机械设备薄板件的声发射波束形成缺陷定位

机械设备薄板件的声发射波束形成缺陷定位

忻容荣

宁波博威合金板带有限公司 315100

摘要：薄板件在运输、安装、使用过程中，由于振动、冲击、摩擦等因素引起的表面缺陷，可通过激光或电子束对其进行检测，并根据缺陷的类型、大小、形状、位置等进行分类，从而实现对零件缺陷的快速识别。声发射无损检测是利用激光发射的光束照射被检测物体，通过反射、散射、折射等方式，使光束的能量转化为电信号，然后由计算机处理，得到被检测物体的信息，从而实现对被检测物体的识别，利用激光技术进行物体识别的优点是速度快、精度高、成本低，缺点是不能实现多目标跟踪，只能对特定目标进行定位。本研究将会对机械设备薄板件的声发射波束形成缺陷定位进行深入研究，以获得更好的定位效果。

关键词：机械设备；薄板件；声发射无损检；缺陷定位

一、引言

在工业生产中，薄板件的制造是一个复杂的过程，其中包括制造工艺、材料选择、机械加工、表面处理、热处理、检测等环节。这些环节的任何一个失误都会导致产品质量问题，甚至造成严重的后果[1]。机械设备薄板件在运输、安装和使用过程中，容易受到振动、冲击、摩擦等因素的影响，导致表面缺陷的产生,影响薄板件的性能和安全性，因此需要进行有效的检测和定位,对薄板件的制造过程进行有效的控制，保证产品质量的稳定性和可靠性，是提高薄板件生产效率的关键。因此，声发射无损检测对薄板件制造过程的控制具有重要意义。传统的检测方法包括目视检查、超声检测、射线检测等，但这些方法往往存在效率低下、精度不高、对操作者技能依赖性强等问题。而声发射波束形成是一种新型的无损检测方法，利用激光发射的光束照射被检测物体，通过反射、散射、折射等方式，使光束的能量转化为电信号，然后由计算机处理，得到被检测物体的信息。这种方法具有速度快、精度高、成本低等优点，因此在机械设备薄板件的缺陷定位中具有广泛的应用前景[2]。

声发射波束形成已经被广泛应用于机械设备薄板件的缺陷定位,通过分析声波的传播特性，准确地检测到薄板件内部的缺陷。声发射技术是利用电磁波的频率特性，通过测量被测物体的振动幅度，来判断被测物体的结构状态的一种检测方法。它的原理是利用电磁波的传输特性，根据物体的不同结构特点，测量物体的振动幅度，从而得到物体的结构信息。

二、声发射波束形成的基本原理

在声发射检测定位技术中，波束成形法是一种比较成熟的方法。它利用发射器和接收器之间的相对运动，通过接收器反射回来的信号进行测量，从而实现对机械设备薄板件的声发射波束测量[3]。这种方法可以测量的范围比较广，但是由于发射器的声发射波束不能直接测量，所以只能用于测量一些特殊的薄板件。利用激光器产生的高功率脉冲信号，通过光纤传输到探测器，再由探测器反射回来，经过计算机处理，得到被测物体的形状、尺寸、位置等数据，然后通过显示屏进行显示。波束形成定位中旁瓣的产生主要是由于信号的衰减造成的。在一定条件下，旁瓣可以忽略不计，这就是所谓的边缘抑制。边缘抑制的目的是减少干扰，提高测量精度。在测量过程中，如果发现有噪声，应立即停止测量，并进行相应的处理。如果噪声超过允许范围，应采取措施消除噪声。在实际工作中，由于人员的疏忽，或者仪器设备本身的故障，造成测量结果不准确的情况时有发生。

声发射波束形成的基本原理是干涉原理，具体来说，当多路声波信号到达接收器时，它们会相互叠加。如果这些信号的相位相同，则它们将相互增强，形成波峰；如果相位相反，则它们将相互抵消，形成波谷。通过调整不同阵列单元信号之间的参数，使得某些角度的信号增强，而另一些角度的信号相互抵消，这种波束形成技术能够用来提高接收信号的信噪比或信干噪比，从而提高检测的准确性和可靠性。在声发射波束形成中，需要使用阵列接收器来接收声波信号，阵列接收器由多个小接收器组成，每个小接收器都可以接收来自不同方向的声波信号，通过调整各个小接收器的输出信号的相位和幅度，实现波束形成的效果[4]。

总之，声发射波束形成是一种利用干涉原理来提高接收信号质量的无损检测技术。它可以用来对机械设备进行快速、准确、全面的检测，对于保障机械设备的安全性和稳定性具有重要意义。

三、机械设备薄板件的声发射波束形成缺陷定位的步骤

声发射技术是一种应用于机械设备薄板件缺陷定位的非破坏性测试方法。声发射波束形成缺陷定位是指利用声发射传感器和信号处理技术来确定缺陷发生的位置[5]。

第一，布置传感器，在薄板件的表面或者内部布置多个声发射传感器，通过粘贴、紧固或焊接等方式与薄板件连接，并能够实时监测并记录薄板件上的声发射事件。当薄板件上存在缺陷时，比如裂纹、松动、脆化等，这些缺陷会在受力过程中产生微小的声波信号。第二，数据采集，传感器能够捕捉到这些微弱的声波信号，并将其转化为电信号，发送给信号处理系统进行分析。第三，信号处理，信号处理系统对接收到的声波信号进行时域分析、频域分析、模式识别等处理，以识别缺陷产生的位置。其中，时域分析主要关注声发射事件的幅值、持续时间、能量等特征参数；频域分析则用于对声波信号进行频谱分析，可识别不同类型的缺陷；模式识别则通过对一系列声发射事件的比对和匹配，确定缺陷的位置。第四，波束形成，根据不同的波束形成算法，对多个传感器采集到的声波信号进行合成和处理，常用的算法包括时域积分、相干相加等，波束形成的目的是增强缺陷信号，抑制背景噪声，提高定位精度。第五，缺陷定位，根据波束形成的结果，确定缺陷的位置，通过不同的定位算法实现，如最大幅值法、时差法等，定位的准确性取决于传感器布置的合理性、信号处理的效果以及定位算法的可靠性。第六，结果分析，结合形成的波束以及缺陷定位结果，对定位结果进行分析和评估，判断薄板件的结构健康状况，根据定位结果采取相应的修复或维护措施，以确保机械设备的可靠性和安全性。

四、薄板件中声发射信号特性与波束形成定位

（一）薄板件中声发射信号特性

机械设备中不同的薄板件在材料、结构、工艺等方面存在差异，因此在不同的薄板件中产生的声发射信号特性不同，这些差异可能导致薄板件的声发射信号特性与波束形成定位出现偏差，从而影响波束形成定位的精度。因此，在实际应用中，需要根据不同的薄板件进行声发射定位。声发射信号传播速度是一个重要的参数，它决定了声发射定位的精度。在实际应用中，对于薄板件的声发射定位，往往需要采用多种方法进行测量，以确定薄板的厚度。因此，对于薄板件的声发射定位，应根据不同的情况选择不同的方法。

薄板件的声发射信号在不同频率范围内表现出不同的特性，各种材料的声发射信号频率范围确实很宽，包括次声频、声频和超声频[6]。次声频（低频）范围一般在几Hz到几百Hz之间，次声频信号主要用于检测和研究大型结构或地下工程中的振动现象。次声频信号能够传播较远，并且对材料的内部结构变化比较敏感，通过分析次声频信号的幅度、频域和时域特性，获取与结构变形、裂纹扩展等相关的信息。其次，声频范围一般在20 Hz到20 kHz之间，常用于检测和分析建筑、机械等更细微的振动和故障，对于材料和结构来说，声频信号能够提供关于强度、刚度、共振频率和固有失效等参数的信息。除此之外，超声频范围一般在数kHz到数十MHz之间，超声频信号是高频声波，波长较短且能量较高，超声频信号的传播受到材料的吸收、散射和传播特性的影响，超声频信号在材料内部的传播路径上会受到损伤、裂纹、孔洞等缺陷的影响，从而产生散射、衰减和反射等现象。通过分析超声频信号的幅度、频谱和时域特性，获得与缺陷的位置、大小、形态和性质等相关的信息[7]。

因此，不同频率范围的声发射信号所包含的信息是不同的，通过对不同频率范围信号的分析和处理，获取不同层面、不同尺度的结构健康状况信息，为材料的评估、监测和控制提供有效手段。

（二）波束形成定位

波束形成定位是利用电磁波的传播特性，通过测量波束的宽度来定位薄板的厚度。这种定位方法适用于薄板的表面缺陷较少的情况，如果薄板表面存在大量缺陷，则不能采用这种方法[8]。另外，还可以利用光学原理进行定位。利用激光束照射薄板，使其发生衍射现象，从而测量薄板的厚度。这种方法适于对薄板的平面位置精度要求不高的场合。但由于激光束的能量较大，所以不宜用于大面积的测量。另外，还可以利用电子技术进行测量。利用高能激光束，在几秒钟内测量出厚度的变化，这样就可以用于测量薄板的表面粗糙度。激光测厚仪的工作原理是利用激光束照射被测物体，使其热膨胀，从而产生热效应，在物体表面形成一个微小的压力场，这个压力场就是激光的功率密度。

波束形成定位是一种利用多个固定位置上的传感器组成的阵列对结构进行测试的技术，以获取详细的声发射源信息，包括声发射源的位置等信息。根据声发射源与阵列的距离，波束形成分为远场波束形成和近场波束形成两种方式。第一，远场波束形成，在远场波束形成中，声发射源与阵列之间的距离较大，传感器接收到的声波是平面波，采用远场波束形成技术时，传感器的位置和声发射源的波形特性被用来计算声发射源的位置，通常需要进行复杂的信号处理和计算，如波束形成算法、传统的声源定位算法或超声多干扰滤波器等，远场波束形成适用于较大范围的结构测试，例如建筑物、桥梁等[9]。第二，近场波束形成，在近场波束形成中，声发射源与阵列的距离较近，声波传播存在很强的衍射效应。传感器接收到的声波不再是平面波，而是具有复杂的波前形状，采用近场波束形成技术时，传感器之间的幅相信息和声波衍射模型被用来重建声发射源的位置。近场波束形成需要对近场衍射效应进行准确建模，并通过复杂的算法还原声发射源的位置，近场波束形成适用于小范围的结构测试，例如机械零部件、电子器件等。

由于各阵元信号发射的频率不同，所以在不同阵元间产生的共振频率也不同，这就导致了不同阵元间的共振频率差异较大，从而引起了声发射信号的不均匀分布，也就是说，在不同阵元间的共振频率存在差异。因此，在实际应用中，需要针对不同阵元间的共振频率差异进行定位，才能准确地检测出各个阵元间的相对位置关系。这就需要利用阵元间的相对位置关系来确定阵元间的距离。

五、薄板件波束形成定位最优频带分析

（一）薄板件波束形成定位主瓣与旁瓣参数

薄板件的波束形成定位主瓣和旁瓣参数的选择，是影响声发射检测精度的关键因素[10]。根据不同的定位要求，可采用不同的定位方法。一般情况下，在薄板件的波束形成定位过程中，应尽可能减少主瓣和旁瓣的数量，以提高定位精度。为了保证定位精度，可采用两个或两个上的定位元件，这样可以有效地避免主瓣和旁瓣的干扰。另外，还可以通过调整波束形成的角度来改变定位精度。例如，在一个薄板件上安装若干个上的定位元件，每个定位元件的位置都不同，就可以使定位精度得到提高。此外，还可以采用多个定位元件同时工作的方法，以增加定位精度。这样，就可以大大提高机床的加工精度。但是，由于定位元件的数量多，所以在选择定位元件时，必须考虑到各种因素，比如定位元件的性能、尺寸、重量、成本等。另外，还要考虑到机床的结构特点，以及加工工艺的要求。

薄板波束形成定位是指使用波束形成技术对薄板结构中的声发射源进行定位，在波束形成定位中，主瓣和旁瓣是描述波束形成阵列辐射模式特性的两个重要参数，通过合理设计波束形成算法、优化阵列布局和控制旁瓣级别，提高定位精度和减小对旁瓣的敏感度，从而实现更准确和可靠的薄板波束形成定位，更好地为缺陷的优化带来指导和参考。

主瓣是波束形成阵列辐射模式中能量较高的方向区域，主瓣的形状和方向与波束形成算法、阵列的布局、信号处理参数等有关。在波束形成中，主瓣是指波束输出结果中具有最大幅度的波峰或主要方向，即波束的主要辐射方向，主瓣通常对应着波束的主要能量集中区域。在波束形成过程中，通过调整天线的激励权重和相位，使得波束锁定在所需的方向上，同时抑制其他方向的干扰信号，这样产生的波束输出结果通常呈现出一个主要波峰，即主瓣，该主瓣具有最大的输出值。旁瓣是波束形成阵列辐射模式中能量较低的方向区域[11]。旁瓣的存在是由于阵列的理想指向性无法完全实现，以及信号处理过程中的非理想因素所引起的，如阵列元素的互相干扰、阵列元素数量限制等。旁瓣的存在会导致定位误差或对系统性能造成影响，因此需要通过优化阵列设计和信号处理算法来降低旁瓣的幅度。

（二）薄板件波束形成定位最大旁瓣级MSL与定位频带选取

薄板波束形成是一种使用具有均匀线性阵列结构的薄板天线进行方向性信号传输和接收的技术，最大旁瓣级是评估薄板波束形成系统性能的指标之一。最大旁瓣级指的是在波束形成过程中，除了主瓣之外，波束输出结果中相对于主瓣幅度最大的旁瓣的幅度值，用来衡量波束形成系统的抗干扰能力和选择性能。较低的最大旁瓣级意味着系统能够更好地抑制干扰信号，并集中能量在主瓣上，提高目标信号的检测和定位准确性。在薄板波束形成中，通过适当的天线设计、波束合成算法和天线元素的激励权重调节，降低最大旁瓣级。例如，通过优化天线阵列的几何形状、改变元素之间的距离和间隔，或者采用适当的波束形成算法实现更低的最大旁瓣级。最大旁瓣级数可根据需要设置，并可通过调整旁瓣增益来实现。一般情况下，最大旁瓣级数为10db。为了提高系统的性能，可采用多路复用技术，即在同一路径上分别接收信号和发送信号，这样可大大提高系统的容量。在实际应用中，一般采用两路复用技术，即一路复用到另一路，另一路复用到前一路。

频带选取对于薄板件内部缺陷波束形成影响较大，因此，在选取频带时应考虑薄板件的工作频带[12]。对于不同的薄板件，应选取不同的频带。对于同一种薄板件，可根据不同的频率范围选取不同的频率范围。在选取频带时，应注意不同频率的波束形成特性，以保证不同频率的信号传输质量。薄板波束形成系统通过在特定的频率范围内进行信号处理来实现波束形成和目标定位，当定位频带较窄时，系统会更加关注信号的细节和局部特征，从而更容易受到旁瓣的影响，进而导致较高的最大旁瓣级。

因此，在进行薄板波束形成定位系统设计时，需要在定位频带的选择和最大旁瓣级的控制之间进行权衡。根据实际应用需求，选择合适的定位频带，并通过使用适当的波束形成算法和信号处理技术来降低最大旁瓣级，以达到较高的定位精度和系统性能。

六、薄板件低频结合高频波束形成二次定位方法

信号经过包络处理后，使信号频率与包络频率一致，然后通过数字滤波器进行数字滤波，得到一个频率相同的信号，再经过放大器放大，最后通过模数转换器转换成数字信号，再经过数字处理电路处理，就可以实现无线传输了。这种方法简单，成本低，适合大规模生产较大，通过模数转换器转换成数字信号，再经过数字处理电路处理，就可以实现无线传输了。

薄板件内部缺陷的低频结合高频二次声发射波束形成定位方法是一种用于检测和定位薄板件内部缺陷的技术。如下图1所示，该方法通过先进行低频波束形成确定定位频带，然后通过包络处理进一步确定主瓣范围，并最终使用高频信号进行定位[13]。首先，主瓣与旁瓣与最大旁瓣级选取，在薄板件检测中，利用低频信号进行波束形成。通过对接收到的信号进行分析，确定主瓣、旁瓣以及最大旁瓣级。其次，低频定位，在确定了主瓣与旁瓣的范围后，通过包络处理方法进一步确定主瓣的具体范围。包络处理是将低频信号进行调制，提取出其振幅变化的包络，通过分析包络信号，精确定位主瓣的位置，从而缩小后续高频定位的扫描范围。最后，高频定位，在确定了主瓣的范围后，使用高频信号进行波束形成和定位。高频信号具有较短的波长和较好的分辨能力，适用于检测和定位薄板件内部小尺寸的缺陷，通过对高频信号进行滤波处理，进一步提高定位精度。低频结合高频的二次声发射波束形成定位方法充分利用低频信号的穿透性和传播性能以及高频信号的分辨能力来提高对薄板件内部缺陷的检测和定位精度。

二次定位是一种精确定位声发射源的方法，通过使用二次定位散点图，获得非常小的定位误差，避免了波束形成较宽主瓣和存在旁瓣的影响，以提高定位的精度。解决垂直于阵列方向定位分辨率较低的问题，提供更高的分辨率和准确度。

图1 薄板件缺陷的波束形成定位流程图

七、总结

总的来说，机械设备薄板件的声发射波束形成缺陷定位是通过对设备进行检测，然后利用激光扫描仪进行扫描获取设备的振动信号，再根据这些振动信号来判断设备的缺陷位置，这种方法能够准确、快速地检测出设备的缺陷，从而避免了人工检测的麻烦。通过机械设备薄板件的声发射波束形成缺陷定位技术，实现对薄板件中存在的缺陷进行准确定位，帮助企业提高产品质量和生产效率，减少因缺陷导致的损失和不必要的维修费用。在未来的发展中，借助信息技术进一步优化和改进声发射波束形成缺陷定位技术，提高其准确性和可靠性，结合人工智能和大数据分析等技术手段，实现对大规模数据的自动化处理和分析，进一步提高缺陷检测和定位的效率和精度。

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作者简介：忻容荣 1989.04.03 男 宁波 汉 本科 浙江理工大学 工程师 宁波博威合金板带有限公司 研究方向: 机械