于 洋 王 賽

(沈陽工業(yè)大學信息科學與工程學院，沈陽 110870)

傳播速度和時差的測量是時差定位技術(shù)的關鍵。在時差定位中，一般可通過查閱工程手冊或現(xiàn)場實際測量獲得聲發(fā)射信號的傳播速度，因此，時差的測量精度對聲發(fā)射源的定位精度有很大的影響[1]。譜熵能量積之所以能有效區(qū)分語音信號和非語音信號是因為在語音信號端點檢測中，該方法能有效確定語音的起始點和終止點，而聲發(fā)射信號和語音信號相似，也具有非線性和非平穩(wěn)性的特點[2]，因此在聲發(fā)射信號到達時間的測定中也可以運用語音端點檢測法中的譜熵能量積方法。譜熵能量積是在短時能量算法的基礎上對譜熵法進行改進，使其在無噪聲和非平穩(wěn)噪聲情況下測量精度都有大幅度提高，魯棒性得到增強[3]。對于聲發(fā)射信號，同樣可以使用譜熵能量積計算輸入聲發(fā)射信號，進而將聲發(fā)射信號段和噪聲段有效區(qū)分開，以確定聲發(fā)射信號的到達時間。

1 基于譜熵能量積的到達時間測量

圖1 聲發(fā)射信號到達時間算法流程

在時差測量中，通常采用特征值法、互相關法[4]和廣義互相關法[5]。其中在特征值法中，一般選擇的特征點是觸發(fā)時刻，由于信號來自不同的傳播路徑，可能導致同一信號的幅值由于傳感器的不同而不同，那么就可能在相同的觸發(fā)時刻使得波形位置出現(xiàn)不一樣的情況，導致誤差產(chǎn)生；若特征值點取在信號的峰值，那么在記錄信號中混有更高峰值的信號時，就會把噪聲信號取為特征值點，進而產(chǎn)生誤差。信號和噪聲之間、噪聲和噪聲之間的兩兩互不相關是互相關法應用的前提；另外，互相關函數(shù)在數(shù)學意義上是一種可以用無窮時間平均值，在平穩(wěn)遍歷的條件下來替代嚴格的統(tǒng)計平均的函數(shù)，但是在實際的計算測量中，一般是由有限的時間平均代替嚴格的統(tǒng)計平均，因此在有限的時間里，噪聲因素的影響在互相關函數(shù)中不能被忽略。廣義互相關法對輸入信號及噪聲的統(tǒng)計等先驗知識的依賴性較強，然而對于通常的聲發(fā)射檢測，這些先驗知識一般是較難獲得或其完整性難以保證的。由于來自同一信號的噪聲信號和聲發(fā)射信號的譜熵能量積存在較大的不同，因此通過計算信號的譜熵能量積，能準確區(qū)分噪聲信號與聲發(fā)射信號，可以降低信號在低信噪比環(huán)境下短時能量法的誤差，同時也可以彌補沒有噪聲情況下譜熵算法不準確的缺點，因此聲發(fā)射信號的到達時間可以被更加準確地測量到。

2 聲發(fā)射源定位

主要用聲發(fā)射源面定位實驗對上述方法的可靠性進行驗證。針對聲速的測量精度對定位精度的影響和聲速測量中存在的誤差，筆者采用增加傳感器的方式增加計算式，通過該計算式消除速度對實驗結(jié)果的影響。

如圖2所示，分別放置傳感器(傳感器位置已知)，其中l(wèi)1、l2、l3、l4分別為4個傳感器到聲發(fā)射源的距離，信號到達4個傳感器的時間分別為t1、t2、t3、t4，聲發(fā)射信號的傳播速度為v。

圖2 聲發(fā)射源面定位示意圖

結(jié)合圖2，按幾何關系可以得到：

(1)

(2)

(3)

(4)

3 實驗

3.1 實驗系統(tǒng)

按照GB/T 18182-2000標準的要求，聲發(fā)射信號用鉛筆芯折斷進行模擬，鉛筆芯的直徑為0.5mm，硬度為HB，伸長量為2.5mm，與鋼板的夾角為30°。通過130cm×100cm的長方形鋼板進行聲發(fā)射源平面定位。實驗選用寬頻聲發(fā)射傳感器DP3I，傳感器頻率范圍為100～1 000kHz，工作溫度為-65～175℃。選用的聲發(fā)射檢測系統(tǒng)為Micro-Ⅱ(Digital AE System)，可滿足實時采集、處理和傳輸所有通道的AE參數(shù)和波形數(shù)據(jù)。在寬頻傳感器一端還需附加一個前置放大器，用于增強信號的抗干擾能力，選用增益可調(diào)放大器。本實驗選擇40dB增益，此時對應的頻率響應帶寬為10～2 000kHz，完全滿足實驗中對信號采集的需求。

3.2 面定位

在面定位中，4個傳感器的坐標分別為(0，0)、(0，60)、(76，0)、(76，60)，單位為cm，圖3為面定位聲發(fā)射信號處理結(jié)果，表1為基于譜熵能量積的定位結(jié)果和對應的相應誤差。由圖3可以看出，噪聲信號與聲發(fā)射信號的譜熵能量積在數(shù)值上存在明顯差異，由此可根據(jù)上述算法得到聲發(fā)射信號開始的時間，并以此作為聲發(fā)射的到達時間。

圖3 面定位聲發(fā)射信號處理

序號實際位置cm定位結(jié)果cmx坐標相對誤差%y坐標相對誤差%1(10,35)(10.24,35.59)2.401.692(15,25)(15.22,25.47)1.471.883(20,55)(19.71,56.28)1.452.334(25,50)(25.39,49.21)1.561.585(30,40)(29.56,39.34)1.471.656(35,20)(35.34,20.23)0.971.157(40,45)(40.47,45.61)1.181.348(45,30)(45.55,30.37)1.221.239(50,15)(50.83,15.19)1.661.2710(55,10)(53.63,9.79)2.492.10

3.3 實驗分析

對于面定位實驗，影響定位精度的因素主要有傳感器、時差算法和傳感器坐標，在本實驗中通過門限法判定信號起始點是造成實驗誤差的最主要因素，也是實驗下一步改進的主要方向。根據(jù)石油儲罐罐底定位的工程實踐，定位誤差必須控制在5.00%以內(nèi)。在本實驗中，最大定位誤差出現(xiàn)在x坐標定位結(jié)果中，為2.49%，總體符合工程定位要求。

4 結(jié)束語

筆者將譜熵能量積方法引入到聲發(fā)射信號到達時間的測定上，利用噪聲信號與聲發(fā)射信號的譜熵能量積的顯著不同區(qū)分出噪聲信號和聲發(fā)射信號，進而獲取聲發(fā)射信號的到達時間。實驗中，使用了Micro-Ⅱ(Digital AE System)系統(tǒng)進行測量，設計實驗消去速度因素的影響來探究時差對定位準確性的影響。通過實驗發(fā)現(xiàn)，采用譜熵能量積的時差定位的最大誤差為2.49%，滿足聲發(fā)射源定位的需要，相比傳統(tǒng)方法具有較高的精度。

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[2] 趙江海，楊慧，顧菊平，等.基于短時能量的聲發(fā)射源定位方法研究[J].振動與沖擊，2013，32(23)：110～114.

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[4] 王偉魁.儲罐罐底腐蝕聲發(fā)射檢測信號處理關鍵技術(shù)研究[D].天津：天津大學，2011.

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