УДК 620.179.17:519.237.8
КЛАСТЕРИЗАЦИЯ ИСТОЧНИКОВ СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ ПО СКОРОСТИ НАРАСТАНИЯ ПЕРЕДНЕГО ФРОНТА
Л.Н. Степанова, И.С. Рамазанов, С.И. Кабанов, ЕЮ. Лебедев, К.В. Канифадин
Показано, что метод кластеризации по скорости нарастания переднего фронта огибающей сигнала акустической эмиссии (АЭ) позволяет сократить по сравнению с кластеризацией по форме время вычисления координат дефектов. Разработанный метод осуществляет в режиме реального времени локализацию больших потоков сигналов АЭ с приемлемой для практических применений точностью. Приведены практические параметры использования метода при работе на стальном листе с имитатором, при статическом на-гружении дюралюминиевого образца и в процессе сварки стальных образцов с алюминиевой и титановой вставками.
Ключевые слова: сигнал акустической эмиссии, локализация, диагностика, передний фронт сигнала, огибающая сигнала, кластеризация.
Решение ряда задач акустико-эмиссионной (АЭ) диагностики (например, прочностные испытания объектов авиационной техники, контроль сварки, исследование многослойных композиционных структур и т. д.) осложняется необходимостью регистрации больших потоков сигналов и шумов. Как правило, современные АЭ-системы не успевают в реальном времени записывать и обрабатывать такую информацию. Обработка информации после проведения испытаний не всегда допустима, поскольку при нагружении могут произойти несанкционированное разрушение конструкции, остывание сварного шва и пропуск дефектов при многопроходной сварке и т. д.
Известно, что кластеризация по форме сигналов АЭ позволяет получать минимальные погрешности локализации, так как в процессе вычисления используется их полная цифровая форма. Однако она требует значительных временных затрат, в результате чего применяется только после нагружения объекта контроля [1—4].
Цель работы — разработка метода кластеризации по скорости нарастания переднего фронта огибающей сигнала АЭ, позволяющего сократить время вычисления при сохранении достоверности определения координат дефектов.
Проанализируем возможности кластеризации сигналов АЭ по скорости нарастания переднего фронта [4]. Преимущество данного метода состоит в простоте, существенном сокращении времени кластеризации и возможности аппаратной реализации.
При решении данной задачи в процессе регистрации сигналов АЭ выполнялась оценка скорости нарастания переднего фронта (рис. 1а). Для этого устанавливались три пороговых уровня, которые находились экспериментально. Первый пороговый уровень и0 устанавливался выше уровня шумов, второй пороговый уровень и1 не превышал максимального значения быст-
Людмила Николаевна Степанова, доктор техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Электротехника, диагностика, сертификация» Сибирского государственного университета путей сообщения. Тел. (8-383) 328-05-59. E-mail: stepanova@stu.ru
Илья Сергеевич Рамазанов, инженер Сибирского НИИ авиации им. С.А. Чаплыгина. Тел. (8-383) 278-70-31.
Сергей Иванович Кабанов, канд. техн. наук, ведущий инженер Сибирского НИИ авиации им. С.А. Чаплыгина. Тел. (8-383) 278-70-31.
Евгений Юрьевич Лебедев, ведущий инженер Сибирского НИИ авиации имени С.А. Чаплыгина. Тел. (8-383) 278-70-31.
Кирилл Владимирович Канифадин, аспирант кафедры «Электротехника, диагностика, сертификация» Сибирского государственного университета путей сообщения. Тел. (8-383) 328-05-11.
рой моды сигнала АЭ. Третий пороговый уровень и2 выбирался выше уровня быстрой моды, но ниже уровня медленной моды. Установка трех пороговых уровней позволяла разбивать передний фронт огибающей сигнала АЭ на два участка, на которых затем вычислялись скорости нарастания.
N
Г
Теоретическое распределение
Ax1
А*2 х, м
* " Длина сварного шва
Рис. 1. Установка трех порогов селекции и определение скорости нарастания переднего фронта (я); распределение числа сигналов АЭ вдоль сварного шва (•).
Такой метод определения параметров сигнала АЭ требует минимального количества вычислений. Поэтому при выполнении кластеризации после окончания регистрации сигналов АЭ возможен выбор оптимального соотношения параметров иъ и2 методом простого итеративного перебора. При расчетах суммарное время выполнения всех вариантов кластеризации не превышало десятков секунд на массиве из нескольких ты-
я
0
сяч событий АЭ. Это значительно меньше времени, затрачиваемого на кластеризацию по форме сигнала.
Критерием качества работы метода кластеризации при разных значениях параметров считается количество сигналов, не вошедших ни в один кластер, то есть оставшихся в нулевом кластере. Чем меньше сигналов в нулевом кластере, тем ближе к оптимальным будут значения численных параметров кластеризации.
ПАЭ 3
ПАЭ 0 ПАЭ 3
а Кластер 9 ё Кластер 10 ( 5
Кластер 3 К Кластер 2 Кластер 6 & Кластер 11
/ Кластер 1 Кластер 5
Кластер 8 Л Кластер 4 р Кластер 7
ПАЭ 2
Кластер 5
ПАЭ 0
• Кластер 3 Кластер 3 5
Г ^ \ Кластер 2 <5£>
+ Кластер 4
" ч Кластер 0 Кластер 1
ПАЭ 1 ПАЭ 2
ПАЭ 1
Рис. 2. Кластеризация сигналов АЭ по форме на листе с имитатором (а); кластеризация на листе с имитатором сигналов АЭ по скорости нарастания переднего фронта (•).
В качестве трех примеров рассмотрим кластеризацию сигналов АЭ, полученную при работе на стальном листе с имитатором, при проведении статического нагружения образца из дюралюминия с надпилом, при АЭ-контроле сварки стальных образцов.
На рис. 2а показаны результаты кластеризации по форме сигналов АЭ от имитатора на стальном листе. Результаты получены для мини-
мального числа событий АЭ в нулевом кластере при порогах ипор1 = 200 мВ, ипор2 = 900 мВ. Кластеризация по форме, как на рис. 2а, позволила выделить 11 кластеров, соответствующих различным положениям датчика имитатора, работающего в режиме обратного пьезоэффекта. На рис. 26 приведены результаты кластеризации по скорости нарастания переднего фронта огибающей сигналов АЭ.
Кластеризация по форме позволила выделить кластеры и точно локализовать сигналы по координатам датчика имитатора. Кластеризация по скорости нарастания переднего фронта, приведенная на рис. 26, показала, что в кластер 3 попали кластеры по форме 9, 2, 3, 11, а в кластере 5 оказались кластеры по форме 10 и 4 и т. д. Как видно из результатов, показанных на рис. 2а,б, кластеризация по скорости нарастания переднего фронта сигналов АЭ уступает кластеризации по форме в «разрешающей способности». Кластеризация по форме выполнялась в течение нескольких минут, а для кластеризации по скорости нарастания переднего фронта потребовалось меньше секунды.
а
Рис. 3. Сигналы АЭ, локализованные при статическом нагружении дюралюминиевого образца с пропилом (а); вид кластеров, полученных по скорости нарастания переднего
фронта (•).
На рис. 3а приведены локализация сигналов АЭ, зарегистрированных АЭ-системой СЦАД-16.10 [6] при статическом нагружении образца из дюралюминия с пропилом в центральной части, и вид кластеров (рис. 36), полученных по скорости нарастания переднего фронта. Как видно из рис. 36, локализация сигналов в кластерах соответствует различным стадиям подрастания усталостной трещины.
Более подробно рассмотрим пример кластеризации сигналов АЭ (рис. 1а), зарегистрированных в процессе остывания сварного шва. Вначале проводили построение распределения суммарного счета сигналов АЭ вдоль сварного шва (рис. 16), после чего выполняли кластеризацию сигналов АЭ по скорости нарастания переднего фронта огибающей.
Для построения распределения сигналов сварной шов разбивался на К участков, число которых выбиралось в зависимости от объема выборки. Затем находился суммарный счет N сигналов АЭ, зарегистрированных на каждом из К участков, и строилась гистограмма распределения.
Расчет формы теоретического распределения суммарного счета производился исходя из предположения о том, что для сварного соединения, не содержащего дефектов (неоднородностей), количество источников сигналов АЭ на любом участке сварного шва будет одинаковым с точностью до случайных вариаций. Источники сигналов будут равномерно распределены вдоль сварного шва и описываются соотношением вида [1]
|1/ Ь, а е( Хнач, X кон) 8{а) - [0, а фнач, Xкон У
где хнач, хкон — координаты начала и конца сварного шва; Ь — длина сварного шва; g(a) — функция плотности равномерного закона распределения; а — координата источника сигнала АЭ.
Для произвольно зарегистрированного сигнала АЭ точка его локализации с учетом погрешности будет отображаться как
х е (а - Дх, а + Дх),
где х — координата точки локализации; Дх — погрешность локализации вдоль сварного шва.
Совместная плотность распределения /совм (х, а) координат источника сигнала АЭ и его точки локализации запишется в виде [1]
/совм (х, а) - /уСЛ (х!а^(а),
где /усл (х1а) — условная плотность распределения координаты точки локализации при заданном местоположении источника сигналов АЭ с учетом погрешности.
Чтобы получить теоретическую функцию плотности распределения точек локализации /(х) сигналов АЭ вдоль сварного шва, не содержащего дефектов, осуществлялось интегрирование совместной плотности распределения /совм (х, а) по параметру а
-^кон
/(х) - | /усл (х I а^(а)йа = 1/Ь | /уСЛ (х I а)йа.
В качестве закона распределения величины ошибки локализации использовалась треугольная функция вида (рис. 4)
/уСЛ (х1а) - 4
1
-(х - а + Дх), х е(а - Дх, а)
(Дх)2
-1/(Дх)2 (х - а - Дх), х е(а, а + Дх) 0, х ё(а - Дх, а + Дх).
(1)
х
Функция (1) достигает максимума при х - а и линейно убывает по мере увеличения расстояния 1х - а1, а ее подынтегральная площадь равна единице. Она удовлетворяет ограничениям, которым должна подчинять-
ся функция распределения, и используется для вероятностной оценки погрешности локализации источника сигнала АЭ.
Параметр Ах, определяющий предельное допустимое значение отклонения точки локализации от положения источника сигналов АЭ, зависит от множества параметров (погрешностей определения времен прихода сигналов на акустические преобразователи, скорости распространения сигнала АЭ, погрешности измерения этой скорости и т. д.). Для пьезоан-тенны произвольной формы вид
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.