專利名稱：基于聲發(fā)射的空蝕檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種直接檢測(cè)空蝕的方法，具體地說，涉及一種基于聲發(fā)射技術(shù)的檢測(cè)空蝕的方法。
背景技術(shù)：
液體在局部壓強(qiáng)足夠低時(shí)會(huì)產(chǎn)生空泡；空泡潰滅時(shí)對(duì)固體材料表面造成損傷的過程叫做空蝕。空蝕是流體機(jī)械常見的破壞形式輕微空蝕使材料表面失去光澤生成麻點(diǎn)；嚴(yán)重空蝕使材料變得疏松甚至脫落，影響流體機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)。首先為避免劇烈空蝕， 需要監(jiān)測(cè)空蝕的發(fā)生狀況，調(diào)整水力機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)；其次為避免嚴(yán)重空蝕現(xiàn)象，需在其發(fā)生前對(duì)流體機(jī)械表面進(jìn)行補(bǔ)修，要合理確定補(bǔ)修時(shí)間以得到最大經(jīng)濟(jì)效益；需要檢測(cè)空蝕以監(jiān)測(cè)空蝕程度。目前，空蝕狀態(tài)監(jiān)測(cè)研究已經(jīng)受到了重視，常見的空蝕監(jiān)測(cè)方法通過對(duì)噪聲和結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)空化現(xiàn)象以及其它物理量間接監(jiān)測(cè)空蝕，例如中國(guó)發(fā)明專利說明書 ZL 02131333.4 “水輪機(jī)的空化和空蝕破壞的在線監(jiān)測(cè)方法及診斷裝置”提供的一種通過監(jiān)測(cè)流體機(jī)械的空化系數(shù)、流道中的壓力脈動(dòng)、流體機(jī)械的能量特性、工作水頭等方法間接監(jiān)測(cè)空蝕，文獻(xiàn)“水輪機(jī)空蝕在線監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)”(來源水利水電技術(shù)，2002，33 (7) 17-20)使用壓力脈動(dòng)、效率和空化噪聲間接監(jiān)測(cè)空蝕，和文獻(xiàn)“Cavitations monitoring and diagnosis of hydropower turbine online based on vibration and ultrasound acoustic，，(來源-Proceedings of the Sixth International Conference on Machine Learning and Cybernetics, 2007 =19-22)使用空化導(dǎo)致的振動(dòng)和超聲對(duì)監(jiān)測(cè)空化以間接監(jiān)測(cè)空蝕；但這些與空化相關(guān)的物理量與空蝕之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系并不清楚，因此以這些物理量為基礎(chǔ)的間接監(jiān)測(cè)方式難以準(zhǔn)確估計(jì)空蝕的狀態(tài)。為更好地監(jiān)測(cè)空蝕，需要找到一種對(duì)空蝕破壞直接檢測(cè)的技術(shù)手段。聲發(fā)射是材料中的局域源因在應(yīng)力作用下產(chǎn)生變形與裂紋擴(kuò)展等材料失效現(xiàn)象而快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象。聲發(fā)射技術(shù)通過使用傳感器采集聲發(fā)射信號(hào)可以對(duì)聲發(fā)射源變形與裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象進(jìn)行檢測(cè)，目前已在局部失效檢測(cè)方面取得了廣泛應(yīng)用，結(jié)果證實(shí)其對(duì)局部聲發(fā)射源的檢測(cè)靈敏度非常高?？瘴g是發(fā)生材料表面的一種材料局部失效現(xiàn)象，其發(fā)生時(shí)局部源也會(huì)快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波，因此可以使用聲發(fā)射技術(shù)檢測(cè)空蝕。由于聲發(fā)射為空蝕現(xiàn)象直接導(dǎo)致，所以通過提取出空蝕的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行處理可實(shí)現(xiàn)對(duì)空蝕的直接監(jiān)測(cè)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種使用聲發(fā)射技術(shù)直接檢測(cè)空蝕的信號(hào)處理方法，通過該方法建立聲發(fā)射參量與空蝕狀態(tài)間的相關(guān)關(guān)系，并判斷空蝕發(fā)展情況。
本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容如下
一種基于聲發(fā)射的空蝕檢測(cè)方法，包括以下步驟使用聲發(fā)射傳感器采集空蝕發(fā)展過程中單位時(shí)間長(zhǎng)度的聲發(fā)射信號(hào)；對(duì)采集的所述聲發(fā)射信號(hào)按照設(shè)定層數(shù)進(jìn)行小波分解得到小波系數(shù)，并得到所述小波系數(shù)所在的頻段與空蝕的相關(guān)程度，按照所述相關(guān)程度和設(shè)定層數(shù)對(duì)所述小波系數(shù)去噪；使用去噪后的所述小波系數(shù)進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)，得到重構(gòu)信號(hào)；設(shè)定所述重構(gòu)信號(hào)的參數(shù)估計(jì)閾值和計(jì)數(shù)時(shí)間間隔；計(jì)算所述重構(gòu)信號(hào)的聲發(fā)射事件數(shù)和聲發(fā)射事件平均能量；根據(jù)所述聲發(fā)射事件數(shù)和所述聲發(fā)射事件平均能量判斷空蝕發(fā)展過程中塑性變形和質(zhì)量損失情況。
進(jìn)一步，所述空蝕檢測(cè)方法還包括判斷所述小波系數(shù)是否處理完畢，是則使用處理后的所述小波系數(shù)進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)，否則選擇下一層所述小波系數(shù)，并判斷該層所述小波系數(shù)所在的頻段與空蝕的相關(guān)程度。
進(jìn)一步根據(jù)空蝕情況下采集得到的所述聲發(fā)射信號(hào)的譜估計(jì)判斷所述空蝕的相關(guān)程度。
進(jìn)一步判斷所述空蝕的相關(guān)程度的方式為觀察空蝕情況下的所述聲發(fā)射信號(hào)的功率譜隨空蝕改變而發(fā)生變化的情況；根據(jù)所述聲發(fā)射信號(hào)的功率譜的變化情況的明顯程度，判斷所述空蝕的相關(guān)程度。
進(jìn)一步所述小波系數(shù)的去噪方法為軟閾值去噪方法。
進(jìn)一步所述設(shè)定參數(shù)估計(jì)閾值的方法為將所述重構(gòu)信號(hào)的幅值按所述幅值的絕對(duì)值的大小分為比值為28的值。
進(jìn)一步所述設(shè)定的事件計(jì)數(shù)時(shí)間間隔為50μ S。
進(jìn)一步所述聲發(fā)射事件平均能量Ea =民/C，其中，
Et = Σ Ei,k
E1 =Y^xf ,'-J
C為所述聲發(fā)射事件數(shù)，Xi表示所述聲發(fā)射信號(hào)的幅值，j表示一個(gè)所述聲發(fā)射事件的開始點(diǎn)，k表示所述一個(gè)所述聲發(fā)射事件的結(jié)束點(diǎn)。
進(jìn)一步所述塑性變形活動(dòng)狀態(tài)根據(jù)空化發(fā)生介質(zhì)和所述聲發(fā)射事件數(shù)值來判斷，所述質(zhì)量損失活動(dòng)根據(jù)所述空化發(fā)生介質(zhì)和所述聲發(fā)射事件平均能量值來判斷。
本發(fā)明的技術(shù)效果如下
使用聲發(fā)射傳感器采集了因空蝕造成的聲發(fā)射信息的信號(hào)，針對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的特點(diǎn)進(jìn)行去噪，并使用了簡(jiǎn)單的估計(jì)參數(shù)分別表征空蝕過程中的塑性變形與質(zhì)量損失的發(fā)展情況。


圖1為本發(fā)明的基于聲發(fā)射的空蝕檢測(cè)方法的處理流程圖2為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的空蝕聲發(fā)射檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖3為本發(fā)明的不同空蝕情況下采集的聲發(fā)射信號(hào)的譜估計(jì)圖4為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的去噪原理圖5為本發(fā)明的事件計(jì)數(shù)的趨勢(shì)圖6為本發(fā)明的事件平均能量的趨勢(shì)圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
如圖1所示，是本發(fā)明的基于聲發(fā)射的空蝕檢測(cè)方法的處理流程圖。
在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例中，在空蝕檢測(cè)過程中，首先需要利用聲發(fā)射傳感器對(duì)空蝕過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，獲得包含有由空蝕造成的聲發(fā)射的信號(hào)。獲得包含有由空蝕造成的聲發(fā)射的信號(hào)后，采用本發(fā)明的基于聲發(fā)射的空蝕檢測(cè)方法對(duì)空蝕進(jìn)行檢測(cè)。
步驟101 使用聲發(fā)射傳感器采集空蝕發(fā)展過程中單位時(shí)間長(zhǎng)度的聲發(fā)射信號(hào)， 具體過程如下
1)如圖2所示，是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的空蝕聲發(fā)射檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖。選用自來水4為空化發(fā)生介質(zhì)，在容積為5L的容器5中盛4. 5L左右的自來水4 ；調(diào)節(jié)超聲輸出端1進(jìn)入水中的深度為10-15mm ；將聲發(fā)射傳感器3安裝在試樣2下，每隔5分鐘采集一次131070點(diǎn)信號(hào)，采集6個(gè)小時(shí)。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，試樣表面依次經(jīng)歷了空蝕的孕育期、加速期、 最大空蝕速率期、穩(wěn)定期。各期的主要特點(diǎn)為孕育期材料塑性變形快，而且在孕育期前期材料質(zhì)量損失也較快，但后期質(zhì)量損失慢；加速期材料塑性變形減慢，質(zhì)量損失增快 ’最大空蝕速率期材料塑性變形慢，質(zhì)量損失快；穩(wěn)定期材料塑性變形較大，質(zhì)量損失較小。
2)取出225minJ65min、295min、360min時(shí)的信號(hào)，分別代表在孕育期后期、加速期、最大空蝕速率期和穩(wěn)定期的空蝕信號(hào)；對(duì)信號(hào)使用最大熵譜模型法(AR法)進(jìn)行譜估計(jì)，得到功率譜圖。如圖3所示，是本發(fā)明的不同空蝕情況下采集的聲發(fā)射信號(hào)的譜估計(jì)圖。從中可以看到與空蝕相關(guān)性高的頻段在IOOkHz以上。
步驟102 對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行小波分解。
步驟103 選擇一層小波系數(shù)，具體過程如下
如圖4所示，是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的去噪原理圖。選擇一個(gè)信號(hào)S，對(duì)其進(jìn)行4 層小波分解。首先將信號(hào)S分解為cAl和cDl，接著將cAl分解為cA2和cD2，然后將cA2分解為cA3和cD3，最后將cA3分解為cA4和cD4。最終將信號(hào)S劃分為5個(gè)頻段，即按頻率范圍由低到高分別為cA4、cD4、cD3、cD2和cDl，其頻率范圍分別約為0_6;3kHz、63-125kHz、 125-250kHz、250-500kHz、500-1000kHz。
步驟104 :判斷各層小波系數(shù)所在頻段與空蝕的相關(guān)程度。本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例中的判斷依據(jù)是根據(jù)不同空蝕情況下的聲發(fā)射信號(hào)的功率譜隨空蝕改變而發(fā)生變化的情況，如果功率譜的變化情況越明顯，則該頻段的相關(guān)程度越高。
步驟105 將空蝕相關(guān)性低的cA4和cD4小波系數(shù)歸零。
步驟106 將空蝕相關(guān)性高的cD3、cD2和cDl小波系數(shù)進(jìn)行去噪處理。本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例中將空蝕相關(guān)性高的小波系數(shù)按默認(rèn)閾值進(jìn)行軟閾值去噪處理，其中，默認(rèn)閾值為cj」2\ogN，ο為信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差，N為該層小波系數(shù)長(zhǎng)度；得到去噪后的cD3’、cD2’和cDl’ 小波系數(shù)。
步驟107 判斷所有的小波系數(shù)是否處理完畢，是則進(jìn)入步驟109，否則轉(zhuǎn)入步驟 108選擇下一層小波系數(shù)，并進(jìn)入步驟104。
步驟109 使用去噪后的各層小波系數(shù)重構(gòu)信號(hào)，得到重構(gòu)信號(hào)S’。
步驟110 設(shè)定參數(shù)估計(jì)的閾值，即將所有重構(gòu)信號(hào)S’的幅值按其幅值的絕對(duì)值的大小分為2 8的值；設(shè)定事件計(jì)數(shù)時(shí)間間隔為50 μ S。
步驟111 獲得事件計(jì)數(shù)。事件數(shù)采用常用的聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)估計(jì)方法得到。
步驟112 獲得事件平均能量。
事件平均能量Ea的計(jì)算方式如下，
Ea = Et/C
Et = Σ Ei
其中，C為事件計(jì)數(shù)，Et為所述聲發(fā)射事件總能量，k
Ei=YjXfi=J
其中，Ei表示一個(gè)聲發(fā)射事件i的能量，Xi表示聲發(fā)射信號(hào)的幅值，j表示一個(gè)聲發(fā)射事件的開始點(diǎn)，k表示一個(gè)聲發(fā)射事件的結(jié)束點(diǎn)。
步驟113 基于聲發(fā)射的空蝕檢測(cè)過程結(jié)束。
如圖5所示，是本發(fā)明的事件計(jì)數(shù)的趨勢(shì)圖，其中以時(shí)間為橫坐標(biāo)，以各個(gè)時(shí)間處參數(shù)估計(jì)處理后得到的事件計(jì)數(shù)為縱坐標(biāo)。從圖5中可以看到，事件計(jì)數(shù)值在孕育期 (0-230min)中持續(xù)輕微增大，在加速期O30-280min)中持續(xù)急劇減小，在最大空蝕速率期 (280min-325min)中維持很小，并在穩(wěn)定期(330-360min)中回到一個(gè)較大的數(shù)值。
如圖6所示，是本發(fā)明的事件平均能量的趨勢(shì)圖，其中以時(shí)間為橫坐標(biāo)，以各個(gè)時(shí)間處參數(shù)估計(jì)得到的事件平均能量為縱坐標(biāo)。從圖6中可以看到，事件平均能量在孕育期前期(O-IOOmin)中較大，在孕育期后期(100-230min)事件平均能量逐漸減少，在加速期事件平均能量持續(xù)增大，在最大空蝕速率期事件平均能量值達(dá)到最大并維持在高的水平，在穩(wěn)定期事件平均能量值減少到一個(gè)較低的水平。
塑性變形活動(dòng)狀態(tài)根據(jù)空化發(fā)生介質(zhì)和聲發(fā)射事件數(shù)值來判斷，質(zhì)量損失活動(dòng)根據(jù)空化發(fā)生介質(zhì)和聲發(fā)射事件平均能量值來判斷。參考圖5、圖6并結(jié)合觀察到的現(xiàn)象，可以發(fā)現(xiàn)在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例中，事件數(shù)在220以上時(shí)塑性變形活動(dòng)越活躍，如發(fā)生在孕育期和衰減期的空蝕現(xiàn)象；事件平均能量在200以上時(shí)說明質(zhì)量損失活動(dòng)越活躍，如發(fā)生在加速期和最大空蝕速率期的空蝕現(xiàn)象；事件數(shù)在150以下且事件平均能量在120以下時(shí)說明塑性變形和質(zhì)量損失活動(dòng)均不活躍，如發(fā)生在穩(wěn)定期的空蝕現(xiàn)象。
權(quán)利要求
1.一種基于聲發(fā)射的空蝕檢測(cè)方法，包括以下步驟使用聲發(fā)射傳感器采集空蝕發(fā)展過程中單位時(shí)間長(zhǎng)度的聲發(fā)射信號(hào)；對(duì)采集的所述聲發(fā)射信號(hào)按照設(shè)定層數(shù)進(jìn)行小波分解得到小波系數(shù)，并得到所述小波系數(shù)所在的頻段與空蝕的相關(guān)程度，按照所述相關(guān)程度和設(shè)定層數(shù)對(duì)所述小波系數(shù)去噪；使用去噪后的所述小波系數(shù)進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)，得到重構(gòu)信號(hào)；設(shè)定所述重構(gòu)信號(hào)的參數(shù)估計(jì)閾值和計(jì)數(shù)時(shí)間間隔；計(jì)算所述重構(gòu)信號(hào)的聲發(fā)射事件數(shù)和聲發(fā)射事件平均能量；根據(jù)所述聲發(fā)射事件數(shù)和所述聲發(fā)射事件平均能量判斷空蝕發(fā)展過程中塑性變形和質(zhì)量損失情況。
2.如權(quán)利要求1所述的基于聲發(fā)射的空蝕檢測(cè)方法，其特征在于，所述空蝕檢測(cè)方法還包括判斷所述小波系數(shù)是否處理完畢，是則使用處理后的所述小波系數(shù)進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)， 否則選擇下一層所述小波系數(shù)，并判斷該層所述小波系數(shù)所在的頻段與空蝕的相關(guān)程度。
3.如權(quán)利要求1所述的基于聲發(fā)射的空蝕檢測(cè)方法，其特征在于根據(jù)空蝕情況下采集得到的所述聲發(fā)射信號(hào)的譜估計(jì)判斷所述空蝕的相關(guān)程度。
4.如權(quán)利要求3所述的基于聲發(fā)射的空蝕檢測(cè)方法，其特征在于判斷所述空蝕的相關(guān)程度的方式為觀察空蝕情況下的所述聲發(fā)射信號(hào)的功率譜隨空蝕改變而發(fā)生變化的情況；根據(jù)所述聲發(fā)射信號(hào)的功率譜的變化情況的明顯程度，判斷所述空蝕的相關(guān)程度。
5.如權(quán)利要求1所述的基于聲發(fā)射的空蝕檢測(cè)方法，其特征在于所述小波系數(shù)的去噪方法為軟閾值去噪方法。
6.如權(quán)利要求1所述的基于聲發(fā)射的空蝕檢測(cè)方法，其特征在于所述設(shè)定參數(shù)估計(jì)閾值的方法為將所述重構(gòu)信號(hào)的幅值按所述幅值的絕對(duì)值的大小分為比值為28的值。
7.如權(quán)利要求1所述的基于聲發(fā)射的空蝕檢測(cè)方法，其特征在于所述設(shè)定的事件計(jì)數(shù)時(shí)間間隔為50 μ S。
8.如權(quán)利要求1所述的基于聲發(fā)射的空蝕檢測(cè)方法，其特征在于所述聲發(fā)射事件平均能量EA = Et/C，其中，Et — Σ EiJC為所述聲發(fā)射事件數(shù)，Et為所述聲發(fā)射事件總能量，Ei表示一個(gè)所述聲發(fā)射事件的能量，Xi表示所述聲發(fā)射信號(hào)的幅值，j表示一個(gè)所述聲發(fā)射事件的開始點(diǎn)，k表示所述一個(gè)所述聲發(fā)射事件的結(jié)束點(diǎn)。
9.如權(quán)利要求1所述的基于聲發(fā)射的空蝕檢測(cè)方法，其特征在于所述塑性變形活動(dòng)狀態(tài)根據(jù)空化發(fā)生介質(zhì)和所述聲發(fā)射事件數(shù)值來判斷，所述質(zhì)量損失活動(dòng)根據(jù)所述空化發(fā)生介質(zhì)和所述聲發(fā)射事件平均能量值來判斷。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于聲發(fā)射的空蝕檢測(cè)方法，包括以下步驟使用聲發(fā)射傳感器采集空蝕發(fā)展過程中單位時(shí)間長(zhǎng)度的聲發(fā)射信號(hào)；對(duì)采集的所述聲發(fā)射信號(hào)按照設(shè)定層數(shù)進(jìn)行小波分解得到小波系數(shù)，并得到所述小波系數(shù)所在的頻段與空蝕的相關(guān)程度，按照所述相關(guān)程度和設(shè)定層數(shù)對(duì)所述小波系數(shù)去噪；使用去噪后的所述小波系數(shù)進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)，得到重構(gòu)信號(hào)；設(shè)定所述重構(gòu)信號(hào)的參數(shù)估計(jì)閾值和計(jì)數(shù)時(shí)間間隔；計(jì)算所述重構(gòu)信號(hào)的聲發(fā)射事件數(shù)和聲發(fā)射事件平均能量；根據(jù)所述聲發(fā)射事件數(shù)和所述聲發(fā)射事件平均能量判斷空蝕發(fā)展過程中塑性變形和質(zhì)量損失情況。本發(fā)明針對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的特點(diǎn)去噪，使用簡(jiǎn)單的估計(jì)參數(shù)表征空蝕過程中塑性變形和質(zhì)量損失的發(fā)展情況。
文檔編號(hào)G01N29/44GK102539539SQ20121001802
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月19日
發(fā)明者何永勇, 沈再陽(yáng) 申請(qǐng)人:清華大學(xué)