一種板材損傷識別定位方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及的是板材損傷識別定位方法領域，具體是一種綜合利用非線性調制蘭 姆波和反時序處理對板材中損傷識別定位方法。
【背景技術】
[0002] 板材結構在航空、航天、建筑、汽車等眾多領域中有著廣泛的應用，運與人們的生 產、生活息息相關，而且無論哪種材料的板材，在成型過程都經過多到工序、工藝復雜，運就 使得板材中極易產生工藝損傷，一旦出現損傷而未及時得到監測，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，建立一種板材損傷識別定位方法，為板材的安 全使用提供必要的技術支撐十分必要。
[0003] 蘭姆波在板材結構中傳播時，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，蘭姆波在板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板 材領域損傷識別與定位的應用。
[0004] 此外，當聲波信號在板材中傳播時，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 蘭姆波聚焦和檢測中得到了很大的發展。此外，反時序法對板材中損傷識別與定位分析可 W提供準確信息。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是利用發射換能器在被測介質表面激發超聲信號，與此同時接收傳 感器在同一表面的其他一個或多個位置接收介質中的響應信號，通過計算實現板材損傷的 定位，目的在于克服現有超聲波無損檢測對板材結構中微小損傷識別定位能力不高，綜合 利用非線性調制蘭姆波信號和反時序處理，并結合四點圓弧定位原理，實現板材結構中損 傷的精準識別與定位。
[0006] 一種板材損傷識別定位方法測試系統包括信號發射單元和信號采集單元。信號的 發射單元由計算機、可編程任意波形發生器和壓電換能器組成；信號的采集和處理單元由 壓電傳感器、數字示波器和計算機組成。所述的壓電換能器作為發射換能器，由于壓電換 能器具有可逆壓電效應，同時也可作為接收傳感器，其直徑為10mm，利用環氧樹脂與被測板 材結構垂直禪合，采用兩列不同中屯、頻率超聲蘭姆波波信號作為初始聲源信號激勵被測介 質。所述的可編程任意波形發生器的取樣頻率可達IGS/s，具有8個獨立通道，可同時發射 8路信號，內部存儲標準波形信號可直接作為發射聲源，也可W通過計算機軟件編程產生波 形傳至任意波形發生器，本發明采用后者，由計算機軟件編寫蘭姆波激勵信號直接加載到 壓電傳感器上。所述的數字示波器具有12個獨立通道，每條通道采樣速率達5GS/S，可W準 確接收來自激光測振儀信號或壓電換能器信號，示波器記錄長度為10M點，同時還可將數 據傳給計算機，借助相應的軟件程序進行分析。
[0007] 所述的壓電換能器即換能器陣列，換能器數目N> 5,換能器均可W作為聲源激勵 的發射換能器，也可W作為接收傳感器使用。
[0008] 所述的初始聲源信號，是指第一次加載到換能器陣列中任意兩個相鄰的發射換能 器的蘭姆波信號，信號中屯、頻率分別為285曲Z和95曲Z，振幅均為+10V。
[0009] 一種板材損傷識別定位方法步驟包括：
[0010] 步驟一、發射換能器激勵信號：
[0011] 在被測板材上布置換能器陣列，將兩列不同頻率的蘭姆波信號同時加載到兩個 相鄰的發射換能器上，作為初始聲源激勵信號，設初始激勵換能器為Qi、92,各傳感元件 為Ri=α= 1，2,3…），損傷處為S，可W設定從激勵換能器到損傷處的信號傳遞函數為 Η啦（。），損傷處到各傳感器的傳遞函數為HsKi(。），激勵信號的頻譜為Υ(。），貝時員傷處的信 號S(ω)和各傳感器接收到的損傷散射信號Ri(ω)為
[0012] 8(ω) =Y(o)Hgs(?) 陽01引 Κι(ω) = ("化κι(")
[0014] 步驟二、信號反時序處理：
[0015] 傳感元件Ri接收步驟一在介質中的響應聲波信號R1 (ω)，并進行反時序、歸一化 處理；
[0016] 步驟Ξ、獲得聚焦信號：
[0017] 將步驟二中反時序后的聲波信號再次加載到步驟一中的激勵換能器Qi上，在損傷 處可W得到聚焦信號St(co)為
[0018]
[0019] 各傳感器Ri再次接收到了增強了的損傷散射信號即反時序后的聚焦信號，為
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[0021] 式中：k= 1，2, 3···。Υ* (ω)hV(") (")為第i個傳感器接收初始激勵換能器 Qi、Q2激勵時的損傷散射信號的反時序信號，而Η?S(ω化(ω)恰為第i和i+1個壓電換能 器作為激勵元件、第k個壓電換能器作為傳感器時的損傷散射傳感通道的傳遞函數。
[0022] 步驟四、聚焦后的損傷信號分析：
[0023] 根據反時序理論中對波源信號的自適應聚焦特性，步驟Ξ中的St(co)的主波峰能 量突出程度將明顯高于S(ω)，使得損傷處信號的能量得到聚焦。
[0024] 根據反時序理論中對波源信號的自適應聚焦特性，步驟Ξ中Rk(w)中各損傷缺陷 散射信號和各自包含的損傷模態信息均來自于同一個波源信號^(ω)Η%(ω)，而其它響 應信號如噪聲信號和邊界反射，由于信號來源不一致，發生的時刻也不盡相同，在反時序加 載時也就不存在統一的聚焦點，處理中只是隨機疊加而無法增強。所W只需明確各檢測通 道傳遞函數，可實現傳感信號中損傷散射信號能量的突出增強，從而實現信噪比提高。
[00巧]步驟五、損傷識別定位計算：
[00%] 損傷的位置（X，y)和損傷散射信號發生的時刻τ。，根據四點圓弧定位方程，假設 損傷信號到達最后一個換能器的時刻為Ti，選取τ"〉τι，Κτ"-τ。為反時序信號長度，分 別截取各換能器信號，在時間窗內將他們進行反時序并得到信號S。(η= 1，2, 3···，腳。根據 反時序原理，同時將反時序后的信號加載在其相對應的換能器上，在損傷處也就是二次波 源處即可得到波源的重建聚焦信號。設定聚焦時刻Ts為反時序信號加載結束時刻，設板 材為各向同性材料，將板材等間距劃分為若干單元，每個單元對應一定的坐標，根據聲波傳 播原理，可W在板材中建立在Ts時刻的瞬態波動圖，每一個單元（i，j)在該時刻的波動幅 值i可W由下式求得
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[0028] 式中：G。為補償各換能器因路徑不同而造成的信號衰減的修正系數；C為聲波在 材中的傳播速度山，。為該單元（i，j)到對應換能器η的距離。
[0029] 重復W上步驟，建立聚焦信號圖像重建區域，可得到重構聚焦損傷信號本發明不 局限于上述實施方式，還可W是上述各實施方式中所述技術特征的合理組合。
[0030] 本發明的有益效果：
[0031] 1.由于線性超聲波四點圓弧定位法不能給出損傷的細節特征，如尺寸大小、損傷 程度等，因而只能在監測要求不高的條件下應用。當板材介質中存在多個波動的位移場時 即利用不同頻率超聲蘭姆波激勵被測板材介質，在含有損傷介質中會出現不同頻率波之間 的調制現象，運使得在損傷介質中非線性聲學特征信號得到增強，便于識別損傷信號。而沒 有任何損傷的介質，非線性調制現象十分微弱，可