一種主動監測金屬管材結構損傷的方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及的是金屬管材損傷無損檢測領域，具體是一種自聚焦非線性蘭姆波和 信號反時序的金屬管材結構損傷主動監測的方法。
【背景技術】
[0002] 金屬管材結構在航空、航天、汽車、石油化工業中作為氣體和液體的輸送管路和結 構件，得到了廣泛的應用。運與人們的生產、生活息息相關，一旦出現損傷而未及時得到監 巧。，將造成巨大經濟損失，給社會和生態環境帶來十分嚴重的影響。因此，建立一種金屬管 材結構損傷的監測方法，為金屬管材的安全使用提供必要的技術支撐十分必要。
[0003] 主動結構損傷監測指通過驅動器對結構施加主動激勵信號，通過傳感器接收結構 的響應信號，并對響應信號進行結構系統特性分析，達到檢測結構損傷或退化的目的。主動 結構損傷監測技術可在任何需要的時刻對結構進行在線監測，無需時刻監測，有效節省能 源。超聲導波具有良好的穿透性并能與缺陷或損傷發生相互作用。它具有沿傳播路徑衰減 小，傳輸距離遠，引起質點振動能遍及構件內部和表面的特點，在管道、平面等大型構件的 監測中表現出更大的優勢。因此，它必然是固體管道結構的一種有效檢測手段。而蘭姆波 在管形結構中傳播時，結構內部的各種損傷會引起應力集中、裂紋擴展，運些W及損傷周圍 區域都會引起在結構中傳播的蘭姆波信號的散射和能量吸收。基于此種現象，蘭姆波被用 來對結構中損傷或缺陷進行監測。然而，蘭姆波在管材傳播過程存在模式轉換及頻散現象， 現有超聲檢測方法主要基于線性聲學，雖然簡化了分析過程但同時限定了超聲檢測的準確 度和靈敏性，而且傳統信號分析方法僅從時域信號中，對信號中波包的到達時間蘭姆波幅 度變化、波形崎變程度信息來對損傷缺陷尤其是微小損傷缺陷有無進行判定和確定難度很 大，而且蘭姆波檢測信號屬典型的非平穩信號，由于蘭姆波的頻散特性使得單純地從時域 或頻域都不可能詳盡地掲示信號所包含的信息，運大大限制了蘭姆波在管材領域監測損傷 缺陷的應用。
[0004] 此外，當聲波信號在金屬管材中傳播時，會受到介質不均勻性、時空異變性W及多 途徑效應影響，產生嚴重的崎變，運大大降低了聲信號處理的性能。對信號進行反時序處 理，能實現了脈沖聲波的自適應聚焦和相干目標信號的時間匹配濾波。聲波反時序法是一 種不需要介質和換能器陣列性質及結構的先驗知識，就可W實現聲波自適應修正多途徑引 起的崎變，從而實現聚焦的檢測方法。產生聚焦增益，提高信號的信噪比，運一特性使反時 序法在超聲聚焦和檢測中得到了很大的發展和應用。此外，反時序法對缺陷定位分析將提 供準確信息。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是提供一種利用信號反時序的自聚焦非線性蘭姆波主動監測金屬 管材損傷的方法，目的在于克服現有超聲波無損檢測對金屬管材結構中微小損傷識別能力 不高，綜合利用自聚焦非線性蘭姆波和反時序原理，實現金屬管材中損傷的精準識別。
[0006] 一種主動監測金屬管材結構損傷的測試系統包括：可編程任意波形發射器、換能 器陣列、數字信號示波器和計算機。所述的換能器陣列中包括發射換能器和接收換能器 均為同型號同材質的可逆壓電晶體，也就是換能器中任何一個換能器均可W作為發射換 能器又可W作為接收換能器使用，換能器陣列諧振頻率均為1. 5MHz;所述的可編程任意波 形發射器所產生的波形信號是通過計算機MTLAB程序編寫的正弦巧發波其中屯、頻率為 275曲Z;所述的數字信號示波器為泰克DP070404C，可W對接收到的波形信號實時顯示并 存儲，與計算機的連接方式是W太網。所述的數字示波器的采樣速率不小于2. 5GS/S。
[0007] 本發明的技術方案是提供一種利用自聚焦非線性蘭姆波和反時序原理的主動監 測金屬管材損傷的方法，步驟包括： 步驟一、發射換能器激勵信號： 在被測金屬管材上布置一定數量換能器陣列第一發射換能器、第二發射換能器、第Ξ發射換能器和接收換能5,由任意波形信號發射發出的正弦脈沖波，中屯、頻率為275曲Z，并 且同時分別加載到第一發射換能器、第二發射換能器、第Ξ發射換能器，作為激勵信號； 步驟二、信號反時序處理： 由接收換能器接收步驟一在金屬管材介質中超聲信號，接收換能器將信號同步傳輸到 數字信號示波器中，接收到的第一次波形信號在數字信號示波器進行顯示存儲后傳輸到計 算機，利用計算機編寫的程序并對信號進行反時序、歸一化處理； 步驟Ξ:獲得金屬管材中的聚焦信號： 將步驟二中的反時序、歸一化處理后的信號由計算機下載到可編程任意波形發射器 中再次同時加載到第一發射換能器、第二發射換能器、第Ξ發射換能器，作為發射信號再次 發射，在接收換能器處接收到自聚焦蘭姆波信號，經過反時序處理后信號使信噪比得到增 強； 步驟四：損傷識別 對步驟Ξ中的聚焦信號進行時頻聯合分析，除了聲源激勵頻率275曲Z外，還出現了新 的頻率成分即Ξ次諧波810曲Z，而且時間是聚焦峰值出現的時間。主要是因為金屬管材中 裂紋的存在，使蘭姆波聚焦信號發生頻率轉換，由此可準確判斷出損傷的存在。
[000引本發明的有益效果： 1.主動結構監測金屬管材結構健康狀態，利用發射換能器對金屬管材結構施加主動 激勵信號，并對響應信號進行結構系統特性分析，達到檢測結構損傷或退化的目的，主動結 構監測法可在任何需要的時刻對結構進行在線監測，無需時刻監測，有效節省能源。
[0009] 2.信號反時序法把原來在介質中由于聲波傳播的多途徑效應而展寬的聲脈沖信 號變成會聚聲波，而且它不需要事先了解被測介質結構性質、傳感器陣列在被測介質結構 中布局等的先驗知識，就可W自動矯正被測目標和傳感換能器之間不均勻性而產生的相位 崎變、時延的差異，提高有用信號和噪聲信號即信噪比。
[0010] 3.蘭姆波信號分析是一個需要同時觀測時域與頻域信息的過程。既要通過時域 觀察不同散射源引起的到達信號的位置、區分不同模式的波包成分，又要從頻域進行觀察 確定信號的頻率成分和頻譜峰值的變化，判定不同頻率信號的到達時刻、確定蘭姆波傳播 的頻散特性。因此，本發明采用時頻聯合分析方法，即把信號展開到二維時頻空間上觀察， 可W同時觀察信號在不同頻率處的時間歷程，能更精確、更全面地反映出分析信號的特征。 信號的時頻譜圖表示的是信號在時頻空間上的能量密度分布情況，因而，當被測結構中存 在缺陷時，信號在時頻空間上的能量密度或多或少會發生變化，主要表現為時頻譜峰值的 變化和時頻譜成分的改變。運樣通過運兩個特征參數不僅可W確定金屬管材中是否存在缺 陷損傷。
[0011]
【附圖說明】： 附圖1是主動監測金屬管材結構損傷的自聚焦非線性蘭姆波系統圖； 附圖2是聚焦波形信號的時頻聯合分析圖。
【具體實施方式】
【具體實施方式】 [0012] 一、結合圖1說明本，本所述的一種主 動監測金屬管材結構損傷的方法測試系統包括：可編程任意波形發射器、換能器陣列、數字 信號示波器和計算機。所述的換能器陣列中包括發射換能器和接收換能器均為同型號同材 質的可逆壓電晶體，也就是換能器中任何一個換能器均可W作為發射換能器又可W作為接 收換能器使用，換能器陣列諧振頻率均為1. 5MHz;所述的可編程任意波形發射器所產生的 波形信號是通過計算機MTLAB程序編寫的正弦巧發波其中屯、頻率為275曲Z;所述的數字 信號示波器為泰克DP070404C，可W對接收到的波形信號實時顯示并存儲，與計算機的連接 方式是W太網。所述的數字信號示波器的采樣速率不小于2. 5GS/S。
【具體實施方式】 [0013] 二、本與一所述的一種主動監測金屬管 材結構損傷的方法的區別在于，所述的可編程任意波形發射器所產生的波形信號是通過計 算機MTLAB程序編寫的正弦巧發波