CN102507751A - 碳纤维增强复合板脱粘缺陷的单模式超声导波参数精确量化检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳纤维增强复合板脱粘缺陷的单模式超声导波参数精确量化检测方法。由于复合板中超声导波的传播机理尚未被完全认识清楚，所以目前对复合板中脱粘缺陷的导波检测主要方法是根据部分已知的导波传播特性，推断复合板中脱粘缺陷对导波各模式的影响，并结合大量实验找出能表征脱粘缺陷大小的特征参数作为缺陷量化的标准。目前已知的脱粘缺陷对导波传播特性的影响包括：衰减特性、频散特性和模式转换特性等。其中，衰减特性表现为导波能量的变化，频散特性表现为波包的时域展宽，模式转换特性表现为单模式信号向多模式信号的转化。三种特性的联合作用导致实际检测信号十分复杂，不易提取缺陷信息。但是通过提取单模式信号并抑制其频散效应，可以突出缺陷引起单模式导波信号的幅值变化信息，方便提取缺陷的特征参数。

Description

碳纤维增强复合板脱粘缺陷的单模式超声导波参数精确量化检测方法

一、技术领域

本发明涉及一种碳纤维增强复合板脱粘缺陷的单模式超声导波参数精确量化检测方法。

二、背景技术

由于复合板中超声导波的传播机理尚未被完全认识清楚，所以目前对复合板中脱粘缺陷的导波检测主要方法是根据部分已知的导波传播特性，推断复合板中脱粘缺陷对导波各模式的影响，并结合大量实验找出能表征脱粘缺陷大小的特征参数作为缺陷量化的标准。目前已知的脱粘缺陷对导波传播特性的影响包括：衰减特性、频散特性和模式转换特性等。其中，衰减特性表现为导波能量的变化，频散特性表现为波包的时域展宽，模式转换特性表现为单模式信号向多模式信号的转化。三种特性的联合作用导致实际检测信号十分复杂，不易提取缺陷信息。但是通过提取单模式信号并抑制其频散效应，可以突出缺陷引起单模式导波信号的幅值变化信息，方便提取缺陷的特征参数。

通过有效的信号处理手段，对多模式导波信号中的模式数量、种类以及能反映缺陷信息的特征量进行提取，并以此作为定量评价缺陷信息的依据，是超声导波检测中的关键技术。信号处理方法是缺陷量化的基础，直接决定了检测精度。通过对多模式导波信号的分析来提取缺陷信息属于对导波波动反演的范畴，其实质是通过含信息信号反推实际情况，适用于复合材料中超声导波传播机理尚未被完全揭示的情况。

三、发明内容

本发明的目的是：提出一种碳纤维增强复合板脱粘缺陷的单模式超声导波参数精确量化检测方法。

本发明的检测原理是：通过优化激励和接收条件抑制导波频散效应后，可通过S0模式的幅值随缺陷的变化规律提取表征缺陷大小的特征参数。通过时频分布可知，在图5所示接收信号的15～40μs区间内可以分辨出两个主要模式S0和A0，而且当缺陷大小不同时两个模式的波会发生显著的变化。从15～24μs这个时间窗内信号的变化趋势来看，随着缺陷尺寸的增加，S0模式导波信号波包峰值增加较为明显，因此可选用S0模式导波信号包络峰值作为表征缺陷大小的特征参数。

其特征在于：通过对超声波激励和接收条件优化技术、导波模式控制与识别技术以及复合板中脱粘缺陷对S0模式导波的影响规律深入研究的基础上，提出提取单模式信号并抑制其频散效应，可以突出缺陷引起单模式导波信号的幅值作为表征复合板脱粘缺陷大小的导波特征参数，为缺陷成像检测提供了量化基准。

本发明的优点在于：使用时频分析方法对导波信号的时频域联合特性进行分析。通过对多模式导波信号的分析来提取缺陷信息属于对导波波动反演的范畴，适用于复合材料中超声导波传播机理尚未被完全揭示的情况。

四、附图说明

图1典型多模式超声导波信号波形图

图2超声导波信号模式识别图

图3复合板频散曲线

图4超声导波时间窗截取信号

图5单S0模式超声导波信号.

图6碳纤维增强环氧树脂基复合板中超声导波衰减特性图

图7碳纤维-环氧树脂复合板S0模式导波平稳小波变换包络

图8碳纤维-环氧树脂复合板S0模式导波平稳小波变换包络

图9碳纤维增强环氧树脂基复合板x方向脱粘缺陷特征参数分布规律

图10碳纤维增强环氧树脂基复合板y方向脱粘缺陷特征参数分布规律

五、具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行详细说明：

Wigner-Ville分布是分析非平稳时变信号的重要工具之一，在一定程度上解决了STFT存在的问题，其定义为信号中心协方差函数的傅立叶变换。为了提高时刻聚集性，可以对信号的Wigner-Ville分布进行加窗平滑处理，得到新的分布称为伪Wigner-Ville分布(Pseudo Wigner-Ville Distribution，简称PWVD)。与STFT对信号的线性表示不同，PWVD是信号的二次型时频表示，对非平稳的超声导波信号信号的适应性较强，可以得到更准确的导波视频分布信息。

对导波信号f(t)的PWVD变换运算可表示如下：

${\mathrm{PWD}}_x={\∫}_{-\∞}^{+\∞}h\left(\mathrm{\τ}\right)f(t+\frac{\mathrm{\τ}}{2})f^{*}(t+\frac{\mathrm{\τ}}{2})e^{-j2\mathrm{\π\τ}}\mathrm{d\τ}---\left(1\right)$

其中，h(τ)为矩形窗。

图1为经多边界反射后产生的典型多模式超声导波信号，可看出在140μs、170μs和180μs附近出现了三个波包。从导波频散曲线可以看出，在特定频厚积fd下各个模式的传播速度一般不同，通过将图1信号的PWVD时频分布与理论时频分布曲线对比，可以对导波信号的模式成分进行分析，图2为超声导波信号模式识别图。

通过图3所示复合板的频散曲线可以看出，导波的主要特点是频散和多模式，而多模式导波的混叠对缺陷造成了较大困难，因此，利用时频域联合分析方法提取导波特定模式随缺陷变化的规律，是量化缺陷的主要途径。低频段的S0模式具有频散效应小、低衰减和传播速度快的优点，使得S0模式成为超声导波检测中使用最多的模式[。含缺陷Φ50mm脱粘缺陷的碳纤维-环氧树脂复合板中导波信号如图5.50所示：

对导波进行模式识别后发现，S0模式导波的主要部分分布在15～24μs这个时间窗内，而A0模式的主要部分分布在24～35μs。两种模式在24μs处出现叠加，即图4所示信号。因此，在时域范围截取原始信号15～24μs内的信号低通滤波后的信号，可认为只有S0模式信号，即图5所示信号。

由于碳纤维-环氧树脂复合板中的导波信号模式较少，且S0模式占主要成分，因此，直接通过时频域分析后，在时域截取S0模式的时间区间后做低通滤波，抑制A0的成分，即可得到较为理想的单S0模式信号。

从信号时频分布图可以看出，15～24μs内的A0模式能量主要集中于1.5MHz，而S0模式能量主要集中于1MHz附近。因此截取15～24μs区间内的信号后，经过截止频率为1.2MHz的低通滤波器即可滤除A0模式，从而可以较好的提取接收信号中的S0模式信号。

根据图6所示脱粘缺陷对超声导波传播特性的影响规律可知，通过优化激励和接收条件抑制导波频散效应后，可通过S0模式的幅值随缺陷的变化规律提取表征缺陷大小的特征参数。通过时频分布可知，在接收信号的15～40μs区间内可以分辨出两个主要模式S0和A0，而且当缺陷大小不同时两个模式的波会发生显著的变化。从15～24μs这个时间窗内信号的变化趋势来看，随着缺陷尺寸的增加，S0模式导波信号波包峰值增加较为明显，因此可选用S0模式导波信号包络峰值作为表征缺陷大小的特征参数。

通过将信号SWT分解得到的前几阶高频系数置零，去掉信号中突变成分，保留变化趋势，重构后可以得到表示信号变化趋势的稳态小波重构信号。对时频域截取得到的S0模式导波信号进行10阶Morlet稳态小波分解，将前6阶包络高频系数置零，重构后得到表示信号变化趋势的SWT包络，如图7和8所示：

对图7和8所示SWT重构S0模式导波信号的包络进行对比分析可知，包络峰值随着缺陷尺寸变大而显著增大。因此，本文选用S0模式导波的SWT重构包络峰值作为特征参数，表征碳纤维-环氧树脂复合板中脱粘缺陷的大小。图9为y方向测得所有碳纤维-环氧树脂复合板试件的特征参数，以及特征参数线性拟合后得到的直线，可作为y方向缺陷量化的基准线。同样方法得到x方向缺陷特征参数和缺陷量化基准线如图10所示：

拟合出来的直线在检测范围内都是单调变化的，即特征值大小与缺陷大小一一对应，而且线性度较好，因此可作为缺陷大小的评价标准，可实现定量无损评估。

Claims (5)

1.本发明涉及一种碳纤维增强复合板脱粘缺陷的单模式超声导波参数精确量化检测方法。针对多模式导波信号存在模式混叠和缺陷信息难于提取的特点，综合采用时频域联合分析的方法对导波信号进行处理，识别和提取信号中的导波模式、抑制噪声和消除频散效应。通过分析脱粘缺陷对导波各模式信号的影响规律，提出了碳纤维增强环氧树脂基复合板脱粘缺陷的量化方法，可实现对碳纤维增强环氧树脂基复合板脱粘缺陷的定量化检测。

2.根据权利要求1所述的碳纤维增强环氧树脂基复合板中超声导波优化激励方法，其特征在于：通过优化激励和接收方法确保试件中的导波信号以S0为主，同时抑制其它模式导波的干扰。可以从S0模式导波的幅值变化信息中提取表征脱粘缺陷大小的特征参数。

3.根据权利要求1所述的碳纤维增强环氧树脂基复合板中超声信号模式识别方法，其特征在于：采用1MHz低频段S0模式超声导波信号的变化规律表征碳纤维增强环氧树脂基复合板脱粘缺陷的尺寸。

4.根据权利要求1所述的碳纤维增强环氧树脂基复合板中超声信号中单模式信号提取方法，对导波信号伪Wigner-Ville分布时频窗滤波可将原信号中的S0模式分离出来，为基于导波S0模式信号变化规律分析的缺陷检测提供了有效的模式提取方法。

5.根据权利要求1所述的碳纤维增强环氧树脂基复合板脱粘缺陷的超声导波特征参数提取方法，导波检测信号的包络峰值随着缺陷尺寸变大而显著增大，因此，选用S0模式导波的SWT重构包络峰值作为特征参数，表征碳纤维-环氧树脂复合板中脱粘缺陷的大小。提取包络峰值可得到y方向上表征脱粘缺陷大小的特征参数，同样方法得到x方向特征参数。

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