基于时间反转法的Lamb波检测技术的研究进展

Lamb波具有传播距离远、衰减小等特点,已被广泛应用于大型板类结构的损伤检测。时间反转是实现超声波聚焦的有效方法之一。本文回顾并总结了近20年来时间反转方法在Lamb波检测领域中的研究进展。针对Lamb波固有的频散和多模态等传播特性,详细论述了时间反转法在板结构Lamb波检测中的应用。最后对基于时间反转法的免基准信号Lamb波损伤检测方法进行了总结,分析其存在的问题并对其应用前景进行了展望。     

铝板中激光Lamb波信号的模态分析与缺陷检测研究

激光激励的Lamb波信号具有较宽的频带,且包含多个模态信息。本文采用二维傅里叶变换和时频分析等信号分析技术用于检测信号中的模态成分及缺陷信息识别。首先,对200组激光Lamb波信号进行二维傅里叶变换,得到信号的频率-波数图,可识别出激光Lamb波信号中的低阶A0、S0和高阶模态,并且A0模态能量高,可用于缺陷检测。随后对有、无缺陷状态下Lamb波信号进行连续小波变换,从时频图中识别出缺陷信号的频率成分,进一步提取特定频率下的小波系数幅值信号,实现了缺陷信息的识别。结果表明,二维傅里叶变换能较好地识别激光Lamb波的模态成分,而提取出的连续小波变换系数图,能准确实现缺陷定位。     

基于多层级LSTM的铝板缺陷检测

铝板因其优良的抗疲劳性和延展性广泛应用于航空航天和建筑等领域.然而在生产过程中,由于外部环境、操作工艺等的限制往往会产生各种各样的缺陷,从而影响其力学性能,例如会降低铝材料的强度、延展性和韧性等,导致其使用寿命的缩短.在单次发射和接收超声波的情况下,论文提出了多层级长短期记忆(long short-term memory, LSTM)神经网络的方法,用于辅助检测铝板的夹杂(气泡)缺陷.利用有限元软件COMSOL Multiphysics模拟含有夹杂缺陷的铝板中超声波的传播过程,导出含有缺陷信息的波形数据,通过训练波形数据,得到可以反映波形数据与夹杂缺陷大小和位置关系的网络模型.此外,该模型采用硬投票的方法以缓解网络训练过程中繁杂的参数调整问题,提高了检测结果的可靠性.结果表明:夹杂缺陷半径检测的准确率超过了98%,夹杂缺陷深度检测的准确率达到1,夹杂缺陷横坐标位置检测的准确率超过95%.为LSTM神经网络应用于超声无损检测提供了借鉴.     

基于认知技术的Lamb波结构损伤检测

在雷达领域最新技术进展的启发下,提出了一种新的概念——认知结构健康监测。认知结构健康监测是一种可以智能处理环境变化引起影响的结构健康监测系统:在先验知识及智能推理的基础上,通过调整系统输入及输出功能实现智能处理。并在此基础上提出了一种基于认知的Lamb波结构损伤检测方法,通过仿真进行了验证。铝板上的仿真结果表明,该方法能够在温度变化等干扰下准确地提取出与边界反射波混叠的损伤反射波,从而实现对边界附近损伤的检测。     

基于电磁声激励Lamb波的裂纹深度检测

本文采用电磁声传感器接收单一S₀模态激励,测量Lamb波在板中不同深度的槽形裂纹处的反射与透射,用于对已知扩展长度的表面裂纹进行深度测量。然后分析了Lamb波模态的频散与波动特性,由超声Lamb波的波结构,近似计算了S₀模态入射到裂纹时的反射系数。计算结果与实验结果一致。结果表明,Lamb波在有限长裂纹处的反射系数可采用二维模型中的反射系数求解公式近似求解。采用电磁超声传感器接收单一S₀模态激励,重复测量稳定性高,适用于Lamb波反射系数的测量。Lamb波的反射系数与裂纹深度有很好的对应关系,可用于板表面已知长度裂纹的深度测量。     

Lamb波频域逆散射全聚焦成像方法研究

Lamb波因其传播距离远、衰减小常被用于板状结构的无损检测中,在基于Lamb波损伤检测的诸多成像技术中,全聚焦方法(Total Focus Method,TFM)方法因其成像分辨率高、信噪比高而受青睐.然而Lamb波的频散效应导致时域延时量不能被准确计算,进而影响传统TFM方法对损伤定位及成像的精度;此外,既有的TFM...     

Lamb波在复合材料板中传播的谱有限元模拟

众所周知Lamb波在复合材料中的传播呈各向异性的特点,经典有限元法模拟这类问题效率不高,所以,本文采用谱有限元法进行研究。先建立了一种新的谱有限板单元,该单元以Gauss-Lobatto-Legendre点作为节点,使质量矩阵是对角矩阵;另外,该单元采用了扩展的位移场,能够较好地模拟板结构的三维特性。然后,对复合材料板结构中Lamb波在对称模式与反对称模式下的传播速度进行了求解,将计算结果与Mindlin板谱单元的结果以及三维弹性理论的结果进行了比较,并讨论了Lamb波在反对称层合板中的传播特点。最后,模拟了Lamb波在含和不含损伤复合材料层合板中的传播,数值结果表明所建立的谱有限板单元可以较好地模拟出Lamb波在复合材料板结构中的传播特性。     

基于Lamb波频散特性的薄板声发射源定位方法研究

声发射源时差定位方法中波速的确定是定位准确的关键问题,根据模态声发射理论,声发射信号在薄板内的传播过程中具有频散现象和多模态特性.不同频率不同模态的声波其传播速度不同.基于Lamb波频散特性和声发射检测技术,采取时频联合分析方法对铝薄板中声波模式进行识别;利用低频段频散不明显的扩展波的波速和同一频率同一模态波到达两传感器的时间差来实现声发射源的准确定位;通过铝薄板中AE源定位实验表明,采用S0模式,即扩展波的波速进行定位计算,可以比较准确地确定声发射源的位置,而且理论值与实际值相差很小.     

基于激励单一模态Lamb波磁致伸缩换能器的结构优化仿真分析

为提高超声Lamb波信号强度,对磁致伸缩贴片换能器结构进行优化。在磁致伸缩贴片径向开狭缝的同时采用双面激励的方式使铝板内产生单一模态Lamb波,对优化后的结构进行理论分析并结合仿真验证;利用COMSOL仿真磁致伸缩贴片换能器在铝板内激励Lamb波的过程,得到优化前后磁致伸缩贴片附近磁场强度、上下表面电流密度,以及铝板应变;以铝板内质点位移作为Lamb波信号强度的评判标准。结果表明:利用优化后的结构对铝板双面激励可以使质点位移增加68.4%;相比于结构未优化时,在双面激励的条件下,将磁致伸缩贴片径向开狭缝,可有效增加输出信号,并且可以得到单一模态Lamb波。     

磁场对电磁弹性板中Lamb波频散特性的影响

研究了静态磁场下电磁弹性结构中Lamb波的传播行为.在确定静态磁场下电磁弹性板中耦合初始广义应力(弹性应力、电位移和磁感应强度的基础上,推导了含初始广义应力时板中Lamb波传播的运动方程,并由此获得了对称模态和反对称模态时的频散方程.以由BaTiO3-CoFe2O4材料构成的电磁弹性板模型作为数值算例,绘制了Lamb波传播的对称模态和反对称模态频散曲线.计算结果表明磁场对Lamb波的频散特性有一定的影响.     

利用兰姆波对板状结构中隐蔽腐蚀缺陷的检测

在石油、天然气、化工和石化行业中,许多大型容器和储罐常用来储存带有腐蚀性液体或气体,其内壁极易被腐蚀变薄而影响其使用寿命。为了激励出合适的导波模态检测容器内壁的隐蔽腐蚀缺陷,本文对一块2.76mm厚并蚀刻了一个人工腐蚀缺陷的钢板进行了检测。实验中,采用了一发一收法,并分别激励了对称模态S1和反对称模态A1对该缺陷进行了检测。利用短时傅立叶变换对接收到的时域信号进行了时频分析,得到各导波模态的模态转换,频散和衰减结果。通过对比可以看出,S1模态更适用于检测隐蔽腐蚀缺陷。结果显示,通过选取合适的模态,导波检测方法有可能用于大型容器和储罐内壁腐蚀缺陷的检测。     

偏压电场对压电板中Lamb波相速度的影响

本文研究了偏压电场作用下,Lamb波在压电板中的传播行为，首先给出了偏压电场作用时压电板中的应力场及电位移场，然后通过求解含初应力及初电位移的小幅波动问题的耦合方程，分别给出了Lamb波的对称模态和反对称模态的相速度方程，以典型的PZT－5H压电陶瓷板为例进行了数值计算,并讨论了偏压电场对Lamb波相速度及频散曲线的影响，结果表明，偏压电场可以显著地改变Lamb波的传播速度，借此可使声波器件获得延时效果。     

一种用于计算板中缺陷兰姆波散射的混合边界元法

本文介绍了一种将传统边界元法和兰姆波的本征模式函数相结合的混合边界元法，用此方法解决兰姆波在板材中传播时遇到缺陷发生的散射问题，计算了兰姆波通过缺陷后的反射与透射系数。文中给出了若干兰姆波信号幅度与板中不同深度缺陷的相互关系。     

基于传递函数法的兰姆波解析模拟

论文研究了兰姆波传播的解析模型.薄压电传感器(PZT)被用于兰姆波的激发.为模拟PZT的激励,采用PZT边缘的分布式点源等效PZT的激励,建立了解析模型的边界条件.结合三维傅里叶变换,在频率波数域求解了三维波动方程,得到了在单位周期激励下兰姆波的频域响应.结合传递函数法,可以得到任意激励下兰姆波的频域响应.利用傅里叶逆变换,进一步求解了兰姆波在时间-空间域的全局波场.为了验证解析模型,将解析模拟与实验进行了比对.试验测量值与解析模拟结果相吻合.     

乳化液润滑冷轧铝板表面缺陷分析

针对乳化液润滑冷轧铝板表面出现的黑色条纹状缺陷及腐蚀斑缺陷进行了研究,分别使用表面形貌仪、扫描电子显微镜对铝板的表面形貌和表面微观结构进行了观测。使用能量色散光谱和X射线光电子能谱对铝板表面的化学成分进行了分析,并探讨了表面缺陷产生的机理。结果表明：表面发黑缺陷是由于润滑失效导致表面出现微裂纹造成的,而腐蚀缺陷是由于局部残留水的作用在铝板表面发生电化学反应从而形成较厚的氧化层。     

板背部缺陷的单侧非接触式超声无损检测方法

随着板状结构在石化、航空航天和电力等工业领域中的广泛应用,急需发展相应的无损检测技术,对其结构完整性进行定期评估,以保证结构的安全运行。基于空气耦合换能器的Lamb波技术,可以非接触快速地对板状结构进行扫描,在结构安全检测领域有广阔的应用前景。本文采用基于势函数法的空气耦合板状结构声传播模型,通过理论求解得到其Lamb波临界角随频厚积的变化规律。实验中采取空气耦合换能器激发和接收Lamb波,采用傅里叶变换和信号滤波技术识别S0和A0模式,并通过与理论结果比较进行确认。最后,分别采用S0和A0模式对板背部半通孔缺陷进行定位,结果显示该单侧非接触式超声无损检测方法可用于板状结构背部缺陷的检测。     

混凝土损伤识别中的时间逆转成像方法

时间逆转成像技术具有定位准确和操作简单之特点,本文将其运用于混凝土结构损伤的检测．通过提取各换能器单元的发射信号和损伤散射信号构建超声波传播的传递矩阵然后对其进行奇异值分解,获得包含损伤信息的奇异向量;采用多重信号分类(multiple signal classification, MUSIC)算法,分别基于数值模拟数据和实验实测数据对混凝土结构内部损伤进行成像,实现了准确的损伤定位,并将成像结果与偏移成像法进行对比．此工作探索了将时间逆转成像技术应用于混凝土结构内部损伤实际工程检测可行性,为无损检测技术人员定性或定量分析混凝土结构的内部缺陷提供理论参考．     

Lamb波理论及层合板冲击损伤的实验研究

从理论上分析了板中Lamb波信号的传播特性,并给出Lamb波在板中传播的频散方程。理论分析及实验均表明,Lamb波的频散特性与复合材料结构损伤有着直接的联系,而且最低阶的对称和反对称Lamb波模态对层合板的损伤比较敏感,但应用Lamb波的频散效应监测结构的损伤在检测技术上还难以实现。根据板中导波形成Lamb波的共振原理,板中应力波的幅频特性很大程度上反映了Lamb波的谐振特征。因此,利用压电元件的压电阻抗谱分析应力波的各阶模态频率及振幅对结构损伤的变化,能够反映材料内部损伤与Lamb波的频散特性。文中针对表面粘贴压电元件的层合板智能结构,建立了包含Lamb波谐振模式的压电阻抗计算模型。冲击损伤试件的实验表明,由于结构损伤的出现压电阻抗谱中的模态频率及其阻抗幅值等特征信息将发生变化。因此,引入应力波损伤因子可以对结构冲击损伤的存在和程度进行初步评价。该方法基于结构的机-电动态阻抗特性,不受结构的几何形状限制,测试用的压电元件成本低,方法简单可行,有望在智能结构的健康诊断方面获得应用。