CN105510444B - 基于超声导波的双向时间反演损伤成像方法 - Google Patents

基于超声导波的双向时间反演损伤成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超声导波的双向时间反演损伤成像方法,包括:采用调制的激励信号对损伤实物进行主动应力波探测,在被测区域的投射端与反射端两端阵列上同步采集信号;对采集到的信号进行频散补偿分离,分离出纵向模态导波和弯曲模态导波;提取分离后的信号中的纵向模态导波,做时间反演处理,放大反演后信号;将反演后信号导入有限元模型中进行仿真反演,提取模型中所有点云所有时刻的位移值,进行时间、空间聚焦处理,得到振动云图;定义空间曲线将振动云图转为三维彩色云图,以三维彩色点云形式进行损伤成像。该方法从整体上分析损伤的特征,创新性地提取不同模态导波进行透射、反射两端同时做时间反演分析,具有重要的学术价值和实际意义。

Description

基于超声导波的双向时间反演损伤成像方法
技术领域
[0001] 本发明涉及无损检测技术领域,尤其涉及一种基于超声导波的细长状结构的双向 时间反演损伤成像方法。
背景技术
[0002] 在交通运输、建筑桥梁、输电线缆等各领域中,往往使用如绞线、管道、钢丝绳等各 类复杂长状类结构,这些复杂结构在工作中会长期受到外部环境的影响而在产生各种损 伤,如磨损、锈蚀、断股等,这些损伤造成极大的隐患,威胁到人员及设备财产的安全。因此 对这类复杂长状结构的检测意义重大,也出现许多检测方法。
[0003] 目前按是否采用应力波进行损伤检测,分为非应力波损伤检测方法和应力波损伤 检测方法两大类。非应力波检测方法主要有光学法、电流法、电磁法、X射线法和电涡流法 等,能够很好对被测物裸露部分进行缺陷检测,然而此类方法往往需采用与被测物间相对 运动方式来实现,细长状结构的结点结构覆盖区域成为检测盲区,应用受到很大限制。应力 波检测方法主要有声发射法、超声波反射法、穿透式导波法。声发射法可采用感应器测量承 力索绞线结构变化时产生弹性波从而可分析损伤情况,但属于被动检测方式,受限于只有 在结构产生损伤时才能起到作用,是瞬间响应,然而为后期超声波反射法、穿透式导波法研 究奠定了基础。超声波反射法采用换能器在材料表面激发询问脉冲应力波,该应力波在内 部与材料的微结构相互作用后到达同边接收换能器,然后对接收到的波形信号进行分析, 提取出其中能反映结构损伤因子。该法不但能对承力索绞线进行损伤检测和特性分析,而 且补充了声发射被动检测方式,可以用于动态承力索绞线缺陷的主动监测,然而由于容易 受到传播反射过程的介质损耗等影响,在大范围结点结构存在下的监测对象应用中受到了 一定限制。穿透式导波法主要采用压电换能器在材料表面激发应力波,该应力波在内部与 材料的微结构(材料基体和损伤区域)相互作用后继续传播,到达置于大型结构另一端的一 个或多个接收透射波信号换能器。该法由于激励信号可设可控、传播距离远、接收信号覆盖 面广等,在结构健康监测领域越来越受重视,特别适用于杆、管等细长状类特殊结构缺陷检 测。因此,面对复杂结构损伤检测中出现的问题以及超声导波的特殊传输特性,将透射法与 反射法结合起来,取两者优点是值得探索的一条新途径,并具有重要的学术价值和实际意 义。
[0004] 时间反演是指对采集到的信号,在时域上将其反转的一种逆序处理方法。在频域 上,这种处理等效于相位共辄。时间反演具有空间聚焦和时间聚焦两方面特性。时间反演的 时间聚焦,指各路时间反演信号的最大能量在复杂媒质中经过多径传输后,会在同一时刻 到达目标接收点。时间反演的空间聚焦,指在没有任何关于目标接收点先验知识的情况下, 时间反演信号会自适应地聚焦到目标接收点所在位置。时间反演技术利用时间反演信号的 聚焦特性有效降低了频散效应和非均匀介质的影响。目前人们已经利用时间反演聚焦信号 的峰值、能量、时空聚焦本特征,应用时间反演技术处理各种损伤测方法检测到的损伤信号 后对多种结构进行了损伤检测。
[0005] 然而,传统时间反演方法,要求信号从损伤到接收阵列单元之间的路径较短且不 尽相同,且所需的接收阵列单元数量尽可能多以弥补传播损耗,损伤目标点才可能成为空 间最大信号所在的点被检测出来。而对于细长状实心结构,导波多以平面波的传播,同侧径 向单元间的路径差异小,传统时间反演方法难以实现。
[0006] 本发明将传统的超声导波透射法、反射法与时间反演法相结合,有效补偿非均匀 复杂环境、媒质引起的信号衰减,及细长状结构传感阵列聚焦困难等问题,且具备一定的抗 干扰和抗噪声性能等优点。故此,在初步识别的基础上,实现细长型结构的高精度和高准确 率的损伤检测,也是各类复杂长状类结构损伤检测方法今后非常重要的研究方向。
发明内容
[0007] 为解决上述技术问题,本发明的目的是提供一种基于超声导波的双向时间反演损 伤成像方法。
[0008] 本发明的目的通过以下的技术方案来实现:
[0009] A采用调制的激励信号对损伤实物进行主动应力波探测,并在被测区域的投射端 与反射端两端阵列上同步采集信号;
[0010] B对采集到的信号进行频散补偿分离,分离出纵向模态导波和弯曲模态导波;
[0011] C提取分离后的信号中的纵向模态导波,做时间反演处理,并放大反演后信号;
[0012] D将反演后信号导入有限元模型中进行仿真反演,并提取模型中所有点云所有时 刻的位移值,进行时间、空间聚焦处理,得到振动云图;
[0013] E定义空间曲线将振动云图转为三维彩色云图,以三维彩色点云形式进行损伤成 像。
[0014] 与现有技术相比,本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点:
[0015] 1)采用基于编码激励的主动超声导波探测,能够有效地增强信号幅度,提高信噪 比,实现对细长状结构的长距离检测。
[0016] 2)通过结合投射法、反射法与时间反演法,实现了对结构中损伤目标的聚焦检测, 提高了损伤目标检测的分辨率与准确性。
[0017] 3)将检测结果进行三维成像处理,更加直观清晰。
附图说明
[0018] 图1是本发明提供的方法流程图;
[0019] 图2是本发明的超声导波双向时间反演检测原理图;
[0020] 图3是三维仿真实施案例模型图;
[0021] 图4是同步采集传感器阵列两端的信号图;
[0022] 图5是信号分离后提取的纵向模态导波图;
[0023] 图6是案例模型Z方向双向时间反演聚焦振动分布图;
[0024] 图7是案例模型中定义的RGB三维空间;
[0025] 图8是案例模型中损伤三维点云图。
具体实施方式
[0026] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合实施例及附图对本发 明作进一步详细的描述。
[0027] 如图1所示,展示了基于超声导波的双向时间反演损伤检测方法,该方法通过选择 一个细长状的检测模型案例进行说明(如图2中(a)和(b)所示):
[0028] 步骤10采用调制的激励信号对损伤实物进行主动应力波探测,并在被测区域的投 射端与反射端两端阵列上同步采集信号;
[0029] 在激励换能器阵列上加载初始激励信号:所述初始激励信号为汉宁窗调制的5峰 值正弦窄带信号,在实施案例中,选取75Khz,幅值3Vpp,经功率放大器放大50x,所述换能器 整理采用基于压电效应工作的长度型压电片,采用耦合剂粘贴与钢棒表面,实现振动与电 信号的转换。
[0030] 对损伤两端一一透射端与反射端的信号进行同步采集:波形发生器的sync同步 接口与数据采集卡的外触发接口相连,使得信号激励时采集卡开始采集,保证每次采样的 时间起点均一致。数据采集卡为多通道采集卡,各个通道之间无延迟。透射端与反射端阵列 分别接入数据采集卡的不同通路,保证在每一次激励时,两端信号均是同步采集具体实施 案例见图3、4。
[0031] 参见图3,为模型案例中的纵向模态导波在损伤处的模态转换情况。低频纵向模态 在长杆状钢棒中的波速最快,遇到损伤后,反射端、透射端均会接收到转换后的纵向模态及 弯曲模态导波。
[0032] 参见图4,为模型案例中反射端、透射端提取到的节点位移值,以此表征长杆状钢 棒表面振动情况。
[0033] 步骤20对采集到的信号进行频散补偿分离,分离出纵向模态导波和弯曲模态导 波;
[0034] 对采集到的信号做频散补偿以分离模态:频散补偿可以理解为频散过程的逆过 程,已知理论频散传递函数即可对导波频散信号加以补偿。设激励信号F(co)激发出纵向模 态L和弯曲模态F,在距离d上产生的传递函数为Hl(Co)和ΗΡ(ω),则接收到的混合模态导波 信号为:Glf(«) =F(co)Hl(co)+F(co)Hf(co),先用巧» 对 Glf(Co)进行补偿,则得
Figure CN105510444BD00051
,对上式进行傅里叶逆变换得到时域信号,将F (ω)从补偿后的信号中去除,再将结果变为频域,再用Hl (ω)进行反补偿,即
Figure CN105510444BD00052
,则可得到分离后的弯曲模态F的频谱,再对其 进行傅里叶逆变换,可得对应的时域波形。同理,可分离出纵向L模态导波。
[0035] 步骤30提取分离后的信号中的纵向模态导波,做时间反演处理,并放大反演后信 号;
[0036] 14对分离后的信号做时间反演处理:时间反演是指对采集到的信号,在时域上将 其反转的一种逆序处理方法。在频域上,这种处理等效于相位共辄。在实施案例中,将分离 后的信号导入数字处理软件中,按照信号到达阵列的顺序进行前后反转,生成新的反演信 号。具体实施例如图5所示。
[0037] 参见图5,为模型案例中透射端、反射端经模态分离后的所提取的纵向模态导波, 并进行时间反演后的结果。
[0038] 步骤40将反演后信号导入有限元模型中进行仿真反演,并提取模型中所有点云所 有时刻的位移值,进行时间、空间聚焦处理,得到振动云图;
[0039] 将反演信号作为新的激励信号,导入有限元仿真模型中进行激励反演:根据被测 物相关信息,在有限元软件中建立与实物想对应的模型,定义其几何参数、材料参数、仿真 参数,将步骤4中的反演信号分别加载到仿真模型中与实物接收阵列相对应的位置,设置所 需提取的特征参量,实施案例中选择提取节点的位移作为特征量。提交作业进行运算得到 结果文件。
[0040] 将结果文件中的节点位移导出,导入数据处理软件做时间、空间聚焦处理:结果文 件中,包含了每个时刻每个节点的位移值,将同一时刻同一节点坐标下,在不同端激励时产 生的位移值相乘,再将所有时刻下的计算结果叠加,将叠加的结果作为此节点坐标的位移 值。具体实施案例如图6,为案例模型Z方向双向时间反演聚焦的振动分布图。
[0041] 步骤50定义空间曲线将振动云图转为三维彩色云图,以三维彩色点云形式进行损 伤成像。
[0042] 是自定义一个空间曲线将时间、空间聚焦后的位移值映射到RGB三维坐标中。处理 后过后的位移值,是从一个最小值到最大值的线性递增集合,不利于成像显示。定义一个空 间坐标,参见图7,xyz三个坐标轴分别代表颜色RGB值,从中定义一条空间曲线,将位移值 与此曲线映射,可使位移值中的分布于明显的色阶中,则损伤位置及其区域可明显被区分 出来。将案例中图6中信号进行处理得到图8的案例模型中损伤三维点云图。
[0043] 上述实施例具有较高的成像准确率及抗干扰能力,解决了传统方法存在的准确率 低、可视化程度低等不足。在复杂环境下,实现了对绞线、管道、钢杆等各类复杂长状结构的 损伤三维成像过程。并从整体上分析损伤的特征,创新性地提取不同模态导波进行透射、反 射两端同时做时间反演分析,具有重要的学术价值和实际意义。
[0044] 虽然本发明所揭露的实施方式如上,但所述的内容只是为了便于理解本发明而采 用的实施方式,并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员,在不脱离本 发明所揭露的精神和范围的前提下,可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化, 但本发明的专利保护范围,仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (6)

1. 基于超声导波的双向时间反演损伤成像方法,其特征在于,所述方法包括: A采用调制的激励信号对损伤实物进行主动应力波探测,并在被测区域的投射端与反 射端两端阵列上同步采集信号;所述损伤实物的形状为细长状实心结构; B对采集到的信号进行频散补偿分离,分离出纵向模态导波和弯曲模态导波; C提取分离后的信号中的纵向模态导波,做时间反演处理,并放大反演后信号; D将反演后信号导入有限元模型中进行仿真反演,并提取模型中所有点云所有时刻的 位移值,进行时间、空间聚焦处理,得到振动云图; E定义空间曲线将振动云图转为三维彩色云图,以三维彩色点云形式进行损伤成像。
2. 如权利要求1所述的基于超声导波的双向时间反演损伤成像方法,其特征在于,所述 步骤A具体包括:采用主动超声导波探测技术进行初始激励时,加载到阵列上的初始激励信 号选用调制窄带信号,中心频率选择被测物理论频散曲线中较低频处的平缓位置,并在被 检测区域两端布置接收阵列以同步采集反射端、透射端阵列上的信号。
3. 如权利要求1所述的基于超声导波的双向时间反演损伤成像方法,其特征在于,所述 步骤B具体包括:对于采集信号,采用频散补偿的方法进行补偿、剔除、反补偿,逐一分离出 纵向模态导波、弯曲模态导波。
4. 如权利要求1所述的基于超声导波的双向时间反演损伤成像方法,其特征在于,所述 步骤C具体包括:选取反射端、透射端分离后的信号中的纵向模态,进行滤波后做时间反演 处理,建立与损伤实物对应的无损伤有限元仿真模型,将反演信号导入有限元模型中对应 损伤实物的接收位置,再次激励仿真反演。
5. 如权利要求1所述的基于超声导波的双向时间反演损伤成像方法,其特征在于,所述 步骤D中,提取模型所有点云所有时刻的位移值作为表面振动特征量,进行时间、空间聚焦 处理,得到振动云图。
6. 如权利要求1所述的基于超声导波的双向时间反演损伤成像方法,其特征在于,所述 步骤E具体包括:定义空间曲线,将二维振动值映射到RGB三维空间坐标中,对损伤区域有明 显色阶过渡,将振动云图转为三维色阶云图,以三维彩色点云的形式进行损伤成像。
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