明的目的是提供一種用于圓柱形儲罐的底板聲源的定位方法。
[0007]本發明的技術方案是:
[0008]傳感器捕捉到的早期聲波信號在時間上具有明顯的排列特征，并吻合理論計算結果。任取底板上一個點作為假定聲源，都可以通過理論計算出早期波達信號的時間特征。理論波達時間特征與實測信號的波達時間特征的匹配程度通過互相關運算可以得到。搜尋底板上的點，匹配程度最高的就可以認為是發出聲信號的實際聲源。
[0009]其具體步驟為:
[0010](I)對于半徑為R、液位為H的儲液罐，底板中心為坐標原點，其壁板上安裝有Q個傳感器，第i個傳感器的笛卡爾坐標為(Rcos Θ P Rsin Θ ^hi),有q個傳感器檢測到底板聲源發出的信號，第i個傳感器采集到的聲波信號為Si。
[0011](2)提取傳感器實測信號的早期波達時間特征。以第一個傳感器檢測到信號開始，截取后續AT1時間內的信號；計算實測信號單位時間AT內的能量，獲得實測信號的能量序列；對能量序列進行規格化處理，得到的序列即實測信號的時間特征序列，每個傳感器的波達時間特征序列長度為N，合成一個序列P后的長度為qN ；
[0012](3) 將圓形底板外切矩形均勻分割成L*L個方形網格，只取圓板內的網格點，得到K個網格點，其中第k個網格點坐標(rfccos<;Pfc，rkSincpk, O)，rk為該網格點距離底板中心的距離，外:為方向角。
[0013](4)計算每個網格點位置所發出信號經多次反射傳播到達傳感器的早期波達時間，只保留第一個波達時間后續AT1內的波達時間，并以AT為最小時間單元構造波達時間特征序列，每個波達時間對應位置疊加一個寬0.2ms-lms的脈沖信號，得到第k個網格點的波達時間特征序列，每個傳感器的波達時間特征序列長度為N，合成一個序列T (k)后的長度為qN。
[0014]波達時間含兩部分，第一部分包含以縱波、彎曲波方式通過底板傳播和通過液體傳播直接到達傳感器的時間tptf和td，第二部分波達時間指在罐壁、液面和底板處多次反射后通過液體到達傳感器的時間k。對于底板縱波波速為V1，底板彎曲波波速為Vf，液體中波速為V，第一部分時間計算方法為:
[0015]= (L+hD/V1
[0016]tf = (L+hj) /vf
[0017]td = ^Jl2 + hi/v
[0018]
【權利要求】
1.一種基于前期到達波的圓柱形儲液罐底板聲源定位方法，包括以下步驟: (1)對于半徑為R、液位為H的儲液罐,底板中心為坐標原點,其壁板上安裝有Q個傳感器，第i個傳感器的笛卡爾坐標為(Rcos Θ ,,Rsin Θ i; 10，有q個傳感器檢測到底板聲源發出的信號，第i個傳感器采集到的聲波信號為Si。 (2)提取傳感器實測信號的早期波達時間特征。以第一個傳感器檢測到信號開始，截取后續AT1時間內的信號；計算實測信號單位時間AT內的能量，獲得實測信號的能量序列；對能量序列進行規格化處理，得到的序列即實測信號的時間特征序列，每個傳感器的波達時間特征序列長度為N，合成一個序列P后的長度為qN ； (3)將圓形底板外切矩形均勻分割成L*L個方形網格，只取圓板內的網格點，得到K個網格點，其中第k個網格點坐標(rfc COS^Ofc , IrkSincpk , O) , rk為該網格點距尚底板中心的距離，為方向角。 (4)計算每個網格點位置所發出信號經多次反射傳播到達傳感器的早期波達時間，只保留第一個波達時間后續AT1內的波達時間，并以AT為最小時間單元構造波達時間特征序列，每個波達時間對應位置疊加一個寬0.2ms-lms的脈沖信號，得到第k個網格點的波達時間特征序列，每個傳感器的波達時間特征序列長度為N，合成一個序列T(k)后的長度為qNo 波達時間含兩部分，第一部分包含以縱波、彎曲波方式通過底板傳播和通過液體傳播直接到達傳感器的時間tptf和td，第二部分波達時間指在罐壁、液面和底板處多次反射后通過液體到達傳感器的時間對于底板縱波波速為V1，底板彎曲波波速為Vf，液體中波速為V，第一部分時間計算方法為:tx = (L^i)A1tf = (L+hi) / vf
tr由多個反射波波達時間構成。對于網格點(rfcC0S<Pfc，rfeSiiK1fe, O)發出信號經壁板反射η次，液面反射m次到達第i個傳感器的反射波波達時間t有兩個，其計算方法為:
而 α 是方程 X.sin (2n+l) a +y.cos (2n+l) a = (_l)n.R.sin a 的解。 (5)將傳感器實測信號的時間特征序列P和網格點波達時間特征序列理論值T(k)作零均值處理后，求兩者互相關系數的最大值，即為匹配度M(k)(k= 1，2，...，K)。計算方法為:
其中的互相關系數=(6)求出K個網格點匹配度最大值對應的序號j，則(r/COSR.，η Sincpj ’ O)即為所求聲源位置。
【文檔編號】G06F19/00GK104132999SQ201410380638
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月31日 優先權日:2014年7月31日
【發明者】方衛紅, 鄔曉嵐, 稅愛社, 宗福興, 李先利 申請人:中國人民解放軍后勤工程學院