钢花管中低频纵向超声导波传播特性的试验研究

钢花管是管棚支护结构中的核心承力构件。将超声导波技术应用于钢花管的无损检测显得十分重要。首先优化选取了适用于钢花管检测的压电陶瓷片尺寸以及激励频率为30kHz的L(0,2)模态。为研究钢花管管体上的孔对低频纵向超声导波检测能力的影响,试验研究了钢花管孔数与检测信号特征之间的变化关系。结果表明：钢花管孔数的增加对频率为30kHz的L(0,2)模态回波信号幅值几乎没有影响,表明低频纵向超声导波具有对长距离钢花管无损检测的潜力;而频率为30kHz的L(0,2)模态的群速度随钢花管管体中孔的增加呈线性下降的趋势。该研究结果为基于低频超声导波技术的钢花管无损检测奠定了一定的基础。     

用于医学超声内窥成像的编码激励技术

为了提高医学超声内窥系统中图像的信噪比,将编码激励技术引入超声成像系统.仿真研究了编码长度和换能器相对带宽对成像信噪比（SNR）提升的影响.发现在采用长度较短的2-5位Barker编码激励时,成像信噪比的提升在编码长度为4位时达到峰值,且信噪比的提升随换能器相对带宽的增加而增加.基于超声内窥成像系统的编码激励实验表明,在峰值激励电压为25 V和换能器相对带宽为20%的情况下,采用编码激励技术能够获得1.85 dB的成像信噪比提升.     

板状构件粘结强度的非线性超声导波检测

相较于铆接、螺接、焊接等连接方式,板状粘结构件具有质量轻、应力分布均匀等特点,广泛运用于航空航天、车辆制造等工业领域。板状粘结构件在服役过程中出现的粘结强度退化、弱粘结等会影响其服役可靠性及安全性,因此对粘结强度进行检测十分必要。非线性超声导波对材料微观结构特征变化比较敏感,可用于粘结构件的粘结强度检测。采用非线性超声导波对铝合金-环氧树脂-铝合金板状构件进行检测,通过不同的固化工艺制备粘结结构件模拟不同粘结强度,检测结构件中传播的非线性超声导波,计算超声非线性参量,获得超声非线性参量在不同固化工艺下的变化趋势。通过拉伸实验测得粘结强度,进而构建超声非线性参量与粘结强度的关系。实验结果显示,粘结强度越大,超声导波的非线性参量越小。该研究表明,非线性超声导波可有效检测板状构件的粘结强度,为工业检测板状结构粘结强度提供了有效方法。     

线性调频信号激励超声换能器的方法研究

针对超声换能器的特性,研究等幅及包络调制线性调频波的换能器激励响应。通过对比激励前后脉冲压缩的主瓣峰值、?3d B主瓣带宽和峰值旁瓣水平,探讨通过换能器后其信噪比和分辨率的性能。理论分析和仿真实验结果表明,两种调频信号通过换能器后信噪比和分辨率都减少,峰值旁瓣有所提高。包络调制线性调频信号激励换能器脉冲压缩的信噪比和分辨率高于等幅线性调频信号,但能量损失比等幅线性调频信号大。     

超声编码激励在瞬时弹性成像检测中的应用

瞬时弹性(Transient Elastography,TE)成像广泛应用于肝硬化研究。然而,在临床应用中,对于肥胖病人,该方法很难实现对深度位置的瞬时剪切波进行检测。研究了将超声编码激励应用于瞬时弹性成像剪切波检测的可行性,选用7位巴克码进行编码检测研究。通过剪切波信噪比和检测穿透力两个指标对编码检测与传统短脉冲检测结果进行量化和对比。弹性仿体实验表明,编码检测可以提供比传统短脉冲检测更高的剪切波信噪比和检测深度。离体猪肝实验表明将编码激励应用于组织检测时同样可以实现高信噪比剪切波检测。这些结果表明编码检测应用于瞬时弹性成像检测是可行的,可以增加其检测深度。     

高阶纵向超声导波在钢绞线缺陷检测中的应用研究

为了实现对钢绞线的主动健康监测,采用安装在结构外表面上的磁致伸缩传感器激励和接收高阶纵向超声导波,优化各种参数以用于缺陷的识别和评估.实验选取经Hanning窗调制的正弦脉冲信号在7芯钢绞线中激励中心频率0.86MHz的高阶纵向超声导波L(0,2)模态,用于在两根钢绞线外围钢丝和中心钢丝中人工缺陷的检测.实验分析了L(...     

窄板中超声导波传播特性试验研究

针对工程中窄板结构安全评价问题,该文对窄条板结构中超声导波传播特性进行了试验研究。首先,对无限大板结构中不同模态超声导波的传播特性进行了理论分析。然后,在不同宽度窄铝板上进行了不同模态超声导波对比试验研究。结果表明,与兰姆波相比,低阶水平剪切波(SH0波)受窄板宽度方向边界的影响小。当窄板宽度大于电磁声换能器宽度情况下,SH0波检测结果不受板宽度变化影响。在此基础上,将SH0波应用于电力系统接地网扁钢检测。结果表明,SH0波在扁钢中传播能力强,可用于现地埋扁钢无损检测。该文研究工作为工程窄板结构健康检测提供可行的技术方案。     

复合管状结构中超声导波的位移分布

对超声纵向导波在复合管状结构中的传播特性进行了分析。然后分析了系统中的位移分布,以此确定了各模式检测管材的最佳频厚积范围和检测的最佳位置。结果表明,各模式的径向和轴向位移在管内壁上的值较大,而在管壁中间和管外壁上的值较小;当频厚积增大到一特定值后,管壁中间和管外壁上的径向和轴向位移都近似为零,此特定值随模式阶次的提高而增加。选取各模式检测的频厚积时,应尽可能的选径向位移较小而轴向位移较大的频厚积点。     

基于物联网和超声导波的管道检测系统研究

针对当前城市管道检测系统实际应用时复杂的人工操作问题和管道工作环境信息的分析预警功能缺失问题,设计开发一套基于物联网和超声导波的城市管道检测系统。该系统将物联网、超声导波检测、信号处理等技术相融合,通过无线网络将数据传到云端数据处理中心并由数据处理中心分析管道检测信息,实现管道缺陷检测、环境信息采集以及预警等功能。实验仿真表明:该系统的缺陷定位精度达到了(能够满足)城市管道检测的要求,在减少人工操作的同时,能有效提供预警功能。     

充粘性液体管材中超声导波的应力分析

对超声纵向导波在充粘液管材中的应力分布进行了分析,并讨论了用各模式检测充粘液管材的最佳频厚积范围和检测位置。分析表明,随频厚积的增加,L(0,1)和L(0,3)模式的平面内应力在管外壁上的值由负向变为正向,而L(0,2)和L(0,4)模式面内应力的值则相反,变换方向的点恰好在各模式的下一高阶模式群速度最大时的频厚积点附近;而在管内壁上,法向应力分布曲线达到零点的位置恰好在各模式群速度最大时的频厚积点附近。在各模式群速度较大的频厚积区域内,该模式在管内外表面上的平面内应力较大,而法向应力较小,因此能量泄漏较小。故在各模式群速度较大的频厚积区域内,用该模式来检测充粘液管材较合适。     

利用Lyapunov指数实现超声导波检测的实验研究

利用杜芬方程Lyapunov指数提出了一种敏感的超声导波识别方法,并通过对钢管中导波信号的检测验证了该方法的有效性。首先,对比了输入Hanning窗调制导波信号与纯噪声信号对系统Lyapunov指数的不同影响,给出了利用Lyapunov指数识别弱超声导波信号的基本原理,并确定了检测系统参数。然后,利用压电传感器在3 m长的钢管中激发和接受超声导波,并将实测导波信号输入杜芬检测系统。研究结果表明,Lyapunov指数可以有效地识别出回波信号中是否存在导波信号,而对于噪声信号Lyapunov指数表现出一定的免疫力,该方法有助于提高管道微缺陷识别的灵敏度。同时,利用输入含噪声的实测导波信号与输入实测纯噪声信号后的两个最大Lyapunov指数之比定义损伤指标,当缺陷在一定范围之内时,该指标具有单调递减性,可用于评估缺陷大小。应用本方法,可有效地提高导波检测的灵敏度。     

利用混沌振子系统识别超声导波信号的仿真研究

本文提出了一种基于改进型杜芬混沌振子系统的强噪声下超声导波的识别和定位方法。首先,采用(-x3+x5)作为杜芬方程的非线性恢复力项,提高了系统的敏感性;其次,利用Melnikov方法、并结合待检测信号频率、噪声水平设置了杜芬系统参数;再次,利用驱动力幅值变化使得杜芬系统产生间歇式混沌,并将系统由大周期态向混沌吸引子过度的临界态作为检测系统。为了说明杜芬系统对噪声信号的免疫力,分析了随机噪声对系统扰动的统计特性。最后,利用导波信号对系统相轨图的显著变化识别导波信号,并提出了二分法用于识别导波发生时刻,并对输入信号的长度影响进行了讨论。仿真算例表明,利用杜芬系统相轨图对噪声和导波信号截然不同的响应特点,可以有效地检测弱导波信号,该方法对于延长导波的检测范围、以及提高微缺陷的检测灵敏度具有重要意义。     

管道中T(0,1)模态导波检测技术的发展与应用现状

超声导波具有检测速度快、检测范围广等优点,被广泛应用于各类缺陷的检测。而扭转模态作为超声导波的一种对称模态,具有频散小、能量集中、信号单一且易于分析的特点。综述了近年来扭转模态的发展历程,从T （0,1）扭转导波的传播与检测原理入手,对比各类激励探头的激励原理与效果,并对其进行优缺点分析。通过分析导波模态的选取原则和导波在单层管道、双层管道和充液管道中传播的性质,总结激励频率、液体粘度、液体密度等因素对扭转模态导波在管道中传播的影响,进而明确扭转模态的适用范围及适用的信号处理方法,对于今后扭转模态的发展具有借鉴意义。     

基于超声导波技术对钢杆表面缺陷的无损检测研究

研究了圆柱钢杆内导波的传播及其频散特性。通过实验验证了杆中“直达纵波”这一现象并对其进行了分析,同时利用所建立的实验系统,对2320mm长圆柱钢杆表面的人工缺陷进行了检测。结果表明,在特定频率处,选择L(0,1)模态的超声导波检测钢杆中的缺陷是可行的。     

超声导波频散曲线反演皮质骨参数的研究

皮质骨参数的变化可以反映骨质的健康状况,因此文章提出了一种频散能量匹配算法来反演皮质骨参数。首先,通过频散特性方程计算出预定义参数下的频散曲线数据库;其次,利用时域有限差分算法建立皮质骨声场模型,将仿真的时域信号通过功率谱估计得到频散能量信息,并与数据库进行匹配,通过分析匹配结果的能量从而得到皮质骨的厚度、纵波速度和横波速度。仿真结果显示：与理论值相比,厚度的平均相对误差为3.8%,纵波速度与横波速度的平均相对误差分别为0.6%、0.9%。对三组离体牛胫骨皮质骨进行反演,离体实验结果显示：与真实值相比,厚度相对误差为4.9%,且实验频散曲线与反演得到的理论频散曲线吻合。因此文中所提出的反演算法可以有效获取皮质骨的厚度,横波速度和纵波速度,从而为评价骨质的健康状况提供可靠的依据。     

基于超声导波的钢梁结构损伤大小识别研究

本研究探讨了应用超声导波检测技术在较厚结构中对结构损伤大小识别的可行性。基于优化的激励波形和PZT换能器布局,应用商业有限元软件Abaqus对导波在结构中的传播进行了仿真;同时对无损伤及有损伤的仿真模型进行了实验验证,实验信号与仿真波形具有很好的吻合度。仿真结果表明：随损伤深度或者损伤厚度的增加,损伤反射波波包、透射波波包的到达时间和信号幅值都会随之呈现一定规律的变化,从中提取变化较大的信号特征可用于损伤大小的识别。     

振动声激发超声导波评估皮质骨厚度的研究

利用振动声激发超声导波来评价长骨是一种较新的思路。基于超声轴向传播方法,首先通过三维有限元法对导波在长骨中的传播进行建模仿真,再根据接收波形求解0A导波模式的相速度,最后依据理论相速度频散曲线得出皮质骨厚度。对不同厚度(2~6 mm)的骨板仿真的结果表明,皮质骨厚度估计的平均误差仅为2.61%。所提出的方法能够有效评估皮质骨厚度,对发展超声导波反演长骨的新技术具有一定意义,同时为临床超声导波长骨诊断的研究提供了新的思路。     

基于振动模态分析的钢轨中超声导波传播特性数值计算方法

针对钢轨等复杂异型波导结构中超声导波频散特性难于求解的问题,本文通过振动模态分析提取出钢轨中超声导波传播特性。基于振动特征频率和波动解互相转化的原理,将振动模态分析获得的特征频率解,转换成波动解,进而提取出钢轨的频散特性。同时,还可以由结构振动分析中获得的变形信息,计算出超声导波的波结构。通过对计算出的钢轨中低阶超声导波模态频散特性和波结构分析,选择出适合钢轨无损检测的超声导波模态类型和频率范围,为后续专用超声导波传感器设计和检测实验提供理论支持。     

基于空气耦合超声导波法对开闭器水层厚度的研究

针对传统接触式超声检测高压电线杆开闭器水层厚度存在漏电风险问题,提出使用非接触式空气耦合超声导波技术对开闭器中水层厚度进行测量。对开闭器水中导波传播过程进行仿真并计算水层厚度;搭建开闭器实验室平台,控制水层厚度,改变换能器之间距离,对回波信号进行分析并计算水层厚度;控制换能器之间距离,改变水层厚度,对回波信号进行分析并计算水层厚度。通过仿真与实验使用几何声学对水层厚度进行计算得出关系式,将仿真与实验两者结果进行对比,有高度一致性,验证空气耦合超声导波法对开闭器中水层厚度测量的可行性与准确性。该方法可为测量开闭器中水层厚度提供新思路。     

用超声导波幅度谱方法评价复合材料板材疲劳损伤的数值研究

基于超声导波的频散方程及位移场表达式, 对单向碳纤维/ 环氧复合板中传播的超声导波的幅度谱进行了数值研究, 得到了能全面、直观反映复合材料板材疲劳损伤程度的超声导波幅度谱的灰度图。数值分析表明,当复合材料板材承受拉伸或弯曲载荷时, 其等效杨氏模量或等效剪切模量的变化率, 与超声导波幅度谱的灰度平均值之间存在单调的对应关系。采用超声导波的幅度谱方法可望能有效定征复合材料板材的初期疲劳损伤。