本發(fā)明涉及一種考慮聲波在兩種介質(zhì)界面折射情況下的聲發(fā)射源定位方法。

背景技術(shù)：

如何準(zhǔn)確得出聲發(fā)射源的位置是聲發(fā)射技術(shù)中的重要部分，目前的定位方法考慮的都是單一介質(zhì)，不考慮聲波在傳播過程中的折反射，因為在大多數(shù)情況下探頭可以置于聲源所在介質(zhì)，在這種情況下對于單一介質(zhì)可以達到相應(yīng)的定位精度，然后對于一些特殊的情況，如探頭無法置于聲源所在介質(zhì)的時候，這種情況下探頭接收到的信號就穿過了兩種不同的介質(zhì)，波速不再是定值，也不再是沿直線傳播，如果不考慮聲波在傳播過程中的折射就無法準(zhǔn)確得到其聲源的位置，比如在巖石圍壓測試實驗中，聲發(fā)射源產(chǎn)生于試件中，但聲發(fā)射傳感器置于實驗裝置外部，此時聲發(fā)射傳感器接收到的信號穿過了兩種不同的介質(zhì)，已有的聲發(fā)射源定位方法就不再適用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供了一種針對聲波在傳播過程中遇到不同介質(zhì)時發(fā)生折射的情況，避免因為使用平均波速以及按照直線路徑傳播所帶來誤差的一種考慮聲波在兩種介質(zhì)界面折射情況下的聲發(fā)射源定位方法。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)：一種考慮聲波在兩種介質(zhì)界面折射情況下的聲發(fā)射源定位方法，分為兩種情況：

A：二維定位方法：

首先在介質(zhì)2中放置M個不處于同一直線位置的聲發(fā)射傳感器，M個聲發(fā)射傳感器的二維位置坐標(biāo)已知，分別為(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，……，(x_M，y_M)，M大于等于3；

置于介質(zhì)1中的聲發(fā)射源產(chǎn)生應(yīng)力波后，M個聲發(fā)射傳感器感應(yīng)到聲發(fā)射源的時刻：t₁，t₂，……，t_M；

設(shè)聲發(fā)射源坐標(biāo)為(x，y)，在兩種介質(zhì)中傳播的速度分別為c₁，c₂，入射角為θ₁，折射角為θ₂；

折射定律：

設(shè)任意兩個聲發(fā)射傳感器的位置為A點和B點，聲發(fā)射源的位置為O點，聲波到達A點和B點的時間分別為T_i和T_j，A點和B點坐標(biāo)分別為(x_i，y_i)和(x_j，y_j)，聲發(fā)射源產(chǎn)生的聲波從介質(zhì)1經(jīng)過介質(zhì)2傳播到兩個聲發(fā)射傳感器的折射點分別為M(a_i，b_i)和N(a_j，b_j)，其中i，j為1，2，...，M，且i≠j，則

聲源O到折射點M的距離L_OM為：

折射點M到聲發(fā)射傳感器A的距離L_AM為：

聲源O到折射點N的距離為L_ON為：

折射點N到聲發(fā)射傳感器B的距離L_BN為：

聲源傳播到聲發(fā)射傳感器A和B的時間差ΔT_ij為：

設(shè)T_min為聲發(fā)射傳感器接收到的第一個信號所用的最短時間，

對于每一組觀測值(x_i，y_i；x_j，y_j)，假設(shè)一個聲發(fā)射源所在空間內(nèi)的初始聲源坐標(biāo)(x₀，y₀)，代入式(1)、(6)和(7)可確定一個計算值ΔT_ij，計算值ΔT_ij與實際測得的值Δt_ij＝t_i-t_j之間存在一個差值，這個差值即是誤差，采用最優(yōu)化解法通過最小化誤差的平方和，即可得出聲發(fā)射源初始聲源坐標(biāo)(x，y)。

B：三維定位方法

首先在介質(zhì)2中放置M個不處于同一直線位置的聲發(fā)射傳感器，M個聲發(fā)射傳感器的三維位置坐標(biāo)已知，分別為(x₁，y₁，z₁)，(x₂，y₂，z₂)，……，(x_M，y_M，z_M)，M大于等于4；

置于介質(zhì)1中的聲發(fā)射源產(chǎn)生應(yīng)力波后，M個聲發(fā)射傳感器感應(yīng)到聲發(fā)射源的時刻：t₁，t₂，……，t_M；

設(shè)聲發(fā)射源坐標(biāo)為(x，y，z)，在兩種介質(zhì)中傳播的速度分別為c₁，c₂，入射角為θ₁，折射角為θ₂；

折射定律：

設(shè)任意兩個聲發(fā)射傳感器的位置為A點和B點，聲發(fā)射源的位置為O點，聲波到達A點和B點的時間分別為T_i和T_j，A點和B點坐標(biāo)分別為(x_i，y_i，z_i)和(x_j，y_j，z_j)，聲發(fā)射源產(chǎn)生的聲波從介質(zhì)1經(jīng)過介質(zhì)2傳播到兩個聲發(fā)射傳感器的折射點分別為M(a_i，b_i，c_i)和N(a_j，b_j，c_j)，其中i，j為1，2，...，M，且i≠j，則

聲源O到折射點M的距離L_OM為：

折射點M到探頭A的距離L_AM為：

聲源O到折射點N的距離L_ON為：

折射點N到探頭B的距離L_BN為：

聲源傳播到聲發(fā)射傳感器A和B的時間差ΔT_ij為：

設(shè)T_min為聲發(fā)射傳感器接收到的第一個信號所用的最短時間，

對于每一組觀測值(x_i，y_i，z_i；x_j，y_j，z_j)，假設(shè)一個聲發(fā)射源所在空間內(nèi)的初始聲源坐標(biāo)(x₀，y₀，z₀)，代入式(8)、(13)和(14)可確定一個計算值ΔT_ij，計算值ΔT_ij與實際測得的值Δt_ij＝t_i-t_j之間存在一個差值，這個差值即是誤差，采用最優(yōu)化解法通過最小化誤差的平方和，即可得出聲發(fā)射源初始聲源坐標(biāo)(x，y，z)。

有益效果：本發(fā)明利用折射定律以及聲發(fā)射傳感器接收到的第一個信號符合最短到時，從而通過已知到時差、聲發(fā)射傳感器坐標(biāo)值以及聲速，得到聲發(fā)射源的位置坐標(biāo)。二維時，聲發(fā)射傳感器最少需要3個，此時未知量為聲源坐標(biāo)，折射點的坐標(biāo)，通過已知3個到時差方程，3個折射方程，3個最短路徑方程，即有5個未知數(shù)，9個方程，因此可以保證得出的聲發(fā)射源的唯一性，三維時，聲發(fā)射傳感器最少需要4個，此時未知量有聲源坐標(biāo)，折射點坐標(biāo)，已知有6個到時差方程，4個折射定律方程，4個最短到時方程，即有11個未知數(shù)，14個方程，因此可以保證得出的聲發(fā)射源的唯一性。

本發(fā)明突破了以往單一介質(zhì)的情況，即聲波沿直線傳播的方法，考慮了聲波在傳播過程中遇到不同介質(zhì)會發(fā)生折射的情況，可用于聲發(fā)射傳感器和聲源不在同一種介質(zhì)中的情況，比如圍壓力學(xué)測試實驗中的聲發(fā)射源定位等一些特殊的情況。

附圖說明

圖1為二維情況下聲發(fā)射折射路徑示意圖。

圖2為三維情況下聲發(fā)射折射路徑示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明做進一步的說明。

實施例1：

預(yù)設(shè)一聲發(fā)射源的位置為(0，0)，三個傳感器的坐標(biāo)(x₁，y₁)、(x₂，y₂)、(x₃，y₃)分別為(-3000，2000)、(1000，2000)、(-4000，-2000)；介質(zhì)分層位置為y＝1000和y＝-1000；聲發(fā)射源傳到三個傳感器時觸發(fā)傳感器記錄的時刻分別為984.8μs，629.3μs，1199.4μs。聲波在兩種介質(zhì)中傳播的速度分別為c₁＝2978m/s，c₂＝4356m/s。以本例對二維定位問題進行詳細說明，實際定位時，已知量為三個傳感器的坐標(biāo)以及傳感器觸發(fā)記錄的時刻，聲發(fā)射源的位置是未知量，在此給出是為了利用本專利提出的方法進行驗證。具體實施步驟如下：

1、將三個傳感器布置在待測對象附近，保證其不在同一直線上，坐標(biāo)分別為(-3000，2000)、(1000，2000)、(-4000，-2000)；三個傳感器對應(yīng)觸發(fā)的時刻分別為984.8μs，629.3μs，1199.4μs；波速c₁＝2978m/s，c₂＝4356m/s。

2、利用發(fā)明內(nèi)容中所提出的二維定位方法,將已知數(shù)據(jù)代入公式，假設(shè)一個聲發(fā)射源的初始值，然后可以得到折射點的坐標(biāo)，以及到時差，當(dāng)誤差平方和最小時假設(shè)的聲發(fā)射源的坐標(biāo)即為實際的聲源坐標(biāo)。此時的折射點坐標(biāo)分別為(-795.6,1000)、(384.1,1000)、(-858.6,1000)，定位結(jié)果為(0，0)，可見定位結(jié)果與預(yù)設(shè)的坐標(biāo)(0，0)吻合較好，定位精度高。

實施例2：

預(yù)設(shè)一聲發(fā)射源的位置為(2000，2000，6000)，四個傳感器的坐標(biāo)(0，0，11000)、(4000，2000，9000)、(4000，4000，2000)、(0，2000，0)；介質(zhì)分層位置為z＝4000和z＝8000；聲發(fā)射源傳到四個傳感器時觸發(fā)傳感器記錄的時刻分別為1554.6μs，1075.2μs，1372.9μs，1673μs。以本例對三維定位問題進行詳細說明，實際定位時，已知量為四個傳感器的坐標(biāo)以及傳感器觸發(fā)記錄的時刻，聲發(fā)射源的位置是未知量，在此給出是為了利用本專利提出的方法進行驗證。具體實施步驟如下：

1、將四個傳感器布置在待測對象附近，保證其不在一個平面內(nèi)，坐標(biāo)分別為(0，0，11000)、(4000，2000，9000)、(4000，4000，2000)、(0，2000，0)；四個傳感器對應(yīng)觸發(fā)的時刻分別為1554.6，1075.2，1372.9 1673；兩種介質(zhì)中波速分別為c₁＝2978m/s，c₂＝4356m/s。

2、利用發(fā)明內(nèi)容中所提出的三維定位方法,將已知數(shù)據(jù)代入公式，假設(shè)一個聲發(fā)射源的初始值，然后可以得到折射點的坐標(biāo)，以及到時差，當(dāng)誤差平方和最小時假設(shè)的聲發(fā)射源的坐標(biāo)即為實際的聲源坐標(biāo)。

此時的折射點坐標(biāo)分別為(1418.9,1418.9，8 000)、(3059.9,2000,8000)、(2727.3,2727.3，4000)和(1504.2,2000,4000)，定位結(jié)果為(2000，2000，6000)，可見定位結(jié)果與預(yù)設(shè)的坐標(biāo)(2000，2000，6000)吻合較好，定位精度高。