一种板材损伤识别定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及的是板材损伤识别定位方法领域，具体是一种综合利用非线性调制兰 姆波和反时序处理对板材中损伤识别定位方法。
【背景技术】
[0002] 板材结构在航空、航天、建筑、汽车等众多领域中有着广泛的应用，运与人们的生 产、生活息息相关，而且无论哪种材料的板材，在成型过程都经过多到工序、工艺复杂，运就 使得板材中极易产生工艺损伤，一旦出现损伤而未及时得到监测，将造成巨大经济损失，给 社会和生态环境带来十分严重的影响。因此，建立一种板材损伤识别定位方法，为板材的安 全使用提供必要的技术支撑十分必要。
[0003] 兰姆波在板材结构中传播时，结构内部的各种损伤会引起应力集中、裂纹扩展，运 些W及损伤周围区域都会引起在结构中传播的兰姆波信号的散射和能量吸收，基于此种现 象，兰姆波被用来对结构中损伤或缺陷进行监测。然而，兰姆波在板材传播过程存在模式转 换及频散现象，现有超声检测方法主要基于线性声学，虽然简化了分析过程但同时限定了 超声检测的准确度和灵敏性，而且传统信号分析方法仅从时域信号中，对信号中波包的到 达时间兰姆波幅度变化、波形崎变程度信息来对损伤缺陷尤其是微小损伤缺陷有无进行判 定和确定难度很大，而且兰姆波检测信号属典型的非平稳信号，由于兰姆波的频散特性使 得单纯地从时域或频域都不可能详尽地掲示信号所包含的信息，运大大限制了兰姆波在板 材领域损伤识别与定位的应用。
[0004] 此外，当声波信号在板材中传播时，会受到介质不均匀性、时空异变性W及多途径 效应影响，产生严重的崎变，运大大降低了声信号处理的性能。对信号进行反时序处理，能 实现了脉冲声波的自适应聚焦和相干目标信号的时间匹配滤波。声波反时序法是一种不需 要介质和换能器阵列性质及结构的先验知识，就可W实现声波自适应修正多途径引起的崎 变，从而实现聚焦的检测方法。产生聚焦增益，提高信号的信噪比，运一特性使反时序法在 兰姆波聚焦和检测中得到了很大的发展。此外，反时序法对板材中损伤识别与定位分析可 W提供准确信息。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是利用发射换能器在被测介质表面激发超声信号，与此同时接收传 感器在同一表面的其他一个或多个位置接收介质中的响应信号，通过计算实现板材损伤的 定位，目的在于克服现有超声波无损检测对板材结构中微小损伤识别定位能力不高，综合 利用非线性调制兰姆波信号和反时序处理，并结合四点圆弧定位原理，实现板材结构中损 伤的精准识别与定位。
[0006] 一种板材损伤识别定位方法测试系统包括信号发射单元和信号采集单元。信号的 发射单元由计算机、可编程任意波形发生器和压电换能器组成；信号的采集和处理单元由 压电传感器、数字示波器和计算机组成。所述的压电换能器作为发射换能器，由于压电换 能器具有可逆压电效应，同时也可作为接收传感器，其直径为10mm，利用环氧树脂与被测板 材结构垂直禪合，采用两列不同中屯、频率超声兰姆波波信号作为初始声源信号激励被测介 质。所述的可编程任意波形发生器的取样频率可达IGS/s，具有8个独立通道，可同时发射 8路信号，内部存储标准波形信号可直接作为发射声源，也可W通过计算机软件编程产生波 形传至任意波形发生器，本发明采用后者，由计算机软件编写兰姆波激励信号直接加载到 压电传感器上。所述的数字示波器具有12个独立通道，每条通道采样速率达5GS/S，可W准 确接收来自激光测振仪信号或压电换能器信号，示波器记录长度为10M点，同时还可将数 据传给计算机，借助相应的软件程序进行分析。
[0007] 所述的压电换能器即换能器阵列，换能器数目N> 5,换能器均可W作为声源激励 的发射换能器，也可W作为接收传感器使用。
[0008] 所述的初始声源信号，是指第一次加载到换能器阵列中任意两个相邻的发射换能 器的兰姆波信号，信号中屯、频率分别为285曲Z和95曲Z，振幅均为+10V。
[0009] 一种板材损伤识别定位方法步骤包括：
[0010] 步骤一、发射换能器激励信号：
[0011] 在被测板材上布置换能器阵列，将两列不同频率的兰姆波信号同时加载到两个 相邻的发射换能器上，作为初始声源激励信号，设初始激励换能器为Qi、92,各传感元件 为Ri=α= 1，2,3…），损伤处为S，可W设定从激励换能器到损伤处的信号传递函数为 Η啦（。），损伤处到各传感器的传递函数为HsKi(。），激励信号的频谱为Υ(。），贝时员伤处的信 号S(ω)和各传感器接收到的损伤散射信号Ri(ω)为
[0012] 8(ω) =Y(o)Hgs(?) 阳01引 Κι(ω) = ("化κι(")
[0014] 步骤二、信号反时序处理：
[0015] 传感元件Ri接收步骤一在介质中的响应声波信号R1 (ω)，并进行反时序、归一化 处理；
[0016] 步骤Ξ、获得聚焦信号：
[0017] 将步骤二中反时序后的声波信号再次加载到步骤一中的激励换能器Qi上，在损伤 处可W得到聚焦信号St(co)为
[0018]
[0019] 各传感器Ri再次接收到了增强了的损伤散射信号即反时序后的聚焦信号，为
[0020]
[0021] 式中：k= 1，2, 3···。Υ* (ω)hV(") (")为第i个传感器接收初始激励换能器 Qi、Q2激励时的损伤散射信号的反时序信号，而Η?S(ω化(ω)恰为第i和i+1个压电换能 器作为激励元件、第k个压电换能器作为传感器时的损伤散射传感通道的传递函数。
[0022] 步骤四、聚焦后的损伤信号分析：
[0023] 根据反时序理论中对波源信号的自适应聚焦特性，步骤Ξ中的St(co)的主波峰能 量突出程度将明显高于S(ω)，使得损伤处信号的能量得到聚焦。
[0024] 根据反时序理论中对波源信号的自适应聚焦特性，步骤Ξ中Rk(w)中各损伤缺陷 散射信号和各自包含的损伤模态信息均来自于同一个波源信号^(ω)Η%(ω)，而其它响 应信号如噪声信号和边界反射，由于信号来源不一致，发生的时刻也不尽相同，在反时序加 载时也就不存在统一的聚焦点，处理中只是随机叠加而无法增强。所W只需明确各检测通 道传递函数，可实现传感信号中损伤散射信号能量的突出增强，从而实现信噪比提高。
[00巧]步骤五、损伤识别定位计算：
[00%] 损伤的位置（X，y)和损伤散射信号发生的时刻τ。，根据四点圆弧定位方程，假设 损伤信号到达最后一个换能器的时刻为Ti，选取τ"〉τι，Κτ"-τ。为反时序信号长度，分 别截取各换能器信号，在时间窗内将他们进行反时序并得到信号S。(η= 1，2, 3···，脚。根据 反时序原理，同时将反时序后的信号加载在其相对应的换能器上，在损伤处也就是二次波 源处即可得到波源的重建聚焦信号。设定聚焦时刻Ts为反时序信号加载结束时刻，设板 材为各向同性材料，将板材等间距划分为若干单元，每个单元对应一定的坐标，根据声波传 播原理，可W在板材中建立在Ts时刻的瞬态波动图，每一个单元（i，j)在该时刻的波动幅 值i可W由下式求得
[0027]
[0028] 式中：G。为补偿各换能器因路径不同而造成的信号衰减的修正系数；C为声波在 材中的传播速度山，。为该单元（i，j)到对应换能器η的距离。
[0029] 重复W上步骤，建立聚焦信号图像重建区域，可得到重构聚焦损伤信号本发明不 局限于上述实施方式，还可W是上述各实施方式中所述技术特征的合理组合。
[0030] 本发明的有益效果：
[0031] 1.由于线性超声波四点圆弧定位法不能给出损伤的细节特征，如尺寸大小、损伤 程度等，因而只能在监测要求不高的条件下应用。当板材介质中存在多个波动的位移场时 即利用不同频率超声兰姆波激励被测板材介质，在含有损伤介质中会出现不同频率波之间 的调制现象，运使得在损伤介质中非线性声学特征信号得到增强，便于识别损伤信号。而没 有任何损伤的介质，非线性调制现象十分微弱，可