基于Lamb波传播路径分析的复合材料板中缺陷成像*

板型波导结构中的缺陷对Lamb波的传播会产生干扰,接收信号受干扰程度与缺陷和激励、接收传感器路径间的相对距离有关。提出一种基于Lamb波传播路径分析的多频率数据融合缺陷检测方法,对复合材料板中缺陷区域进行成像。采用压电传感器进行Chirp信号激励,由Chirp激励响应计算出具有不同中心频率的Tone burst信号,为成像算法提供多频率缺陷信息。对各信号中首次抵达波的包络峰值进行分析,确定缺陷所在位置同激励接收路径间的关系。选择同缺陷所在路径具有相近Lamb波传播速度的路径作为关注路径,结合椭圆成像算法和该路径中的缺陷散射信号信息计算出缺陷所在的椭圆轨迹。引入椭圆轨迹计算误差容限,对计算得到的不同频率下的椭圆轨迹进行筛选,将筛选后的椭圆轨迹进行融合实现缺陷区域成像。通过对复合材料板中缺陷区域的试验检测,验证了所提算法的可行性。     

基于全向型S_0模态磁致伸缩传感器的无参考缺陷成像方法研究

Lamb波具有传播距离远、衰减小等优点,能在板结构中实现大范围、高效率的损伤检测和监测,在无损检测和结构健康监测领域具有极大的应用潜力。针对板结构大范围健康监测问题,为了能周向一致地激励出模态单一Lamb波S0模态,提高缺陷成像能力,基于磁致伸缩效应,设计并制作一种全向型S0模态磁致伸缩传感器,由印刷电路板线圈,圆柱磁铁,圆形镍片组成。试验验证研制的传感器能够在铝板中有效激励出单一的S0模态,并测试其频率响应特性以及全向性,结果表明设计传感器中心频率为365 k Hz,并具有较好的全向性。进一步利用研制的全向型S0模态磁致伸缩型传感器组成稀疏传感器阵列。采用自激自收的方式对铝板结构中缺陷进行检测。利用离散圆弧成像与数据融合算法相结合的方法对多组数据进行处理,消除常规的稀疏传感器阵列成像时对结构健康状况下的信号依赖,无需健康状况下的信号作为参考,实现了在板结构中缺陷的定位和成像。     

基于全向性SH_0模态磁致伸缩贴片型传感器阵列的铝板缺陷成像研究

板材在生产、运输或使用过程中易产生缺陷,影响板材的使用并造成安全隐患。采用传感器阵列成像技术能够直观、清晰地显示出缺陷的相关信息。SH_0模态在铝板中传播时无频散现象,波速恒定,在对信号进行处理时,不需要考虑频散特性带来的影响,有利于缺陷定位和成像。基于磁致伸缩换能机理,研制出一种能在板中激励接收SH波最低阶模态即SH_0模态的磁致伸缩贴片型传感器,并测试其全向性。以工程中应用广泛的铝板作为研究对象,运用研制的全向性SH_0模态磁致伸缩贴片型传感器布置成分布式传感器阵列。利用椭圆成像算法,实现了铝板中不同直径的模拟缺陷成像检测,探究了全向性SH_0模态磁致伸缩贴片型传感器阵列的检测能力,并基于ROC曲线设定成像通用阈值,提高了缺陷成像质量。     

基于空气耦合兰姆波的铝板缺陷检测

针对铝板中的缺陷,采用空耦超声法对铝板进行检测。以特定入射角、接收角在薄板中激励兰姆波,对接收信号进行二维傅里叶变换以识别信号模态。对薄板中存在的缺陷,利用缺陷反射信号进行B扫成像,结果显示,低阶兰姆波模态均可有效识别出铝板中的缺陷,但A0模态比S0模态更适合应用于空耦的检测。     

基于宽频激励的管型结构导波检测

在对管型结构的导波检测过程中,需要预先选定导波模态,并确定激励频率,这个选择的过程存在一定的盲目性,而在多次反复试验中确定最佳激励模态和频率也会带来精力、时间、硬件资源的耗费问题。介绍一种信号处理方法,在宽频信号作为激励产生响应的基础上,采用该算法可获得其频带范围内任意单频激励信号对应的响应,有效解决了预先选定模态及频率的问题。同时,引入时频分析技术,根据缺陷反射回波能量的分布情况快速确定具有低模态转换响应的导波频率区间。通过对比各频率计算结果的模态和缺陷反射信号幅值,发现缺陷管中理想的激励导波频率在140~180 kHz,且缺陷反射回波幅值随激励信号周期增加而增加,但这种特点在低频表现得不明显。这为根据管中缺陷大小及类型,选择不同激励频率和周期提供了理论依据。     

空气耦合Lamb波在单晶硅中的传播特性和缺陷检测研究

单晶硅是制造硅太阳能电池的主要材料之一,但其中的各类缺陷对其光电转换效率影响颇大。针对这些问题,采用空气耦合Lamb波检测方法对单晶硅产品的质量进行快速评价。理论计算Lamb波在各向异性的单晶硅中的频散曲线,得到Lamb波在不同方向上的理论速度分布;利用空气耦合超声传感器在(001)晶面的单晶硅中激励出A0模态的Lamb波,研究200 k Hz频率下Lamb波的入射角度与信号幅值的关系,确定最优入射角度为13°。采用相位谱的方法计算A0模态的相速度,试验结果与理论值吻合良好。利用波包幅值法和相关函数法分别计算A0模态的群速度,结果说明相关函数法测得的群速度与理论值误差更小;采用扫描方法对单晶硅进行缺陷检测,通过计算接收信号与参考信号的相关系数,确定出缺陷的位置和大小。     

Lamb波在搭接板中传播规律的数值仿真研究

对储罐底板的搭接结构进行建模仿真,利用加载波结构的原理在板中激励出单一的Lamb 波模态,得到了各模态在搭接板中的传播规律与信号特征;利用能量系数对不同频率激励情况下的各模态信号进行了分析,得到了A0模态和S0模态能量分布和损失的规律,对比了各自穿透焊缝的特性,同时,研究了搭接长度对信号的影响。研究表明,低频Lamb波...     

基于Chirp激励的管道污垢超声导波检测频率优化选择研究

采用传统的单频信号作为污垢管道导波激励信号,须进行反复多频测试以确定最佳检测频率,存在一定盲目性以及时间、资源耗费等问题,提出一种宽单频转换算法,在采用宽频chirp信号作为污垢管道超声导波激励信号基础上,利用该算法对其响应信号进行后处理,可获得其频带范围内等同于单频信号激励时的响应,通过对比不同频率导波响应的能量分布及模态纯度确定最佳检测频率,并结合时频分析方法,根据污垢管道宽频响应能量分布情况快速确定合适的检测频率区间。仿真分析及实验研究表明:中心频率175 kHz最适合于所考察污垢管道导波检测,利用该方法确定污垢管道最佳导波检测频率的过程在减少采集时间的同时解决了多频测试的需要,为利用导波方法实现管道污垢由"点"到"线"的检测奠定了的基础。     

电涡流相位梯度及其在导电材料缺陷识别中的应用

使用空间域相频谱分析方法,将相位梯度作为缺陷检测信号特征量,对不同类型的缺陷进行检测和分类。数字相敏解调技术用于提取检测信号的相位梯度。采用双空气芯线圈涡流传感器并施加1～10 kHz多频激励信号,对平板金属样件进行表面缺陷、下表面缺陷、内部缺陷的识别及分类。实验结果证明,实验系统可以有效地检测出缺陷,并通过空间域相频谱分析得到可视化检测结果,采用相位梯度作为特征量有效抑制了提离噪声对检测结果的影响。     

电涡流传感器的脉冲激励与双参数检测

采用矩形脉冲作为激励信号,对电涡流传感器在位移检测过程中谐振频率及谐振阻尼的变化情况进行了研究分析.建立了以现场可编程门阵列(FPGA)为核心芯片的检测系统,用于产生所需要的矩形脉冲激励信号以及对传感器响应信号的欠采样.利用8 mm直径的电涡流线圈,对0～10 mm范围内碳钢目标靶的位移响应特性进行了测量,借助短时傅里叶变换分析了响应信号中频率成分的分布情况,同时获得了谐振频率及谐振阻尼的测量值.验证了通过脉冲激励同时获取电涡流传感器双参数检测的可行性.为研制基于电涡流效应的位移传感器及无损探伤传感器提供了一种新思路.     

基于 Lamb 波的数据传输与缺陷检测同步实现方法

在结构健康监测领域,超声导波相对于体波具有传输距离远、覆盖范围大、检测成本低的优点。提出了一种基于Lamb波的数据传输与缺陷检测同步实现方法,实现了超声系统的多功能复用。通过理论仿真与扫频实验验证了Lamb波模态调制理论,使用压电晶片主动传感器在铝板上以500 kHz的中心频率激发出S₀模态Lamb波进行数据传输和缺陷检测。针对Lamb波边界反射引起的码间串扰问题,采用移不变稀疏编码方法进行信息恢复,在具有反射边界的铝板上成功实现100 kbps的信息传输速率,并且误码率为0。同时,利用移不变稀疏编码中的原子信号进行结构缺陷检测,根据合成孔径聚焦技术实现了缺陷的准确定位,定位误差小于0.2%。     

基于十字形阵列和2D-MUSIC算法的Lamb波检测

采用由压电传感器组成的十字形阵列进行Lamb波信号的激励和接收，提出一种二维多重信号分类（2D-MUSIC）方法对铝板中的缺陷进行定位检测。选用合适的频率激励产生单一模态信号，可避免多模态的影响，降低Lamb波的频散；利用2D-MUSIC算法对接收信号进行分段处理，并结合反射信号和二维导向矢量对铝板中的缺陷进行定位。结果表明，提出的2D-MUSIC算法对铝板中的缺陷定位比传统MUSIC算法更精准。     

基于非线性超声调制方法的损伤识别与定位

在结构健康监测技术中,非线性弹性波谱方法具有对结构微小变化敏感的特性,能够有效地对裂纹等非线性损伤进行识别。笔者针对采用两个持续激励的普通非线性弹性波谱方法不能定位损伤的问题,提出了一种能够识别并且定位铝板中疲劳裂纹的非线性超声调制方法。该方法通过识别脉冲与高频超声波之间的调制现象来进行损伤检测。实验中,压电阵列粘贴于疲劳裂纹铝板表面,汉宁窗调制的正弦脉冲激励和正弦持续激励同时施加在压电阵列上。通过采集不同的作动传感路径的响应,利用短时傅里叶变换对响应进行频域分析,构造损伤指数量化损伤程度,对疲劳裂纹进行识别和定位。实验结果表明,所提出的方法可以成功地检测并定位疲劳裂纹损伤。     

基于Lamb波的压电陶瓷/环氧树脂复合材料传感器制备及应用

风力机叶片、飞机机翼等结构均为大面积曲面板类结构,基于Lamb波的结构健康检测技术对细微损伤比较敏感,是目前最具应用前景的技术之一。传统的Lamb波传感器大都采用PZT陶瓷制成,质地脆且硬度大,不能适应于曲面结构检测。将PZT陶瓷粉末与环氧树脂复合制备了一种新型柔性0-3型压电复合材料,研究了质量比、极化电场、极化温度和极化时间等因素对压电复合材料性能参数的影响,开展了多因素正交实验来确定材料制备的最优极化工艺参数。实验研究了该压电复合材料制成的传感器对Lamb波的传感响应特性,与现有的MFC、PVDF和传统压电片等传感元件的响应特性进行了对比分析。将制备的传感器应用于翼型曲面板,利用椭圆定位方法进行损伤检测。研究结果表明,PZT陶瓷/环氧树脂压电复合材料传感器具有良好的传感响应特性,能够很好地贴合于曲面板表面,与只能部分耦合于曲面板的传统压电片相比,采集的Lamb波信号更加准确,从而为曲面板类结构健康监测提供一种新型的柔性压电传感技术。     

基于压电晶片阵列的管中导波时反检测方法研究

为提高超声导波技术对管中小缺陷的检测能力,提出一种采用窄带高压脉冲激发安装在管道外表面的压电晶片阵列实现管中导波时间反转检测的新方法。该方法采用窄带脉冲同时激励沿管道表面轴对称安装的压电晶片阵列,从各压电晶片接收到的反射回波中提取含L(n, 2)模态的缺陷信息进行时间反转,并用获得的时反波再次激励阵列中对应压电晶片,整个阵列将同时接收到较单一L(n, 2)模态信号。试验结果表明,该方法能较好地抑制导波的频散、多模态特性,提高缺陷回波信噪比,增加对小缺陷的检测能力。同时,时反前、后所检测到的管道端面和缺陷反射回波的导波模态几乎相同,可采用特定频率的L(0, 2)模态群速度作为时反后缺陷波包的传播速度;且时反后的幅值最大的缺陷波包能重构窄带初始激励信号幅值最大的波包,可有效增加缺陷波包的辨识能力。     

循环域解调方法在滚动轴承故障诊断中的应用

讨论循环平稳信号的循环自相关函数特性，指出循环自相关函数不为零的循环频率对应着信号的周期成分。基于调幅和调频信号模型推导出循环域解调方法，通过扫描循环频率域使调制源(故障)信息解调在循环域的低频段和高频段。利用高频段无调制源交叉项的特点，对滚动轴承故障进行诊断，有效地提取出外圈、内圈和滚动体的故障特征。     

Ultrasonic focused waveform generation using time reversal acoustic focusing system

Abstract The concept of Time Reversal Acoustics (TRA) provides an elegant possibility of both temporal and spatial concentrating of acoustic energy in highly inhomogeneous media. We explored the possibility of generating acoustical signals with arbitrary waveforms using the TRA Focusing System (TRA FS). A method has been developed to predict TRA-focused ultrasound waveforms and spatial distribution by using the measurements of transfer function of transfer function relating the signal at the TRA transmitter to that at the focusing point. The developed approach for TRA-focused signal waveform prediction from the results of direct signal measurements was tested on ten-channel TRA FS based on aluminum resonator with glued piezotransducers. The TRA FS operated in the frequency band of 100–1000 kHz. The formation of ultrasonic signals with various envelopes was demonstrated experimentally. The calculated and experimentally measured waveforms and spatial distributions were practically identical. We formed triangular, rectangular, and amplitude modulated tone burst signals with different modulation frequencies in the focal region. The level of side lobes in the generated signals was much lower than that for standard TRA focusing.     

Analysis of acoustic radiation of circular piezoelectric plates enclosed in a flat rigid shield

Acoustic radiation of circular piezoelectric plates encased in a flat rigid shield is analyzed on the basis of a combined numerical-analytical method. It is shown that a plate made of piezoelectric ceramics of the second type with a higher dynamic coefficient of electromechanical coupling ensures a higher sensitivity in the transmission mode and a wider band of radiated frequencies. In addition, a plate of this type of piezoceramics has a lower level of side lobes of the directivity characteristic because of the more uniform normal-displacement distribution on its flat surface.     

小波包和小波脊线相结合的解调方法在液压泵故障诊断中的应用

针对轴向柱塞泵故障振动信号呈现出的非平稳和非线性特点,提出了一种基于小波包能量法与小波脊线法相结合的信号解调方法,将其用于液压泵故障诊断中的信号解调过程。该方法首先对原始振动信号进行功率谱分析,明确故障振动信号反映出的能量集中频带带宽;根据确定的带宽和原始信号分析频率设定小波包分解的层数,采用小波包能量法提取出分解系数对应频带能量最大的特征信息进行信号重构;利用小波脊线法对重构后的频带信号进行解调处理,通过信号的包络解调谱提取故障的特征频率,利用解调后的时频谱对液压泵单柱塞滑靴磨损、斜盘磨损以及中心弹簧故障进行分析。通过实验结果验证,该方法能有效地对液压泵的故障信号进行解调,并能找出反映故障的敏感特征频率。