基于聲發射信號的風機葉片裂紋定位分析
0 引言
風能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視。風電設備日益增多，在風機運轉過程中，葉片經常出現大量裂紋，若裂紋過大會影響風機的整體運行。因此能夠實時監測風機葉片的狀態，尤其是及時有效的監測風機葉片裂紋的位置及大小對保證風機設備的可靠運行有重要的實際意義。目前存在的風機葉片檢驗方法主要有：靜態檢驗，疲勞檢驗，模型分析等，而這些方法并不成熟，檢測的準確度不高。聲發射信號檢測識別技術作為一種新型動態檢測技術已被廣泛應用于設備的無損檢測等領域，本文構建了風機葉片的模型，討論了聲發射信號的無線采集，并對聲發射信號進行分析及特征提取，將聲發射信號檢測技術用于風機葉片裂紋的監測，并基于小波分析有效地識別裂紋的位置以及強度，提高了檢測的精度。
1 聲發射檢測技術
來自于材料或構件在應力超過屈服極限進入不可逆塑性變形階段而產生的彈性應力波在構件介質中傳播和擴散的現象稱為聲發射(acoustic emission，ae)。利用聲發射現象的特點，用電子學方法接收發射出來的應力波，根據信號特征，進行處理和分析以判斷裂變的發生進而推斷發射源的缺陷位置的技術稱為聲發射技術。由于聲發射信號來自裂紋本身，因此研究裂紋所產生的聲發射信號的特點便可以分析裂紋所處的位置以及其損傷程度。
任何物體受到外力作用都會發生形變，超過一定限度便產生裂紋以至斷裂。聲發射產生的機制是由外部作用(如應力、溫度、磁場、化學腐蝕等)引起的內部結構變化導致材料中的一部分能量以彈性波的形式釋放出來。聲發射檢測的過程可以概括為：生源產生的彈性波在介質中傳播，到達材料表面后引起表面振動，安裝在材料表面的振動信號經過傳感器接收轉換為電信號，后經前置信號放大器放大、再由聲發射采集卡接收轉換為數字信號送入計算機進行信號存儲于處理，經過對數據的分析判斷聲發射源的位置和特性。
2 風機葉片的傳感器配置
2．1風機葉片的傳感器配置
根據風機葉片的結構特征和材料性質以及定位的方法，葉片上的傳感器的配置方式主要有以下兩種：
(1)線性定位
風機葉片的長度和半徑之比非常大，因此，可在風機葉片上放置兩個傳感器，采用線性定位方式。如圖1(a)所示。設兩個傳感器的坐標分別為s1(x1，y1)、s2(x2，y2)，(其中，y1=y2，若為方便定位圖顯示，可自行確定一個大于0的值)。
(2)平面定位
若需要將風機葉片的裂紋檢測在一個平面上進行，則需要選擇時差平面定位。如圖1（b）所示。根據兩兩不同的傳感器可確定不同的雙曲線，其交點就是裂紋源的位置。為方便計算，通常將其中兩個傳感器所在直線作為x軸。由于配置3個傳感器后，有時在求解雙曲線交點會得到兩個解，即一個真實的裂紋源和一個偽裂紋源，因此，需要增加一個約束條件來判斷哪一個是真實的裂紋源，即再增加一個傳感器，用4個傳感器進行平面定位。
圖1 傳感器配置方式
在放置傳感器的時候，要考慮以下幾個要素：
(1)傳感器位置。在ae檢測中，傳感器的尺寸基本不影響定位精度，但是，若傳感器覆蓋了很大的區域，則會嚴重影響裂紋源的精度。因此，因盡量將傳感器布置成規則的形狀，在安放時也盡可能準確。
(2)誤差分析。各種因素都可能引起誤差，為減少這種定位誤差，在正式安放傳感器之前，應對被檢測物體的聲波衰減特性進行實際測量，進行模擬信號的定位仿真，以確定適宜的傳感器的間距。
2．2聲發射信號無線采集
數據采集模塊將安裝在葉片上的傳感器采集到的聲發射等信號，送入機艙中的數據采集單元(wtsrtii)，每個數據采集單元都是獨立的。
如圖2所示，將采集到的聲發射信號進行特征參數提取，由光纖路由器將各特征值存入數據庫服務器，控制室里的pc監測軟件對數據進行深入分析，長期監測，狀態評估，故障診斷，并自動存儲機組狀態報告、有故障時的監測數據等，供用戶隨時進行查看。
圖3為標準ae信號簡化波形參數的定義。其中各參數的特點及計算方法如表1所示。
圖2 數據采集結構簡圖
圖3 聲發射信號
表1 ae信號參數
3 裂紋位置定位和強度識別
3．1定位計算基本原理及過程
3．1．1時差線性定位
確定兩個傳感器的坐標s1(x1=1，y1=1)、s2(x2，y2=1）（y1=y2)；已知聲波在該風機葉片材料中的速度為v；ae信號到達兩個傳感器的時間不同，其時間差為△t，△t的值可通過以下算法得出：當ae信號到達個傳感器時，振幅超過閾值的時刻t1，到達第二個傳感器時，振幅超過閾值的時刻心，并由振鈴計數分析可得兩個傳感器接收到聲發射信號屬于同一ae源，因此，時差△t=t2-t1。然后，通過下列公式便可得出裂紋的位置。
時差線性定位仿真圖如圖4(a)所示。s(x，y)即為裂紋源的位置。此方法具有一定的局限性，若裂紋源不在兩個傳感器的連線之間就不能使用此方法。
圖4 兩種方式的定位結果
3．1．2 時差平面定位
一般情況下，風機葉片上的裂紋檢測在是在一個平面上進行，因此需要選擇時差平面定位啪。已知聲波在該風機葉片材料中的速度為v，根據線性定位求時間差的原理得到ae信號到達各傳感器之間的時間差。由于聲發射信號到達各傳感器的時間不同，在聲波傳播的過程中頻率存在衰減的現象，因此，需要引進一個衰減因子a進行補償。根據兩個不同的傳感器可確定兩條不同的雙曲線，在圖形中顯示，其交點即為ae源位置，為方便計算，通常將其中兩個傳感器所在直線作為x軸，即s1(0，0)，s2(x2，0)，s3(x3，y3)。算法如下
其中，裂紋源坐標為z(x，y)；式(4)由傳感器s1和s2確定，式(5)由傳感器s1和s3確定；△t=t1-t2表示信號到達sl和s2的時間差：at=t3-tl表示信號道道s3和s2的時間差。
用任意三角形傳感器進行平面裂紋源定位，求解式(4)和(5)，有時得到雙曲線的兩個焦點，即一個真實的ae源和一個偽ae源。此時，需采用4個傳感器進行平面定位，相當于增加了一個約束條件，則只得到一個真實的ae源。算法如下
其中，d為s1和s3間距：d為s2和s4間距；波速為v；△t1為s1和s3間的時差；△t2為s2和s4間的時差。
時差平面定位仿真圖如圖4(b)所示。在平面定位中，傳感器陣列可任意選擇，但為運算簡單，常采用簡單陣列形式，如三角形。就原理而言，波源的位置均為兩組或三組雙曲線的交點所確定。
3．1．3基于小波分析的定位方法與實現
雖然在時差平面定位中考慮到了聲波的衰減并引進了一個衰減因子，但衰減因子不能根據衰減的程度進行實時調整，因此還是存在一定的誤差。本文提出利用小波分析技術實現了改進的ae源定位方法，對不同頻率范圍衰減程度不同的信號波形給予一定的補償，然后實現ae源定位，能有效地減小定位誤差。其實現流程圖如圖5所示。
小波分析在分析信號頻率成分時采用基小波，其基本思想是用一族函數去表示或者逼近一個信號或函數。假設ae信號f(t)∈l²(r)(l²(r)表示能量有限的信號空間)，若能找到ψ（t）∈l²(r)，
有：
其中j,k∈z，2j是頻率，k是采樣步長。ψjk（t）是基小波。可以看出
可由單個小波函數ψ（t）通過一個二進膨脹(即2j)和一個k／2j的二進移位得到。
圖5 方法實現流程
由此可知，基小波ψ（t）的二進膨脹和二進移位足以表示l²(r)中所有函數，則小波級數為
小波系數cjk由
給出，即定義在l²(r)上的一個積分變換wf，稱為關于基小波ψ的積分小波變化，即
其重構公式為
實際中所有的ae過程均為突發過程。因而在對ae信號進行處理時，必須將連續小波加以離散化。將a，b離散化
則對應的離散小波函數為
離散化小波變換系數為
其重構公式為
其中c是一個與信號無關的常數。
離散化的小波對信號作j層分解，則它在第j層所形成的頻域部分是把0-fmax均分為
共2j份。如果原始信號s的長度為2，采樣頻率為f，則分解層數n應小于l，第n層每個序列的帶寬為
在對某一頻率段內的信號進行補償時，由于實際結構中ae波的衰減機制很復雜，衰減曲線很難用理論計算，可根據對風機葉片材料的大量試驗數據測得的幅值．距離．頻率曲線來進行分析。按照聲波的傳播距離和所分析的頻段計算出衰減的幅值，對衰減信號在不同的頻率段內做出有效地補償。對信號進行補償衰減后實行對小波的重構，然后再利用時差定位的方法對聲發射源進行定位分析。
將此定位方法應用到風機葉片裂紋定位模擬試驗中，其中一個通道的信號經小波分解并結合頻譜分析的結果與根據所測得的衰減曲線對信號進行補償衰減處理后實行小波重構的結果如圖6所示。
圖6 原始信號與小波包重構波形
3．2裂紋強度識別
確定出聲發射源的大致位置后，還要對裂紋的嚴重程度進行分析。裂紋的擴展是能量積累到一定程度的結果。正因為能量的不斷累積增大導致裂紋擴散，從而產生劇烈的聲發射信號。計算能量的方法是計算由故障能量包絡線和時間軸圍成的面積，即為在有限的時間軸上對能量包絡線進行積分。但是，由于能量包絡線是一條不規則的連續曲線，不能夠對其進行精確的積分，只能利用積分的定義，采用固定的短時間段為單位，將包絡線轉化成近似的直線，再進行積分和相加。
將有效時間軸分成n個小區間，它們的長度依次為△x1，△x2，⋯，△x，則
對winae軟件中的3個聲發射信號的數據文件進行分別進行仿真及編程計算，結果如表2所示。
表2 能量結果比較
3．3仿真結果分析
對4個通道采用同樣的分析。表3為ae源的精確位置，采用衰減補償與文中傳統方法實現的定位結果。通過比較分析可知，利用小波包分析定位對減小ae源的定位誤差是有效的，能較大地提高定位精度。
傳統方法在實現定位時，原理簡單，便于快速判斷裂紋的大體位置，精確度較差。對于3個傳感器組成的定位模式，通過解雙曲線方程組可能會得到兩個ae定位源，一個真實的和一個偽的。為避免此類情況，可以采用增加第4個傳感器來識別。而基于小波包分析的ae源定位方法，對不同頻率范圍衰減程度不同的信號波形給予一定的補償，有效地減小定位誤差。
表3 定位結果比較
4 結束語
葉片作為風機的系統的重要組成部件，監測其運行狀態并進行預知維修非常重要，而聲發射信號能夠很好的表征葉片的狀態特征，充分探討了聲發射信號的特征提取方法，對已有風機葉片裂紋定位及識別方法進行了仿真，改進了基于小波分析的裂紋能量和定位的方法，討論了葉片傳感器配置方案，并搭建了信號無線采集和傳輸系統試驗平臺，驗證了基于小波分析的多傳感器信號綜合裂紋能量定位方法與傳統的線性定位和平面的定位方法進行比較，提高了定位精度。
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1 聲發射檢測技術
來自于材料或構件在應力超過屈服極限進入不可逆塑性變形階段而產生的彈性應力波在構件介質中傳播和擴散的現象稱為聲發射(acoustic emission，ae)。利用聲發射現象的特點，用電子學方法接收發射出來的應力波，根據信號特征，進行處理和分析以判斷裂變的發生進而推斷發射源的缺陷位置的技術稱為聲發射技術。由于聲發射信號來自裂紋本身，因此研究裂紋所產生的聲發射信號的特點便可以分析裂紋所處的位置以及其損傷程度。
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2 風機葉片的傳感器配置
2．1風機葉片的傳感器配置
根據風機葉片的結構特征和材料性質以及定位的方法，葉片上的傳感器的配置方式主要有以下兩種：
(1)線性定位
風機葉片的長度和半徑之比非常大，因此，可在風機葉片上放置兩個傳感器，采用線性定位方式。如圖1(a)所示。設兩個傳感器的坐標分別為s1(x1，y1)、s2(x2，y2)，(其中，y1=y2，若為方便定位圖顯示，可自行確定一個大于0的值)。
(2)平面定位
若需要將風機葉片的裂紋檢測在一個平面上進行，則需要選擇時差平面定位。如圖1（b）所示。根據兩兩不同的傳感器可確定不同的雙曲線，其交點就是裂紋源的位置。為方便計算，通常將其中兩個傳感器所在直線作為x軸。由于配置3個傳感器后，有時在求解雙曲線交點會得到兩個解，即一個真實的裂紋源和一個偽裂紋源，因此，需要增加一個約束條件來判斷哪一個是真實的裂紋源，即再增加一個傳感器，用4個傳感器進行平面定位。
圖1 傳感器配置方式
在放置傳感器的時候，要考慮以下幾個要素：
(1)傳感器位置。在ae檢測中，傳感器的尺寸基本不影響定位精度，但是，若傳感器覆蓋了很大的區域，則會嚴重影響裂紋源的精度。因此，因盡量將傳感器布置成規則的形狀，在安放時也盡可能準確。
(2)誤差分析。各種因素都可能引起誤差，為減少這種定位誤差，在正式安放傳感器之前，應對被檢測物體的聲波衰減特性進行實際測量，進行模擬信號的定位仿真，以確定適宜的傳感器的間距。
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數據采集模塊將安裝在葉片上的傳感器采集到的聲發射等信號，送入機艙中的數據采集單元(wtsrtii)，每個數據采集單元都是獨立的。
如圖2所示，將采集到的聲發射信號進行特征參數提取，由光纖路由器將各特征值存入數據庫服務器，控制室里的pc監測軟件對數據進行深入分析，長期監測，狀態評估，故障診斷，并自動存儲機組狀態報告、有故障時的監測數據等，供用戶隨時進行查看。
圖3為標準ae信號簡化波形參數的定義。其中各參數的特點及計算方法如表1所示。
圖2 數據采集結構簡圖
圖3 聲發射信號
表1 ae信號參數
3 裂紋位置定位和強度識別
3．1定位計算基本原理及過程
3．1．1時差線性定位
確定兩個傳感器的坐標s1(x1=1，y1=1)、s2(x2，y2=1）（y1=y2)；已知聲波在該風機葉片材料中的速度為v；ae信號到達兩個傳感器的時間不同，其時間差為△t，△t的值可通過以下算法得出：當ae信號到達個傳感器時，振幅超過閾值的時刻t1，到達第二個傳感器時，振幅超過閾值的時刻心，并由振鈴計數分析可得兩個傳感器接收到聲發射信號屬于同一ae源，因此，時差△t=t2-t1。然后，通過下列公式便可得出裂紋的位置。
時差線性定位仿真圖如圖4(a)所示。s(x，y)即為裂紋源的位置。此方法具有一定的局限性，若裂紋源不在兩個傳感器的連線之間就不能使用此方法。
圖4 兩種方式的定位結果
3．1．2 時差平面定位
一般情況下，風機葉片上的裂紋檢測在是在一個平面上進行，因此需要選擇時差平面定位啪。已知聲波在該風機葉片材料中的速度為v，根據線性定位求時間差的原理得到ae信號到達各傳感器之間的時間差。由于聲發射信號到達各傳感器的時間不同，在聲波傳播的過程中頻率存在衰減的現象，因此，需要引進一個衰減因子a進行補償。根據兩個不同的傳感器可確定兩條不同的雙曲線，在圖形中顯示，其交點即為ae源位置，為方便計算，通常將其中兩個傳感器所在直線作為x軸，即s1(0，0)，s2(x2，0)，s3(x3，y3)。算法如下
其中，裂紋源坐標為z(x，y)；式(4)由傳感器s1和s2確定，式(5)由傳感器s1和s3確定；△t=t1-t2表示信號到達sl和s2的時間差：at=t3-tl表示信號道道s3和s2的時間差。
用任意三角形傳感器進行平面裂紋源定位，求解式(4)和(5)，有時得到雙曲線的兩個焦點，即一個真實的ae源和一個偽ae源。此時，需采用4個傳感器進行平面定位，相當于增加了一個約束條件，則只得到一個真實的ae源。算法如下
其中，d為s1和s3間距：d為s2和s4間距；波速為v；△t1為s1和s3間的時差；△t2為s2和s4間的時差。
時差平面定位仿真圖如圖4(b)所示。在平面定位中，傳感器陣列可任意選擇，但為運算簡單，常采用簡單陣列形式，如三角形。就原理而言，波源的位置均為兩組或三組雙曲線的交點所確定。
3．1．3基于小波分析的定位方法與實現
雖然在時差平面定位中考慮到了聲波的衰減并引進了一個衰減因子，但衰減因子不能根據衰減的程度進行實時調整，因此還是存在一定的誤差。本文提出利用小波分析技術實現了改進的ae源定位方法，對不同頻率范圍衰減程度不同的信號波形給予一定的補償，然后實現ae源定位，能有效地減小定位誤差。其實現流程圖如圖5所示。
小波分析在分析信號頻率成分時采用基小波，其基本思想是用一族函數去表示或者逼近一個信號或函數。假設ae信號f(t)∈l²(r)(l²(r)表示能量有限的信號空間)，若能找到ψ（t）∈l²(r)，
有：
其中j,k∈z，2j是頻率，k是采樣步長。ψjk（t）是基小波。可以看出
可由單個小波函數ψ（t）通過一個二進膨脹(即2j)和一個k／2j的二進移位得到。
圖5 方法實現流程
由此可知，基小波ψ（t）的二進膨脹和二進移位足以表示l²(r)中所有函數，則小波級數為
小波系數cjk由
給出，即定義在l²(r)上的一個積分變換wf，稱為關于基小波ψ的積分小波變化，即
其重構公式為
實際中所有的ae過程均為突發過程。因而在對ae信號進行處理時，必須將連續小波加以離散化。將a，b離散化
則對應的離散小波函數為
離散化小波變換系數為
其重構公式為
其中c是一個與信號無關的常數。
離散化的小波對信號作j層分解，則它在第j層所形成的頻域部分是把0-fmax均分為
共2j份。如果原始信號s的長度為2，采樣頻率為f，則分解層數n應小于l，第n層每個序列的帶寬為
在對某一頻率段內的信號進行補償時，由于實際結構中ae波的衰減機制很復雜，衰減曲線很難用理論計算，可根據對風機葉片材料的大量試驗數據測得的幅值．距離．頻率曲線來進行分析。按照聲波的傳播距離和所分析的頻段計算出衰減的幅值，對衰減信號在不同的頻率段內做出有效地補償。對信號進行補償衰減后實行對小波的重構，然后再利用時差定位的方法對聲發射源進行定位分析。
將此定位方法應用到風機葉片裂紋定位模擬試驗中，其中一個通道的信號經小波分解并結合頻譜分析的結果與根據所測得的衰減曲線對信號進行補償衰減處理后實行小波重構的結果如圖6所示。
圖6 原始信號與小波包重構波形
3．2裂紋強度識別
確定出聲發射源的大致位置后，還要對裂紋的嚴重程度進行分析。裂紋的擴展是能量積累到一定程度的結果。正因為能量的不斷累積增大導致裂紋擴散，從而產生劇烈的聲發射信號。計算能量的方法是計算由故障能量包絡線和時間軸圍成的面積，即為在有限的時間軸上對能量包絡線進行積分。但是，由于能量包絡線是一條不規則的連續曲線，不能夠對其進行精確的積分，只能利用積分的定義，采用固定的短時間段為單位，將包絡線轉化成近似的直線，再進行積分和相加。
將有效時間軸分成n個小區間，它們的長度依次為△x1，△x2，⋯，△x，則
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表2 能量結果比較
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傳統方法在實現定位時，原理簡單，便于快速判斷裂紋的大體位置，精確度較差。對于3個傳感器組成的定位模式，通過解雙曲線方程組可能會得到兩個ae定位源，一個真實的和一個偽的。為避免此類情況，可以采用增加第4個傳感器來識別。而基于小波包分析的ae源定位方法，對不同頻率范圍衰減程度不同的信號波形給予一定的補償，有效地減小定位誤差。
表3 定位結果比較
4 結束語
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