基于峰值频率的复合板超声导波结构损伤检测方法

本发明涉及无损检测，具体地说，尤其涉及一种基于峰值频率调制字典的复合板超声导波结构损伤检测方法。

背景技术：

1、复合材料以其轻量化、高强度、优秀的力学性能，越来越多地应用于航空航天、风电、汽车等行业，成为高端装备的战略材料。然而，复合材料经常使用在恶劣的环境、剧烈的载荷作用和复杂的工作条件下，存在严重的侵蚀加速和损伤积累，监测复合材料的整体结构健康状况至关重要。在导波监测技术的帮助下，可以及时发现和维护结构损伤，在很大程度上保证结构安全。特别是在大型板状结构中，超声导波可以长距离传播而无明显衰减。

2、因此，超声波导波技术非常适合于板材结构的大面积、远程检测。超声导波监测技术是一种很有前途的复合材料结构健康监测手段，但超声导波模态的分离、提取和识别仍然是损伤定位任务中的难点。利用适应导波信号不同频散特性的过完备原子库对导波信号进行匹配以分离，提取和识别不同模态，再利用椭圆概率成像算法获取损伤的具体位置和结构状态，能较准确地获取导波信号的模态信息和复合板的损伤位置，具有较高的实用价值。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于峰值频率的复合板超声导波结构损伤检测方法，采用基于峰值信息的快速匹配追踪算法，准确提取超声导波信号的峰值信息，实现超声导波模态的分离、提取和识别，利用椭圆概率成像方法对复合板进行损伤成像，准确获取导波信号的模态信息和复合板的损伤位置。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

3、一种基于峰值频率的复合板超声导波结构损伤检测方法，包括以下步骤：

4、建立复合板标准试块，并通过人工模拟损伤样本；

5、利用多传感压电超声导波检测技术，获取复合板超声导波正常信号和损伤信号；

6、基于超声导波的峰值和频率，得到适应导波信号不同频散特性的过完备调制字典；

7、根据导波信号包络特征，提取复合板导波信号的峰值位置信息，采用基于峰值信息的快速匹配追踪算法，分离、提取和识别导波信号不同模态；

8、利用正常模态与损伤模态的能量差，获取导波信号损伤指数，利用椭圆概率成像算法，获取复合板损伤的具体位置和结构状态。

9、进一步地，复合板标准试块分为无损伤和分层损伤两类，分层损伤通过在复合板粘接铁块模拟分层损伤。

10、进一步地，在无损伤和有分层损伤的复合板上下两端分别等距粘贴多个压电传感器，并分别采集不同压电传感器之间的导波信号。

11、进一步地，过完备调制字典通过分析导波信号的时频域特性，选取正弦调制函数构建字典，使基函数与导波信号高度匹配，基函数ω(t)表示如下：

12、

13、式中，f为超声导波信号的中心频率，n为峰值数，t为导波传播时间；

14、为获取原子矩阵，对基本原子ωδ(t)进行一系列移位、调制和相位变化如下：

15、

16、式中，τ为时移，为相位，c为比例因子，i为虚数单位，δ表示原子排列序号。

17、进一步地，利用hilbert变换获取导波信号包络极值，搜索复合板导波信号的峰值位置信息，并采用基于峰值信息的快速匹配追踪算法，分离、提取和识别导波信号不同模态。

18、进一步地，hlibert变换获取导波信号包络方法为：

19、

20、式中，为原始信号x(t)的hilbert变换输出，τ为相位；

21、分析信号y(t)由x(t)和构成如下：

22、

23、式中，a(t)为x(t)的包络，为相位，j为虚数单位；

24、得到导波信号包络后，找到包络极值的位置，通过从包络极值位置向两端固定循环搜索距离搜索峰值。

25、进一步地，基于峰值信息的快速匹配追踪算法，包括：

26、将字典ф中与模态峰值位置相匹配的原子构建出原子库ψ1＝[η1(t)，η2(t)，η3(t)，…，ηm(t)]，m表示原子库中原子个数；

27、从原子库ψ1中选择与原始导波信号x(t)匹配的最佳原子η1(t)，最佳匹配要求它们的内积[x(t)，η1(t)]是原子库中与导波信号x(t)中所有原子的最大内积；

28、在迭代后，导波信号x(t)分解为最佳原子η1(t)和信号残差r1(t)的分量；

29、对残差信号继续匹配最佳原子，当信号的稀疏分解与信号充分逼近或残差信号满足设定的阈值时，迭代停止；

30、得到导波信号的最优原子线性组合为：

31、

32、式中，i为分解原子的个数；ri(t)为第i个残差信号；ηi+1(t)为第i+1个原子；l为导波信号的模态个数。

33、进一步地，利用匹配损伤信号与匹配正常信号之间的能量差，获得导波信号的损伤指数di为：

34、

35、式中，为匹配损伤信号的波包能量，e(t)为匹配正常信号的波包能量；

36、利用椭圆概率成像方法对复合板进行损伤成像，得到：

37、

38、式中，pr(x,y)为离散点(x,y)在r条超声导波传播路径的估计损伤概率；np为所有传感器传播路径条数；wr(x,y)为离散点(x,y)在第r条超声导波传播路径的线性衰减成像权值；dir为第r条超声导波传播路径的损伤指数；p(x,y)为离散点(x,y)在所有超声导波传播路径的总损伤概率；

39、通过点对点计算在不同传播路径上的损伤概率，得到总损伤概率最高的位置为复合板的损伤位置。

40、一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现如上述任一项所述的基于峰值频率的复合板超声导波结构损伤检测方法。

41、一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上述任一项所述的基于峰值频率的复合板超声导波结构损伤检测方法。

42、与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

43、1.本发明采用多传感压电超声导波技术对复合板进行检测，模态识别和损伤位置识别可大规模、多组数据同步进行。

44、2.本发明通过分析超声导波信号的时频域特性，构建了一个峰值-频率调制字典，该字典的基函数与导波信号高度匹配。

45、3.本发明采用了基于峰值信息的快速匹配追踪算法，能够准确提取超声导波信号的峰值信息，实现超声导波模态的分离、提取和识别。

46、4.本发明利用匹配损伤信号与匹配正常信号之间的能量差获得损伤指数，利用椭圆概率成像方法对复合板进行损伤成像，能准确地获取导波信号的模态信息和复合板的损伤位置。

技术特征：

1.一种基于峰值频率的复合板超声导波结构损伤检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于峰值频率的复合板超声导波结构损伤检测方法，其特征在于，复合板标准试块分为无损伤和分层损伤两类，分层损伤通过在复合板粘接铁块模拟分层损伤。

3.根据权利要求2所述的基于峰值频率的复合板超声导波结构损伤检测方法，其特征在于，在无损伤和有分层损伤的复合板上下两端分别等距粘贴多个压电传感器，并分别采集不同压电传感器之间的导波信号。

4.根据权利要求1所述的基于峰值频率的复合板超声导波结构损伤检测方法，其特征在于，过完备调制字典通过分析导波信号的时频域特性，选取正弦调制函数构建字典，使基函数与导波信号高度匹配，基函数ω(t)表示如下：

5.根据权利要求1所述的基于峰值频率的复合板超声导波结构损伤检测方法，其特征在于，利用hilbert变换获取导波信号包络极值，搜索复合板导波信号的峰值位置信息，并采用基于峰值信息的快速匹配追踪算法，分离、提取和识别导波信号不同模态。

6.根据权利要求5所述的基于峰值频率的复合板超声导波结构损伤检测方法，其特征在于，hlibert变换获取导波信号包络方法为：

7.根据权利要求1所述的基于峰值频率的复合板超声导波结构损伤检测方法，其特征在于，基于峰值信息的快速匹配追踪算法，包括：

8.根据权利要求1所述的基于峰值频率的复合板超声导波结构损伤检测方法，其特征在于，利用匹配损伤信号与匹配正常信号之间的能量差，获得导波信号的损伤指数di为：

9.一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，处理器执行计算机程序时实现如权利要求1至8任一项所述的基于峰值频率的复合板超声导波结构损伤检测方法。

10.一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至8任一项所述的基于峰值频率的复合板超声导波结构损伤检测方法。

技术总结
本发明公开了一种基于峰值频率的复合板超声导波结构损伤检测方法，包括以下步骤：建立复合板标准试块，并通过人工模拟损伤样本；利用多传感压电超声导波检测，获取复合板超声导波正常信号和损伤信号；基于超声导波峰值和频率，得到适应导波信号不同频散特性的过完备调制字典；根据导波信号包络特征，提取导波信号的峰值位置信息，采用基于峰值信息的快速匹配追踪算法，分离、提取和识别导波信号不同模态；利用正常模态与损伤模态的能量差，获取导波信号损伤指数，利用椭圆概率成像算法，获取损伤的具体位置和结构状态。将基于峰值信息的快速匹配追踪算法与椭圆概率成像算法结合，分离、提取和识别导波信号模态，获取复合板的损伤位置和结构状态。

技术研发人员：洪晓斌,罗泽文,张斌
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17