专利名称：一种基于小波分析的夹芯板超声波检伤方法及应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种夹芯板超声波检伤方法及应用，尤其涉及一种基于小波分析的夹 芯板超声波检伤方法及应用。
背景技术：
夹芯板在正常使用过程中，比较常见的损伤类型主要有芯材拼缝损伤、冷热交替 导致粘胶老化引起的芯材与金属面板脱胶的损伤和撞击引起的凹坑损伤三种。这些损伤都 将引起夹芯板承载力的降低，如果不能及时发现将很可能会导致事故的发生和人员伤亡。 现有技术对于夹芯板损伤的检验主要通过非金属超声检测仪等设备进行分析，但在工程实 践中，由于受到场地噪声以及不同传播途径的波的波形叠加的影响，仅依靠这种非金属超 声检测仪进行分析不能很好的得到夹芯板的健康状况。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种基于小波分析的夹芯板超声波检伤方法，克 服现有技术不能通过更为科学的分析方法进行精确的分析。本发明的技术方案是一种基于小波分析的夹芯板超声波检伤方法，将超声波发 生器和超声波接收器分别耦合于夹芯板预检伤位置两端，基于小波分析的夹芯板超声波检 伤方法包括如下步骤发射和接收超声波所述超声波发生器发射超声波，所述超声波接收器接收该超 声波；获取超声波波形图将超声波传播路径分为四种途径超声波经过一次垂直反射 后沿钢板传播到达超声波接收器，超声波经过一次斜反射后直接到达超声波接收器，超声 波经过两次垂直反射后沿钢板传播到达超声波接收器，超声波经过两次斜反射到达超声波 接收器，获取以上四种传播途径超声波波形图；分析夹芯板损伤根据获取的四种传播途径的超声波波形图分析夹芯板的损伤。本发明的进一步技术方案是还包括在夹芯板的表面设置超声波定位的网格。本发明的进一步技术方案是所述超声波发射器和超声波接收器耦合于夹芯板预 检伤位置两端，采用黄油作为耦合剂。本发明的进一步技术方案是在分析夹芯板损伤步骤中，包括对夹芯板无损伤位 置的损伤探测分析。本发明的进一步技术方案是在分析夹芯板损伤步骤中，包括对夹芯板拼缝位置 的损伤探测分析。本发明的进一步技术方案是在分析夹芯板损伤步骤中，包括对夹芯板芯材与面 板脱胶位置的损伤探测分析。本发明的进一步技术方案是在分析夹芯板损伤步骤中，包括对夹芯板芯材与上 层面板脱胶位置的损伤探测分析。
本发明的进一步技术方案是在分析夹芯板损伤步骤中，包括对夹芯板芯材与下 层面板脱胶位置的损伤探测分析。本发明的进一步技术方案是在分析夹芯板损伤步骤中，包括对面板为钢板的夹 芯板的表面钢板凹陷位置的损伤探测分析。本发明的技术方案是将基于小波分析的夹芯板超声波检伤方法应用于夹芯板。本发明的技术效果是本发明基于小波分析的夹芯板超声波检伤方法，通过结合 小波分析的理论，将超声波在夹芯板上的传播分为四种传播途径，其检测得到的超声波信 号经过小波降噪、分解处理之后，可以通过考察其一二层小波分解结果确定传播途径的情 况，通过考察三、四层小波分解得到的波形形状和首波到达时间来识别出各种类型的损伤 情况。本发明基于小波分析的夹芯板超声波检伤方法能精确地识别多种类型的损伤情况。
图1为本发明流程图。图2为本发明的结构示意图。图3为本发明无损位置的超声波回波信号和小波分析结果图。图4为本发明小波分解变换结构图。图5为本发明拼缝位置的超声波回波信号和小波分析结果图。图6为本发明上面板与芯材脱胶位置的超声波回波信号和小波分析结果图。图7为本发明下面板与芯材脱胶位置的超声波回波信号和小波分析结果图。图8为本发明凹陷损伤位于两换能器中间时的超声波回波信号和小波分析结果 图。图9为本发明凹陷损伤位于信号接收器下方时的超声波回波信号和小波分析结 果图。图10为本发明凹陷损伤位于信号发射器下方时的超声波回波信号和小波分析结 果图。
具体实施例方式下面结合具体实施例，对本发明技术方案进一步说明。如图1所示，本发明的具体实施方式
是提供一种基于小波分析的夹芯板超声波 检伤方法，将超声波发生器和超声波接收器分别耦合于夹芯板预检伤位置两端，基于小波 分析的夹芯板超声波检伤方法包括如下步骤步骤100 发射和接收超声波，即所述超声波发生器发射超声波，由于，超声波发 生器耦合在夹芯板上，超声波经过夹芯板预检伤位置传向所述超声波接收器，所述超声波 接收器接收该超声波。本发明具体实施例中，使用主频为45KHz，直径38毫米的超声换能器对夹芯板进 行检测。检测时采用脉冲反射法，其中一个超声换能器作为超声波发生器，另一个超声换能 器作为超声波接收器，两换能器中心间距为200毫米。为了方便进行换能器的定位，先在夹 芯板的表面打上以100毫米为刻度的网格，并用圆规在网格的交点上以略大于换能器半径 的尺寸为半径画上圆。本发明为了使超声换能器能与钢板较好的耦合在一起，采用黄油作为耦合剂。步骤200 获取超声波波形图将超声波传播路径分为四种途径超声波经过一次 垂直反射后沿钢板传播到达超声波接收器，超声波经过一次斜反射后直接到达超声波接收 器，超声波经过两次垂直反射后沿钢板传播到达超声波接收器，超声波经过两次斜反射到 达超声波接收器，获取以上四种传播途径超声波波形图。如图2所示，具体来说，将超声波传播路径四种途径为超声波纵波在钢板中 的传播速度为5800m/s，面波在钢板中的传播速度约为2900m/s。实测超声波在EPS芯 材中的传播速度为625m/s。对于传播途径一超声波经过一次垂直反射后沿钢板传播 到达超声波接收器，计算得到超声波经过一次传播途径一传播到达接收器的时间为、 =0. 08X2 + 625+0. 2 + 2900 = 310μ s ；对于传播途径二 超声波经过一次斜反射后直 接到达超声波接收器，计算得到超声波经过一次传播途径一传播到达接收器的时间为 t2=2xλ/0.082 + 0· 102 + 625 = 410μ3 ；对于传播途径三超声波经过两次垂直反射后沿钢
板传播到达超声波接收器，计算得到超声波经过一次传播途径三传播到达接收器的时间 为t3 = 0. 08X4 + 625+0. 2 + 2900 = 567 μ s ；通对于传播途径四超声波经过两次斜反 射到达超声波接收器，计算得到超声波经过一次传播途径四传播到达接收器的时间为 r4 = 4χλ/0.082 + 0.052 + 625 = 605μδ。可见对于无损伤板，其底面一次回波到达时间分布在 310 μ s和410 μ s之间，二次回波时间分布在567 μ s和605 μ S之间。步骤300 分析夹芯板损伤根据获取的四种传播途径的超声波波形图分析夹芯 板的损伤。以下实施例中的夹芯板尺寸为2000mmX 1000mmX 80mm，其中芯材厚度80mm，上下 钢板厚度0. 6mm,具体分析过程如下一、对夹芯板无损伤位置的损伤探测分析。对于夹芯板无损伤位置，首先将超声波发生器和超声波接收器分别耦合于夹芯板 预检伤位置两端，然后超声波发生器发射超声波，由于，超声波发生器耦合在夹芯板上，超 声波经过夹芯板预检伤位置传向所述超声波接收器，所述超声波接收器接收该超声波。如图3所示，无损位置的超声波回波信号和小波分析结果图中，超声波原始信号 和经小波分解后，小波分解的一层和二层指的是采用小波函数对信号进行逐级分解的结果 中的第一级和第二级的细节信号的结果，结果很好的显示出了超声波通过途径一、二和三 到达接收器的信号到达时间。小波分解的三层和四层指的是采用小波函数对信号进行逐级 分解的结果中的第三级和第四级的细节信号的结果。小波分解结果得到的波形比较规则， 其包络线均可表示为从200 μ S到400 μ S和从400 μ S到800 μ S的两个峰值差不多的波， 首波到达时间约为180 μ S。本专利中主要是给出各种损伤情况下的夹芯板表现出来的超声 信号的结果的不同性状。之后在工程实际中就可以通过将实际中测得的信号与这些性状进 行比较，来判断夹芯板有无损伤，以及夹芯板的损伤类型。具体来说采用小波对信号分解的过程实质上就是从多尺度分析的角度，使用不 同分辨率逐级逼近待分析函数X(t)，即使用低通和高通滤波器对信号进行逐级分解，用离 散平滑逼近反映原始信号的概貌情况和使用离散细节信号反映原始信号的细节。采 用Mallat算法对信号进行分解，由上一级的离散平滑信号分别与低通滤波器系数和高通滤波器系数取卷积，得到下一级的离散平滑信号和离散细节信号。小波分解变换结构如图 4所示。二、对夹芯板拼缝位置的损伤探测分析。对存在芯材拼缝的夹芯板区域进行了超声波检测，本实施例中，拼缝宽度为8mm， 超声波发生器和超声波接收器分别耦合于拼缝位置两端，超声波发生器发射超声波，由于， 超声波发生器耦合在夹芯板上，超声波经过夹芯板预检伤位置传向所述超声波接收器，所 述超声波接收器接收该超声波。如图5所示，在拼缝位置的超声波信号的一层和二层小波分解结果很好的显示出 了超声波通过途径一和途径三到达接收器的信号到达时间，通过途径二传播的信号到达时 间识别效果较差，可见拼缝在一定程度上阻碍了超声波通过途径二的传播；此外在450 μ S 和480 μ S左右处小波分解一层结果显示出另有超声波信号通过其它途径到达接收端，也 为判断板的损伤情况提供了依据。其三层、四层小波分解结果得到的波形较紊乱，波能量较 小，其包络线形状也比较不规则，首波到达时间提前到150μ s左右。三、对夹芯板芯材与面板脱胶位置的损伤探测分析。夹芯板芯材与面板脱胶可分为两种，一种是上层面板与芯材脱胶，一种是下层面 板与芯材脱胶。EPS芯材与钢面板之间发生脱胶之后，形成了一个相当粗糙的边界层，这样 的边界层将大大降低超声波的透射率，同时也将使超声波在边界上发生漫反射现象。本发 明中，超声波发生器和超声波接收器分别耦合于夹芯板芯材与面板脱胶位置两端，超声波 发生器发射超声波，由于，超声波发生器耦合在夹芯板上，超声波经过夹芯板预检伤位置传 向所述超声波接收器，所述超声波接收器接收该超声波。(一 )对夹芯板芯材与上层面板脱胶位置的损伤探测分析。如图6所示，当夹芯板上层面板与芯材发生脱胶时，上层面板脱胶情况的小波分 解一、二层结果只能识别出超声波通过途径二传播到达接收器的信号到达时间；另外，在 200μ s到300μ s之间的峰值显示出另有超声波信号通过其它途径到达接收端。其三、四层 小波分解结果得到的波形比较规则，首波到达时间提前到150μ s左右，其包络线形状为两 个连续的峰值均等的波，分布区域分别为从150 μ S到340 μ S和从340 μ S到550 μ S，之后 能量幅值严重衰减。( 二)对夹芯板芯材与下层面板脱胶位置的损伤探测分析。如图7所示，当夹芯板下层面板与芯材发生脱胶时，下面板与芯材之间脱胶情况 与上面板的类似，小波分解一、二层结果基本无法识别出通过以上描述的四个途径传播到 达接收器的超声波信号；另外，在200μ s到300μ s之间的峰值显示出另有超声波信号通过 其它途径到达接收端。其三、四层小波分解结果得到的波形比较规则，首波到达时间提前到 140 μ s左右，其包络线形状为两个连续的波，第二个波的能量要比第一个波的能量小得多， 分布区域分别为从140 μ S到340 μ S和从340 μ S到600 μ S，之后能量幅值严重衰减。由于穿透钢板入射到EPS芯材中的超声波能量本来就只占总能量的小部分，再加 上由于上下面板与芯材脱胶产生了粗糙的空气界面，导致超声波入射到芯材中的能量严重 减少，并且在分界面上发生凌乱的漫反射现象，所以通过底面钢板反射回来的超声波能量 大大减少且到达时间变得更加离散，小波分析结果基本无法识别出底面回波的信号。另外， 由于在上面板脱胶情况中，超声波要比下面板脱胶情况中在粗糙界面上多反射了一次，所以其能量衰减比下面板脱胶情况的更为严重。四、对面板为钢板的夹芯板的表面钢板凹陷位置的损伤探测分析。夹芯板在正常使用过程中很有可能会受到撞击引起表面钢板的凹陷，有时候这种 损伤发生在不方便观察的一面，这时候就需要用到超声波来检测夹芯板的损伤。一般而言， 凹陷损伤的面积比较小，以下实施例中，凹陷损伤的区域是长宽均大约为IOcm的区域。本 发明中，超声波发生器和超声波接收器分别耦合于夹芯板表面钢板凹陷位置两端，超声波 发生器发射超声波，由于，超声波发生器耦合在夹芯板上，超声波经过表面钢板凹陷位置传 向所述超声波接收器，所述超声波接收器接收该超声波。因此，这里对凹陷与两个超声波换 能器的三种不同相对位置情况的损伤检测如下(一 )凹陷损伤位于两个换能器之间。如图8所示，一层和二层小波分解结果很好的识别出了通过途径一传播到达接收 器的超声波信号；通过其它三种途径传播到达的超声波信号基本无法识别，说明其它三种 传播途径受到破坏，为识别夹芯板损伤提供依据；其三、四层小波分解结果得到的波形比较 规则，首波到达时间约为140 μ S，包络线形状近似为一个从140 μ S到400 μ S的波，400 μ S 之后的超声波能量大幅衰减。这主要是因为中间位置处的下面板凹陷严重影响了超声波斜 反射的方向，以及超声波的传播，导致经过斜反射到达接收器的超声波能量大幅减少。( 二)凹陷损伤位于超声波接收器下方。如图9所示，一、二层小波分解基本无法在期望的时刻看到超声回波信号到达接 收器；另外，在200 μ s到250 μ s之间可发现有超声波信号通过其它传播途径到达接收 器。其三、四层小波分解结果得到的波形与凹陷损伤位于两个换能器之间的情况非常相似， 比较规则，首波到达时间约为150 μ S，包络线形状近似为一个从150 μ s到400 μ s的波， 400 μ s之后的超声波能量大幅衰减。可见超声波接收器下方的材料健康状况对超声回波信 号的影响很大。(三)凹陷损伤位于超声波发射器下方。如图10所示，一、二层小波分解结果识别出了通过途径一传播到达接收端的超声 回波信号；另外在480 μ s左右和200 μ s到250 μ S之间识别到通过其它途径传播的超声波 信号。三、四层小波分解结果得到波形比较规则，其首波到达时间约为150ys，包络线形状 近似为一个从150 μ S到400 μ S和一个从500 μ S到800 μ S的波，两个波的峰值差不多，在 400 μ s和500 μ s之间到达的超声波能量很小。对比以上三种情况我们可以发现当凹陷位置位于信号发射器与接收器之间或位 于信号接收器下方时，接收器接收到的超声波信号相似，都是在300 μ S之后能量大幅度减 少；当凹陷位置位于信号发射器的正下方时，信号接收器接收到的超声波信号在两个能量 波峰之间出现了一个长达100 μ s的能量低潮区。本发明的具体实施方式
是将基于小波分析的夹芯板超声波检伤方法应用于夹芯 板。以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定 本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在 不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的 保护范围。
权利要求
一种基于小波分析的夹芯板超声波检伤方法，其特征在于，将超声波发生器和超声波接收器分别耦合于夹芯板预检伤位置两端，基于小波分析的夹芯板超声波检伤方法包括如下步骤发射和接收超声波所述超声波发生器发射超声波，所述超声波接收器接收该超声波；获取超声波波形图将超声波传播路径分为四种途径超声波经过一次垂直反射后沿钢板传播到达超声波接收器，超声波经过一次斜反射后直接到达超声波接收器，超声波经过两次垂直反射后沿钢板传播到达超声波接收器，超声波经过两次斜反射到达超声波接收器，获取以上四种传播途径超声波波形图；分析夹芯板损伤根据获取的四种传播途径的超声波波形图分析夹芯板的损伤。
2.根据权利要求1所述一种基于小波分析的夹芯板超声波检伤方法，其特征在于，还 包括在夹芯板的表面设置超声波定位的网格。
3.根据权利要求1所述一种基于小波分析的夹芯板超声波检伤方法，其特征在于，所 述超声波发射器和超声波接收器耦合于夹芯板预检伤位置两端，采用黄油作为耦合剂。
4.根据权利要求1所述一种基于小波分析的夹芯板超声波检伤方法，其特征在于，在 分析夹芯板损伤步骤中，包括对夹芯板无损伤位置的损伤探测分析。
5.根据权利要求1所述一种基于小波分析的夹芯板超声波检伤方法，其特征在于，在 分析夹芯板损伤步骤中，包括对夹芯板拼缝位置的损伤探测分析。
6.根据权利要求1所述一种基于小波分析的夹芯板超声波检伤方法，其特征在于，在 分析夹芯板损伤步骤中，包括对夹芯板芯材与面板脱胶位置的损伤探测分析。
7.根据权利要求6所述一种基于小波分析的夹芯板超声波检伤方法，其特征在于，在 分析夹芯板损伤步骤中，包括对夹芯板芯材与上层面板脱胶位置的损伤探测分析。
8.根据权利要求6所述一种基于小波分析的夹芯板超声波检伤方法，其特征在于，在 分析夹芯板损伤步骤中，包括对夹芯板芯材与下层面板脱胶位置的损伤探测分析。
9.根据权利要求1所述一种基于小波分析的夹芯板超声波检伤方法，其特征在于，在 分析夹芯板损伤步骤中，包括对面板为钢板的夹芯板的表面钢板凹陷位置的损伤探测分 析。
10.一应用基于小波分析的夹芯板超声波检伤方法的夹芯板，其特征在于，将基于小波 分析的夹芯板超声波检伤方法应用于夹芯板。
全文摘要
本发明涉及一种基于小波分析的夹芯板超声波检伤方法，将超声波发生器和超声波接收器分别耦合于夹芯板预检伤位置两端，基于小波分析的夹芯板超声波检伤方法包括如下步骤发射和接收超声波所述超声波发生器发射超声波，所述超声波接收器接收该超声波；获取超声波波形图将超声波传播路径分为四种途径超声波经过一次垂直反射后沿钢板传播到达超声波接收器，超声波经过一次斜反射后直接到达超声波接收器，超声波经过两次垂直反射后沿钢板传播到达超声波接收器，超声波经过两次斜反射到达超声波接收器，获取以上四种传播途径超声波波形图；分析夹芯板损伤根据获取的四种传播途径的超声波波形图分析夹芯板的损伤。
文档编号G01N29/44GK101915805SQ20101022561
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月12日 优先权日2010年7月12日
发明者叶福相, 查晓雄 申请人:哈尔滨工业大学深圳研究生院