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基于小波变更和模态声发射的管道中导波传布特点的尝试研讨

宣布日期:2017-05-06 11:20    阅读次数:次

作者:新疆石河子大学电机学院 李江全;北京产业大学电机学院 焦敬品,何存富,吴斌

1 弁言

管道作为一种首要的运输东西,在煤油、化工和都会供水等行业阐扬着不可替换的感化。但是,管道经持久操纵后,常常发生泄露变乱,不只形成资本华侈,还严峻影响人们的性命财产宁静。以都会供水为例,天下各大都会供水管网泄露率普通在20%摆布,有的乃至高达50%。是以,若能操纵各类无损检测方式对在役管线的泄露停止有用监测,以减小泄露形成的华侈,将能够或许极大减缓环球规模内日趋严峻的水资本匮乏题目。
声发射手艺作为一种静态无损检测方式,是今朝国际上风行的、有潜力的泄露源信息的应力波将沿充液管道传布。操纵牢固在管道外壁的声发射传感器拾取该泄露声发射旌旗灯号,经由进程旌旗灯号阐发能够取得泄露源信息(泄露地位、巨细等)。凡是,假定泄露声发射旌旗灯号沿管道传布的速率稳定,经由进程对泄露声发射旌旗灯号停止相干阐发,肯定泄露声发射旌旗灯号达到两个传感器的时候差,来肯定泄露源的地位。但是,在大大都环境下,经由进程间接相干阐发停止泄露源来位结果很差。因为液体泄露激起出的应力波旌旗灯号现实是模态和频次丰硕的导波旌旗灯号,导波沿管壁传布时存在频散景象,致使泄露应力波沿管壁传布进程发生波形失真,从而使得经由进程相干阐发停止泄露定位结果很差。文献[3]将模态声发射的观点引入到管道声发射泄露定位中,从多模态泄露声发射旌旗灯号中分手出某单一模态旌旗灯号,构建泄露定位模子,并对该模态导波的频散停止了恰当弥补,取得较好的定位结果。是以,在操纵模态声发射对管道泄露检测之前,须要事后领会管道中导波传布的频散特点,以便在泄露定位进程中对导波频散停止有用弥补,从而完成进步泄露定位精度的目标。
因为受声发射源的本身特点、声发射旌旗灯号的传布途径、环境噪声和声发射丈量体系等多种庞杂身分的影响,声发射传感器输入的波形非常庞杂,属于一种非安稳随机旌旗灯号,须要操纵各类旌旗灯号处置手艺才能从中有用提取声发射源的信息。传统旌旗灯号阐发方式对声发射旌旗灯号的阐发没法处置的时候和频次分辩力的抵触,而小波变更的方式能够使这一题目得以处置。
文中经由进程在管道上停止铅笔芯折断声发射尝试根本上,操纵小波变更(Gabor小波)对声发射旌旗灯号停止处置,取得管道中F(1,1)模态导波的频散特点。
2 小波变更在模态声发射旌旗灯号阐发中的操纵
小波变更是近几十年来成长起来的一种旌旗灯号处置方式,与旌旗灯号的时域阐发不同,小波变更具备同时在时域和频域表征旌旗灯号局部特点的才能,又能够描写某一频谱住处对应的时域信息,很好地处置了时候和频次分辩率的抵触,合适于对时变旌旗灯号停止局部阐发,这对阐发含有瞬态景象的声发射旌旗灯号尤其合适。
假定布局中沿X标的目的传布的某单元幅度声发射旌旗灯号,由w1和w2两频次成份(有细小不同)的单一模态导波构成,且已知该模态导波在布局中传布特点,即已知波数随频次变更干系k(w).则该声发射旌旗灯号u(x,t)可表现为
停止以下变量代换:
式(1)可改写为
能够看出,声发射旌旗灯号由两局部构成,指数局部表现以想速率Cp=wc/kc传布的载波;当△k→0时,cos项表现以群速率Cg=dw/dk传布的调制旌旗灯号。
对频散旌旗灯号的阐发,Gabor小波具备更好的时域和频域分辩率,对声发射旌旗灯号u(x,t)停止Gabor小小波变更:
式中:a为标准因子,且a>0;b为时移因子;上角标*表现复共轭。
Gabor小波¥g(t)及频谱¥g(w)表现为
式中:y和w0是一般数,令
将式(3)代入Gabor小波变更式(4),获得其小波变更抒发式:
小波变更的幅度为
阐发式(10)可知,当1/a=wc/w0=f和b=(△k/△w)x=x/Cg时,式(10)取极大值。即在频次f=wc/w0
处,声发射旌旗灯号小波变更幅度的峰值对应的时移b是该模态导波达到传感器的时候。在已知该两传感器间距L的环境下,可按式(1)计较该模态导波在频次f=wc/w0处的群速率Cg。
式中,b1(f),b2(f)别离为在频次f处,该模态导波达到两个传感器的时候。
3 薄板声发射尝试
在尝试室内,成立管道上模态声发射检测尝试体系。如图1所示。首要包含待检测钢管、声发射传感器、PCI-DSP声发射数字收罗板、前置缩小器及滤波器等。待检测钢管厚度为6mm,外径为159mm,铅芯折断为典范声发射源,经由进程钢管中铅芯折断声发射尝试,肯定钢管中传布的首要导波模态的频散特点。若已知两声发射传感器之间的距离L,在钢管边缘与两声发射传感器同在一条直线的地位折断铅饼,将在钢管中发生多模态声发射旌旗灯号,此中以低阶曲折模态导波为主。由声发射传感器领受的旌旗灯号,经前置缩小器缩小后,经由进程四通道声发射数据收罗板存储到计较机中,以待进一步阐发处置。

当两声发射传感器间距L=115 mm时,对领受到的铅芯折断声发射旌旗灯号(图2所示)按式(4)停止步长即是采样的距离△t的积分,标准因子a和时移因子b按下式团圆化:


式中:m,n为正整数。

如许,获得声发射旌旗灯号小波变更幅度的时频散布,如图3所示。从两声发射传感器领受到声发射旌旗灯号的小波变更幅度及等高图能够看出,在该角度下折断铅芯,发生的声发射旌旗灯号中包含多种板波模态,此中以低阶的A0模态和S0模态导波为主。

图4为60KHZ下铅芯折断声发射旌旗灯号小波变更幅度,能够肯定A0模态导波达到两个传感器时候别离为 由式(12)肯定60KHZ下该模态导波的群速率,与现实计较获得该频次下该模态导波的群速率2.188m/ms比拟,绝对偏差为4.9%.

按照不同频次下A0模态导波达到两个传感器的时候差,能够计较出该模态导波的群速率频散曲线,如图5所示.此中,实线、虚线别离为尝试、现实计较获得A0模态的频散曲线,二者很好符合。同理,能够获得S0模态导波的群速率频散曲线。从图5能够看出,在某一频段内,经由进程铅芯折断声发射尝试获得薄板中A0和S0模态导波传布的频散曲线与现实计较获得的频散曲线符合较好;但在较高频次规模内,尝试获得频散曲线与现实计较频散曲线的不同变大。形成不同变大的首要缘由包含多模态导波的频散及反射回波形成的波形的叠加等。

4 论断
经由进程铅芯折断声发射尝试研讨,接纳小波变更和模态阐发相连系的方式,获得某一频带内2.76mm薄板中A0模态和S0模态导波的群速率频散曲线,为该频段内超声波检测尝试供给了须要的指点。

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