CN105403622A - 一种板材损伤识别定位方法 - Google Patents

Abstract

一种板材损伤识别定位算法测试系统包括：信号发射单元由计算机、波形发生器和压电晶体组成；信号采集和处理单元由压电传感器、数字示波器和计算机组成。本发明包括步骤：1)发射换能器激励信号：在被测介质上布置一定数量换能器阵列，将两列不同频率的兰姆波信号同时加载到两个相邻发射换能器上；2)反时序信号处理：由接收换能器接收步骤1)中信号，反时序、归一化；3)获自聚焦信号：将步骤2)中信号再次加载到发射换能器阵列，在接收传感器处接收到损伤聚焦信号；4)损伤识别算法：对步骤3)中聚焦信号结合四点圆弧定位方程，算出损伤单元到各个传感器的距离。重复以上步骤，重构出损伤信号图。本发明用于板材损伤识别定位方法。

Description

一种板材损伤识别定位方法

技术领域

本发明涉及的是板材损伤识别定位方法领域，具体是一种综合利用非线性调制兰姆波和反时序处理对板材中损伤识别定位方法。

背景技术

板材结构在航空、航天、建筑、汽车等众多领域中有着广泛的应用，这与人们的生产、生活息息相关，而且无论哪种材料的板材，在成型过程都经过多到工序、工艺复杂，这就使得板材中极易产生工艺损伤，一旦出现损伤而未及时得到监测，将造成巨大经济损失，给社会和生态环境带来十分严重的影响。因此，建立一种板材损伤识别定位方法，为板材的安全使用提供必要的技术支撑十分必要。

兰姆波在板材结构中传播时，结构内部的各种损伤会引起应力集中、裂纹扩展，这些以及损伤周围区域都会引起在结构中传播的兰姆波信号的散射和能量吸收，基于此种现象，兰姆波被用来对结构中损伤或缺陷进行监测。然而，兰姆波在板材传播过程存在模式转换及频散现象，现有超声检测方法主要基于线性声学，虽然简化了分析过程但同时限定了超声检测的准确度和灵敏性，而且传统信号分析方法仅从时域信号中，对信号中波包的到达时间兰姆波幅度变化、波形畸变程度信息来对损伤缺陷尤其是微小损伤缺陷有无进行判定和确定难度很大，而且兰姆波检测信号属典型的非平稳信号，由于兰姆波的频散特性使得单纯地从时域或频域都不可能详尽地揭示信号所包含的信息，这大大限制了兰姆波在板材领域损伤识别与定位的应用。

此外，当声波信号在板材中传播时，会受到介质不均匀性、时空异变性以及多途径效应影响，产生严重的畸变，这大大降低了声信号处理的性能。对信号进行反时序处理，能实现了脉冲声波的自适应聚焦和相干目标信号的时间匹配滤波。声波反时序法是一种不需要介质和换能器阵列性质及结构的先验知识，就可以实现声波自适应修正多途径引起的畸变，从而实现聚焦的检测方法。产生聚焦增益，提高信号的信噪比，这一特性使反时序法在兰姆波聚焦和检测中得到了很大的发展。此外，反时序法对板材中损伤识别与定位分析可以提供准确信息。

发明内容

本发明的目的是利用发射换能器在被测介质表面激发超声信号，与此同时接收传感器在同一表面的其他一个或多个位置接收介质中的响应信号，通过计算实现板材损伤的定位，目的在于克服现有超声波无损检测对板材结构中微小损伤识别定位能力不高，综合利用非线性调制兰姆波信号和反时序处理，并结合四点圆弧定位原理，实现板材结构中损伤的精准识别与定位。

一种板材损伤识别定位方法测试系统包括信号发射单元和信号采集单元。信号的发射单元由计算机、可编程任意波形发生器和压电换能器组成；信号的采集和处理单元由压电传感器、数字示波器和计算机组成。所述的压电换能器作为发射换能器，由于压电换能器具有可逆压电效应，同时也可作为接收传感器，其直径为10mm，利用环氧树脂与被测板材结构垂直耦合，采用两列不同中心频率超声兰姆波波信号作为初始声源信号激励被测介质。所述的可编程任意波形发生器的取样频率可达1GS/s，具有8个独立通道，可同时发射8路信号，内部存储标准波形信号可直接作为发射声源，也可以通过计算机软件编程产生波形传至任意波形发生器，本发明采用后者，由计算机软件编写兰姆波激励信号直接加载到压电传感器上。所述的数字示波器具有12个独立通道，每条通道采样速率达5GS/s，可以准确接收来自激光测振仪信号或压电换能器信号，示波器记录长度为10M点，同时还可将数据传给计算机，借助相应的软件程序进行分析。

所述的压电换能器即换能器阵列，换能器数目N≥5，换能器均可以作为声源激励的发射换能器，也可以作为接收传感器使用。

所述的初始声源信号，是指第一次加载到换能器阵列中任意两个相邻的发射换能器的兰姆波信号，信号中心频率分别为285kHz和95kHz，振幅均为±10V。

一种板材损伤识别定位方法步骤包括：

步骤一、发射换能器激励信号：

在被测板材上布置换能器阵列，将两列不同频率的兰姆波信号同时加载到两个相邻的发射换能器上，作为初始声源激励信号，设初始激励换能器为Q₁、Q₂，各传感元件为R_i＝(i＝1,2,3…)，损伤处为S，可以设定从激励换能器到损伤处的信号传递函数为H_QS(ω)，损伤处到各传感器的传递函数为H_SRi(ω)，激励信号的频谱为Y(ω)，则损伤处的信号S(ω)和各传感器接收到的损伤散射信号R_i(ω)为

S(ω)＝Y(ω)H_QS(ω)

R_i(ω)＝Y(ω)H_QS(ω)H_SRi(ω)

步骤二、信号反时序处理：

传感元件R_i接收步骤一在介质中的响应声波信号R_i(ω)，并进行反时序、归一化处理；

步骤三、获得聚焦信号：

将步骤二中反时序后的声波信号再次加载到步骤一中的激励换能器Q₁上，在损伤处可以得到聚焦信号S_t(ω)为

各传感器R_i再次接收到了增强了的损伤散射信号即反时序后的聚焦信号，为

式中：k＝1,2,3…。Y^*(ω)H^* _QS(ω)H^* _SRi(ω)为第i个传感器接收初始激励换能器Q₁、Q₂激励时的损伤散射信号的反时序信号，而H_QS(ω)H_SRi(ω)恰为第i和i+1个压电换能器作为激励元件、第k个压电换能器作为传感器时的损伤散射传感通道的传递函数。

步骤四、聚焦后的损伤信号分析：

根据反时序理论中对波源信号的自适应聚焦特性，步骤三中的S_t(ω)的主波峰能量突出程度将明显高于S(ω)，使得损伤处信号的能量得到聚焦。

根据反时序理论中对波源信号的自适应聚焦特性，步骤三中R_k(ω)中各损伤缺陷散射信号和各自包含的损伤模态信息均来自于同一个波源信号Y^*(ω)H^* _QS(ω)，而其它响应信号如噪声信号和边界反射，由于信号来源不一致，发生的时刻也不尽相同，在反时序加载时也就不存在统一的聚焦点，处理中只是随机叠加而无法增强。所以只需明确各检测通道传递函数，可实现传感信号中损伤散射信号能量的突出增强，从而实现信噪比提高。

步骤五、损伤识别定位计算：

损伤的位置(x,y)和损伤散射信号发生的时刻τ₀，根据四点圆弧定位方程，假设损伤信号到达最后一个换能器的时刻为τ₁，选取τ_w>τ₁，以τ_w-τ₀为反时序信号长度，分别截取各换能器信号，在时间窗内将他们进行反时序并得到信号s_n(n＝1,2,3…,N)。根据反时序原理，同时将反时序后的信号加载在其相对应的换能器上，在损伤处也就是二次波源处即可得到波源的重建聚焦信号。设定聚焦时刻τ_s为反时序信号加载结束时刻，设板材为各向同性材料，将板材等间距划分为若干单元，每个单元对应一定的坐标，根据声波传播原理，可以在板材中建立在τ_s时刻的瞬态波动图，每一个单元(i,j)在该时刻的波动幅值S_i,j可以由下式求得

式中：G_n为补偿各换能器因路径不同而造成的信号衰减的修正系数；c为声波在材中的传播速度；L_ijn为该单元(i,j)到对应换能器n的距离。

重复以上步骤，建立聚焦信号图像重建区域，可得到重构聚焦损伤信号本发明不局限于上述实施方式，还可以是上述各实施方式中所述技术特征的合理组合。

本发明的有益效果：

1.由于线性超声波四点圆弧定位法不能给出损伤的细节特征，如尺寸大小、损伤程度等，因而只能在监测要求不高的条件下应用。当板材介质中存在多个波动的位移场时即利用不同频率超声兰姆波激励被测板材介质，在含有损伤介质中会出现不同频率波之间的调制现象，这使得在损伤介质中非线性声学特征信号得到增强，便于识别损伤信号。而没有任何损伤的介质，非线性调制现象十分微弱，可以忽略。

2.反时序法把原来在介质中由于声波传播的多途径效应而展宽的声脉冲信号变成会聚声波，而且它不需要事先了解被测介质结构性质、传感器阵列在被测介质结构中布局等的先验知识，就可以自动矫正被测目标和传感换能器之间不均匀性而产生的相位畸变、时延的差异，提高有用信号和噪声信号即信噪比。根据声波传播原理，在声波信号传播过程中损伤可以看成是一个二次波源。虽然各损伤散射信号的到达时刻不同，各自包含的超声波信号对相同损伤的响应也不同，但损伤是这些响应的共同波源，通过控制反转时间及聚焦条件，利用反时序方法对波源的聚焦能力，可使同损伤相关的信号响应在损伤处聚焦叠加，进而使再次接收到的损伤散射传感信号得到增强。因此，利用反时序原理和非线性兰姆波调制信号，结合四点圆弧定位法，使之既能识别损伤确定损伤位置，也能表征损伤的几何特征和程度。

附图说明：

附图1是换能器阵列布局示意图；

附图2是被测钢板中损伤聚焦信号重构图；

附图3是圆弧定位法中信号传播路径示意图；

附图4是四点圆弧定位方法示意图

具体实施方式

下面结合附图1举例，被测试样的长×宽×厚为1000mm×1000mm×3mm，碳纤维复合材料板材中心处处含有5mm纤维开裂损伤。

具体实施方式一、一种板材损伤识别定位方法测试系统包括信号发射单元和信号采集单元。信号的发射单元由计算机、可编程任意波形发生器和压电换能器组成；信号的采集和处理单元由压电传感器、数字示波器和计算机组成。所述的压电换能器作为发射换能器，由于压电换能器具有可逆压电效应，同时也可作为接收传感器，其直径为10mm，利用环氧树脂与被测板材结构垂直耦合，采用两列不同中心频率超声兰姆波波信号作为初始声源信号激励被测介质。所述的可编程任意波形发生器的取样频率可达1GS/s，具有8个独立通道，可同时发射8路信号，内部存储标准波形信号可直接作为发射声源，也可以通过计算机软件编程产生波形传至任意波形发生器，本发明采用后者，由计算机软件编写兰姆波激励信号直接加载到压电传感器上。所述的数字示波器具有12个独立通道，每条通道采样速率达5GS/s，可以准确接收来自激光测振仪信号或压电换能器信号，示波器记录长度为10M点，同时还可将数据传给计算机，借助相应的软件程序进行分析。

所述的压电换能器即换能器阵列，换能器数目N≥5，换能器均可以作为声源激励的发射换能器，也可以作为接收传感器使用。

所述的初始声源信号，是指第一次加载到换能器阵列中任意两个相邻的发射换能器的兰姆波信号，信号中心频率分别为285kHz和95kHz，振幅均为±10V。

具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种板材损伤识别定位方法的区别在于，具体实施方式包括以下步骤：

步骤一、发射换能器激励信号：

在被测板材上布置换能器阵列，将两列不同频率的兰姆波信号同时加载到两个相邻的发射换能器上，如图1所示，设初始激励换能器为Q₁、Q₂，各传感元件为R_i＝(i＝1,2,3…)，损伤处为S，可以设定从激励换能器到损伤处的信号传递函数为H_QS(ω)，损伤处到各传感器的传递函数为H_SRi(ω)，激励信号的频谱为Y(ω)，则损伤处的信号S(ω)和各传感器接收到的损伤散射信号R_i(ω)为

S(ω)＝Y(ω)H_QS(ω)

R_i(ω)＝Y(ω)H_QS(ω)H_SRi(ω)

步骤二、信号反时序处理：

传感元件R_i接收步骤一在介质中的响应声波信号R_i(ω)，并进行反时序、归一化处理；

步骤三、获得聚焦信号：

将步骤二中反时序后的声波信号再次加载到步骤一中的激励换能器Q₁上，在损伤处可以得到聚焦信号S_t(ω)为

各传感器R_i再次接收到了增强了的损伤散射信号即反时序后的聚焦信号，为

式中：k＝1,2,3…。Y^*(ω)H^* _QS(ω)H^* _SRi(ω)为第i个传感器接收初始激励换能器Q₁、Q₂激励时的损伤散射信号的反时序信号，而H_QS(ω)H_SRi(ω)恰为第i和i+1个压电换能器作为激励元件、第k个压电换能器作为传感器时的损伤散射传感通道的传递函数。

步骤四、聚焦后的损伤信号分析：

根据反时序理论中对波源信号的自适应聚焦特性，步骤三中的S_t(ω)的主波峰能量突出程度将明显高于S(ω)，使得损伤处信号的能量得到聚焦。

根据反时序理论中对波源信号的自适应聚焦特性，步骤三中R_k(ω)中各损伤缺陷散射信号和各自包含的损伤模态信息均来自于同一个波源信号Y^*(ω)H^* _QS(ω)，而其它响应信号如噪声信号和边界反射，由于信号来源不一致，发生的时刻也不尽相同，在反时序加载时也就不存在统一的聚焦点，处理中只是随机叠加而无法增强。所以只需明确各检测通道传递函数，可实现传感信号中损伤散射信号能量的突出增强，从而实现信噪比提高。

步骤五、损伤识别定位计算

损伤的位置(x,y)和损伤散射信号发生的时刻τ₀，根据四点圆弧定位方程，假设损伤信号到达最后一个换能器的时刻为τ₁，选取τ_w>τ₁，以τ_w-τ₀为反时序信号长度，分别截取各换能器信号，在时间窗内将他们进行反时序并得到信号s_n(n＝1,2,3…,N)。根据反时序原理，同时将反时序后的信号加载在其相对应的换能器上，在损伤处也就是二次波源处即可得到波源的重建聚焦信号。设定聚焦时刻τ_s为反时序信号加载结束时刻，设板材为各向同性材料，将板材等间距划分为若干单元，每个单元对应一定的坐标，根据声波传播原理，可以在板材中建立在τ_s时刻的瞬态波动图，每一个单元(i,j)在该时刻的波动幅值S_i,j可以由下式求得

式中：G_n为补偿各换能器因路径不同而造成的信号衰减的修正系数；c为声波在材中的传播速度；L_ijn为该单元(i,j)到对应换能器n的距离。

具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种板材损伤识别定位方法的区别在于，重复以上步骤，建立聚焦信号图像重建区域，可得到重构聚焦损伤信号如图2所示。

本发明不局限于上述实施方式，还可以是上述各实施方式中所述技术特征的合理组合。

本发明的基本原理是：

本发明的基本原理包括多阵元反时序的基本原理和定位方法的基本原理。

1.多阵元反时序的基本原理

多阵元中的每个单阵元激发的超声兰姆波经板材上下界面反射和波型转换后可以由很多种传播途径到达接收传感器，接收传感器收到的信号主要有两方面：一是来自同一阵元但不同路径的声波信号；二是来自不同阵元不同路径的声波信号。基于这样的多途径模式，多阵元信号反时序原理具体过程如下:

①换能器阵列包括N个换能器阵元，在第i个阵元上发射有限幅度窄脉冲u(t)，接收器对来自同一阵元但沿不同路径的声波信号进行记录，每个阵元反时序前的声波信号为

其中i为阵元编号，j为传播路径编号，A_ij为声波幅度，t_ij为相应的时间延迟；

②接收器将接收到的各阵元信号分别进行记录存储，依次得到各阵元的归一化反时序信号为

③将各阵元的反时序信号作为激励信号，重新依次加到相应的各阵元上，接收器接收到来自阵元i的时间信号为:

对于N阵元的整个阵列，在聚焦点的整个信号为

其中第一项表示反时序后来自不同阵元和来自不同路径传播的声波同时同相到达接收器换能器，从而相干叠加形成较大的峰值；而第二相表示来自不同阵元和不同路径的声波反时序后不是同时到达接收传感器，一般不能相干叠加，以较小的幅度分布在第一项的两侧。实际上，第一项是多阵元反时序后的主要部分。

2声波信号定位方法的基本原理

激励换能器向波导介质中发射激励信号，若对介质结构损伤前后所得的信号做代数差即得差信号，此差信号可认为是由损伤引起的，它的传播路径可解释为经过激励换能器激发的激励信号由损伤反射后到达接收传感器，如图3所示。

若用希尔伯特黄信号处理技术对差信号进行分析，可得到差信号经过其传播路径所需的时间为

式中：t_d为差信号经过传播路径所需时间；t₁为信号由激励换能器到损伤位置的传播时间；t₂为信号由损伤位置到接收传感器的传播时间；s₁为激励换能器到损伤位置的距离；s₂为损伤位置到接收传感器的距离；v₁为信号在介质健康状态下的传播速度，可由信号的传播距离(激励换能器和接收传感器间的距离)除以信号在此路径上的传播时间得到；v₂为信号损伤状态下的传播速度。

如果把激励换能器和接收传感器分别看作圆的圆心，那么圆心到损伤的距离即为圆的半径。当在铝合金板材结构上建立正交坐标系后，可确定出四个压电传感器及损伤的位置坐标，如图4所示。若四个压电传感器中的一个作为发射换能器，其他三个作为接收传感器，根据压电传感器的位置坐标及损伤的位置坐标求得圆半径并代入式(1)可得

如果i为压电传感器A(x₁,y₁)，那么j分别为压电传感器B(x₂,y₂)、C(x₃,y₃)和D(x₄,y₄)，由此可得t_A-B、t_A-C、t_A-D三个方程。同样，压电传感器B、C、D也能作为激励换能器。由于压电传感器的位置坐标和介质健康状态下的传播速度v1已知，所以在式(2)衍生出的三个方程中，只有损伤位置坐标x,y与v₂三个未知数，从而通过解析法可得到损伤位置。为了精确确定损伤的位置，四个压电传感器轮流作为激励换能器，可得到四个损伤位置，取其中心位置作为最后的损伤位置。

Claims (5)

1.本发明的技术方案是提供一种板材损伤识别定位方法，其特征在于，测试系统包括：信号发射单元和信号采集单元。信号的发射单元由计算机、可编程任意波形发生器和压电换能器组成；信号的采集和处理单元由压电传感器、数字示波器和计算机组成。所述的压电换能器作为发射换能器，由于压电换能器具有可逆压电效应，同时也可作为接收传感器，其直径为10mm，利用环氧树脂与被测板材结构垂直耦合，采用两列不同中心频率超声兰姆波波信号作为初始声源信号激励被测介质。所述的可编程任意波形发生器的取样频率可达1GS/s，具有8个独立通道，可同时发射8路信号，内部存储标准波形信号可直接作为发射声源，也可以通过计算机软件编程产生波形传至任意波形发生器，本发明采用后者，由计算机软件编写兰姆波激励信号直接加载到压电传感器上。所述的数字示波器具有12个独立通道，每条通道采样速率达5GS/s，可以准确接收来自激光测振仪信号或压电换能器信号，示波器记录长度为10M点，同时还可将数据传给计算机，借助相应的软件程序进行分析。

2.根据权利要求1所述的一种板材损伤识别定位方法，其特征在于，所述的压电换能器即换能器阵列，换能器数目N≥5，换能器均可以作为声源激励的发射换能器，也可以作为接收传感器使用。

3.根据权利要求1所述的一种板材损伤识别定位方法，其特征在于，所述的初始声源信号，是指第一次加载到换能器阵列中任意两个相邻的发射换能器的兰姆波信号，信号中心频率分别为285kHz和95kHz，振幅均为±10V。

4.根据权利要求2所述的一种板材损伤识别定位方法，其特征在于，具体实施方式包括以下步骤：

步骤一、发射换能器激励信号：

在被测板材上布置换能器阵列，将两列不同频率的兰姆波信号同时加载到两个相邻的发射换能器上，作为初始声源激励信号，设初始激励换能器为Q₁、Q₂，各传感元件为R_i＝(i＝1,2,3…)，损伤处为S，可以设定从激励换能器到损伤处的信号传递函数为H_QS(ω)，损伤处到各传感器的传递函数为H_SRi(ω)，激励信号的频谱为Y(ω)，则损伤处的信号S(ω)和各传感器接收到的损伤散射信号R_i(ω)为

S(ω)＝Y(ω)H_QS(ω)

R_i(ω)＝Y(ω)H_QS(ω)H_SRi(ω)

步骤二、信号反时序处理：

传感元件R_i接收步骤一在介质中的响应声波信号R_i(ω)，并进行反时序、归一化处理；

步骤三、获得聚焦信号

将步骤二中反时序后的声波信号再次加载到步骤一中的激励换能器Q₁上，在损伤处可以得到聚焦信号S_t(ω)为

各传感器R_i再次接收到了增强了的损伤散射信号即反时序后的聚焦信号，为

式中：k＝1,2,3…。Y^*(ω)H^* _QS(ω)H^* _SRi(ω)为第i个传感器接收初始激励换能器Q₁、Q₂激励时的损伤散射信号的反时序信号，而H_QS(ω)H_SRi(ω)恰为第i和i+1个压电换能器作为激励元件、第k个压电换能器作为传感器时的损伤散射传感通道的传递函数。

步骤四、聚焦后的损伤信号分析：

根据反时序理论中对波源信号的自适应聚焦特性，步骤三中的S_t(ω)的主波峰能量突出程度将明显高于S(ω)，使得损伤处信号的能量得到聚焦。

根据反时序理论中对波源信号的自适应聚焦特性，步骤三中R_k(ω)中各损伤缺陷散射信号和各自包含的损伤模态信息均来自于同一个波源信号Y^*(ω)H^* _QS(ω)，而其它响应信号如噪声信号和边界反射，由于信号来源不一致，发生的时刻也不尽相同，在反时序加载时也就不存在统一的聚焦点，处理中只是随机叠加而无法增强。所以只需明确各检测通道传递函数，可实现传感信号中损伤散射信号能量的突出增强，从而实现信噪比提高。

步骤五、损伤识别定位计算

损伤的位置(x,y)和损伤散射信号发生的时刻τ₀，根据四点圆弧定位方程，假设损伤信号到达最后一个换能器的时刻为τ₁，选取τ_w>τ₁，以τ_w-τ₀为反时序信号长度，分别截取各换能器信号，在时间窗内将他们进行反时序并得到信号s_n(n＝1,2,3…,N)。根据反时序原理，同时将反时序后的信号加载在其相对应的换能器上，在损伤处也就是二次波源处即可得到波源的重建聚焦信号。设定聚焦时刻τ_s为反时序信号加载结束时刻，设板材为各向同性材料，将板材等间距划分为若干单元，每个单元对应一定的坐标，根据声波传播原理，可以在板材中建立在τ_s时刻的瞬态波动图，每一个单元(i,j)在该时刻的波动幅值S_i,j可以由下式求得

式中：G_n为补偿各换能器因路径不同而造成的信号衰减的修正系数；c为声波在材中的传播速度；L_ijn为该单元(i,j)到对应换能器n的距离。

5.根据权利要求3所述的一种板材损伤识别定位方法，其特征在于，重复以上步骤，建立聚焦信号图像重建区域，可得到重构聚焦损伤信号。