CN106404911B - 用于板状结构检测的真时延单模态Lamb波相控阵系统 - Google Patents

用于板状结构检测的真时延单模态Lamb波相控阵系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于板状结构检测的真时延单模态Lamb波相控阵系统，包括：控制器，多通道数/模转换器，多晶片Lamb波相控阵探头，多通道继电器，多通道模/数转换采集卡和成像显示器,多晶片Lamb波相控阵探头通过逆压电效应将电压信号转换成波动信号在结构中激发出来，同时在接收阶段根据正压电效应将损伤反射回来的波动信号转换成电信号；本发明采用窄带脉冲激发阵列单元，根据调谐曲线选择特定的单一模态并在检测方向上增强导波中单一模态的幅值，实现真实物理场中的波束偏转与聚焦，提高了空间域分辨率，放大了损伤反射的信号；本发明检测范围广、损伤敏感度高、成像直观、检测效率高。

Description

用于板状结构检测的真时延单模态Lamb波相控阵系统
技术领域
本发明专利涉及一种用于板状结构检测的真时延单模态Lamb波相控阵系统。
背景技术
普通超声检测是单一探头的结构损伤检测方法，得到的是一维信号，在单次测量中不能够直观地成像，而多探头组成的相控阵检测方法可对结构损伤进行检测和成像。超声相控阵损伤检测起源于军事中的相控阵雷达，二者都是基于惠更斯原理实现的：一个发射和接收超声波波束用于损伤检测，一个使用电磁波用于目标追踪。超声相控阵的探头是由一组彼此独立的压电传感器(PZT)单元所组成，每一个单元都能独立地发射和接收超声波，通过各自不同时间延迟的激励信号造成彼此之间发射超声波相位差异，从而使各阵元所发射的波在介质中叠加形成具有方向性聚焦的波阵面和波束用于检测。而在方向性波束遇到损伤之后，其反射回来的波动信号能够被相控阵探头接收到，按照对应的聚焦法则进行延迟处理和叠加，实现相控阵成像。与传统的超声损伤检测技术相比，超声相控阵探头能产生灵活偏转聚焦的波束，实现对被测结构或构件的扫描，检测范围广，检测速度快，可以检测难以接近、常规超声无法检测的区域，实现对复杂结构和构件及盲区位置缺陷的检测。通过对局部晶片单元激励信号的控制，可以实现常规超声无法实现的高速、全方位、多角度的动态聚焦扫描。
超声相控阵探头线性阵列主要参数如图1所示。其中，N为线性阵列晶片个数，w为单个压电片阵元宽度，l为单个压电片阵元长度，e是阵元间的间距空隙，a为阵元与阵元间中心距，a＝w+e，整个阵列总长度为D＝(N-1)d+w，也称为超声相控阵线性阵列的阵元孔径。
普通超声相控阵技术经过众多学者的研究，技术已经比较成熟，但普通超声相控阵技术对板状结构检测存在检测区域小，不能直观得到板中缺陷位置，对板状结构损伤检测效率低等问题。而板中导波不同于普通超声波，由于受到板上下边界的限制，板中导波能够传播更远距离而没有明显的信号衰减，十分适合进行长距离复杂结构损伤检测。然而板中导波Lamb波是频散的，其波速随着试件厚度及信号频率的变换而变化，模态比普通超声波复杂且各种模态耦合,如图2所示，因此对Lamb波相控阵损伤检测系统需要进行特殊的设计和搭建以便实现单一模态的激发与检测。
发明内容
基于以上不足之处，本发明提出一种用于板状结构检测的真时延单模态Lamb波相控阵系统，采用窄带脉冲激发阵列单元，根据调谐曲线选择特定的单一模态并在检测方向上增强导波中单一模态的幅值，实现真实物理场中的波束偏转与聚焦，提高了空间域分辨率，放大了损伤反射的信号，能够更准确地识别板中损伤位置和形状，同时扩大了损伤检测的范围。
本发明所采用的技术如下：一种用于板状结构检测的真时延单模态Lamb波相控阵系统，包括：控制器，多通道数/模转换器，多晶片Lamb波相控阵探头，多通道继电器，多通道模/数转换采集卡，成像显示器,
控制器电信号连接多通道数/模转换器，多通道数/模转换器通过多通道继电器电信号连接多晶片Lamb波相控阵探头；
多晶片Lamb波相控阵探头通过多通道继电器电信号连接多通道模/数转换采集卡，多通道模/数转换采集卡电信号连接控制器，控制器电信号连接成像显示器；多通道数/模转换器将不同通道的发射信号转换成模拟电压信号以便驱动多晶片Lamb波相控阵探头；多晶片Lamb波相控阵探头通过逆压电效应将电压信号转换成波动信号在结构中激发出来，同时在接收阶段根据正压电效应将损伤反射回来的波动信号转换成电信号；多通道模/数转换采集卡将不同通道的损伤反射回波的模拟电信号转化成控制器数字信号；多通道继电器在发射阶段将多通道数/模转换器的发射信号连接在多晶片Lamb波相控阵探头上，并在发射阶段结束后，将多晶片Lamb波相控阵探头连接到多通道模/数转换采集卡上，用于采集损伤回波信号；
控制器对被测试件的参数进行设置并计算不同时间延迟的发射信号，多晶片Lamb波相控阵探头包括多个压电传感器单元，按从上至下按一定间隔的顺序排成一列，并通过不同时间延迟的3周期汉宁窗调幅的窄带脉冲激励信号在一次检测中同时进行激发，由于阵列单元的激励信号经过不同时间延迟调控，各自的相位不同，将会分别发出各自的Lamb波，根据惠更斯原理，不同Lamb波的波阵面叠加在一起，并聚焦在预设的焦点P处，并放大Lamb波中单一模态信号的幅值，从而实现物理场中单模态Lamb波的真实的声束偏转、声束聚焦、声束扫描的功能；遇到损伤反射回波后，所有压电传感器单元同时在接收到信号，通过控制器对其进行重构确定损伤位置、计算后成像，通过调整不同激励信号的时间延迟实现板状结构全区域的单模态Lamb波定向定点扫描，从而实现损伤检测。
本发明还具有进一步的特征，
1、其中，真时延单模态Lamb波相控阵真时延聚焦方法为：
真时延单模态Lamb波相控阵中心频率为100kHz，选用A0模态的波进行板状结构的损伤检测；以3个周期汉宁窗窄带脉冲信号激发单模态A0波进行板状结构的损伤检测，其中，各个单元的激励信号为V(t-δn),基准电压激励信号H(t)为赫维赛德阶跃函数，当t≥0时H(t)＝1；当t＜0时H(t)＝0，Nρ＝3，fc＝100kHz；以A0模态波的群速度来计算相控阵单元的时间延迟，从第n个压电片到达焦点P的距离表示成如下的形式：
其中，a是两个相控阵单元中心的距离，F是焦距，也就是焦点到相控阵中心点的距离，θF是焦点的偏移角度；在聚焦于焦点P时，各个压电片对应的时间延迟δn分别表达为式(2)的形式，c为导波中A0波的群速度，t0为一个足够大的常数以便保证时间延迟不为负数，分别对奇数压电片和偶数个压电片进行推导；
设初始由第n个压电片单元发出的信号幅值为An，Lamb波的衰减为距离平方根的反比最终各个压电片单元产生的波阵面合成到焦点P处的波为：
其中，Sp(t)是焦点P处的波场强度信号，S0是各个压电片单元初始信号；
2、真时延单模态Lamb波相控阵的单模态成像方法为：
设在角度为θd，距离Rd的点D处有一个损伤，相控阵聚焦的焦点在P处，不同压电传感器单元发出的波在点D处叠加结果SD(t)为公式(4)所示，其中dn为第n个压电传感器单元到损伤位置D的距离，其大小由几何关系计算：
当D处有损伤存在时，漫反射回来的波会被多晶片Lamb波相控阵探头接收到，其中散射系数为B，考虑传播回来的波幅值衰减项为dm为损伤D处到第m个压电传感器单元的距离，从D处传播回来到第m个压电传感器单元的波Sr(t)为：
反射回来的波，到各个压电传感器单元会存在不同的时间延迟，为了计算具体的损伤位置，需要把被动相控阵各个压电传感器单元接收到的信号根据聚焦位置的不同，进行组装和叠加，从而得到代表该聚焦位置的损伤情况重构信号，根据聚焦时间延迟δm，其组装信号SR(t)的表达公式为：
采用损伤情况和健康情况做差得到的差信号进行组装，减去包含健康情况下基准信号的方法能够排除了原有信号中的健康情况和初始缺陷对信号的影响，只与需要检测的损伤大小和位置相关，更好地反应损伤对信号的影响。当聚焦点位置同缺陷位置重合时，聚焦角度θF＝θd，且焦距F＝Rd，损伤处产生很强的单模态Lamb波反射回波且组装信号SR(t)会取到极大值。
本发明具有如下有益效果及优点：在对钢箱梁桥面板、压力容器、管道损伤、飞机蒙皮等板状结构的损伤检测中，检测范围广、损伤敏感度高、成像直观、检测效率高。本发明专利通过真正时间延迟方法实现了物理声场聚焦的单模态Lamb波相控阵技术，不同于单一激发的后期数学虚拟聚焦方法，本发明能够在结构中真正激发出方向性的单一模态Lamb波波束，并灵活实现扫描、偏转和聚焦等真实效果。该技术能够明显地增强信号的信噪比，通过A0波束的偏转和聚焦提升损伤检测的空间分辨率，提高了检测精度，产生方向性定点聚焦的A0波束(单模态Lamb波)，并通过反射回来单一模态Lamb波(A0波)信号的强弱对损伤的位置和大小进行判定。
附图说明
图1是线性阵列的几何参数图；
图2是Lamb波群速度与频厚积的频散曲线图；
图3是真时延单模态Lamb波相控阵检测过程及硬件连接示意图；
图4是真时延单模态Lamb波相控阵及其聚焦点图；
图5是真时延单模态Lamb波相控阵系统中压电传感器单元的调谐曲线图；
图6是真时延单模态Lamb波超声相控阵聚焦和反射回波示意图；
图7是无损情况下，真时延单模态Lamb波相控阵波场LDV实际检测结果图，聚焦点为100mm,0°；
图8是无损情况下，真时延单模态Lamb波相控阵波场LDV实际检测结果图，聚焦点为100mm,30°；
图9是无损情况下，真时延单模态Lamb波相控阵波场LDV实际检测结果图，聚焦点为100mm,45°；
图10是有损情况下，真时延单模态Lamb波相控阵波场LDV实际检测结果图，聚焦点为100mm,0°；
图11是有损情况下，真时延单模态Lamb波相控阵波场LDV实际检测结果图；，聚焦点100mm,30°；
图12是有损情况下，真时延单模态Lamb波相控阵波场LDV实际检测结果图；，聚焦点100mm,45°；
图13是无损情况下，真时延单模态Lamb波相控阵接收到的波形图；
图14是无损情况下，互相关函数计算的传播时间图；
图15是损伤情况1，被检测区域损伤的位置图；
图16是损伤情况1，真时延单模态Lamb波相控阵接收到的信号和原有的基准信号图；
图17是损伤情况1，有、无损伤情况下的差信号图；
图18是损伤情况1，不同通道的差信号图；
图19是损伤情况1，真时延单模态Lamb波相控阵的损伤检测结果图；
图20是损伤情况2，被检测区域损伤的位置图；
图21是损伤情况2，真时延单模态Lamb波相控阵接收到的信号和原有的基准信号图；
图22是损伤情况2，有、无损伤情况下的差信号图；
图23是损伤情况2，真时延单模态Lamb波相控阵的损伤检测结果图；
具体实施方式
下面根据说明附图举例对本发明做进一步说明:
实施例1
一种用于板状结构检测的真时延单模态Lamb波相控阵系统，如图3所示，包括：控制器1，多通道数/模转换器2，多晶片Lamb波相控阵探头3，多通道继电器4，多通道模/数转换采集卡5，成像显示器6,
控制器1电信号连接多通道数/模转换器2，多通道数/模转换器2通过多通道继电器4电信号连接多晶片Lamb波相控阵探头3；
多晶片Lamb波相控阵探头3通过多通道继电器4电信号连接多通道模/数转换采集卡5，多通道模/数转换采集卡5电信号连接控制器1，控制器1电信号连接成像显示器6；多通道数/模转换器将不同通道的发射信号转换成模拟电压信号以便驱动多晶片Lamb波相控阵探头；多晶片Lamb波相控阵探头通过逆压电效应将电压信号转换成波动信号在结构中激发出来，同时在接收阶段根据正压电效应将损伤反射回来的波动信号转换成电信号；多通道模/数转换采集卡将不同通道的损伤反射回波的模拟电信号转化成控制器数字信号；多通道继电器在发射阶段将多通道数/模转换器的发射信号连接在多晶片Lamb波相控阵探头上，并在发射阶段结束后，将多晶片Lamb波相控阵探头连接到多通道模/数转换采集卡上，用于采集损伤回波信号；
控制器对被测试件的参数进行设置并计算不同时间延迟的发射信号，多晶片Lamb波相控阵探头包括多个压电传感器单元，按从上至下按一定间隔的顺序排成一列，并通过不同时间延迟的3周期汉宁窗调幅的窄带脉冲激励信号在一次检测中同时进行激发，由于阵列单元的激励信号经过不同时间延迟调控，各自的相位不同，将会分别发出各自的Lamb波，根据惠更斯原理，不同Lamb波的波阵面叠加在一起，并聚焦在预设的焦点P处，并放大Lamb波中单一模态信号的幅值，从而实现物理场中单模态Lamb波的真实的声束偏转、声束聚焦、声束扫描的功能；遇到损伤反射回波后，所有压电传感器单元同时在接收到信号，通过控制器对其进行重构确定损伤位置、计算后成像，通过调整不同激励信号的时间延迟实现板状结构全区域的单模态Lamb波定向定点扫描，从而实现损伤检测。
如图4所示，Lamb波相控阵探头包括多个压电传感器单元，并通过不同时间延迟的窄带脉冲激励信号按照顺序进行激发，分别发出各自的Lamb波，而不同Lamb波的波阵面随着传播会按照惠更斯原理叠加在一起，通过调整相控阵不同单元间的时间延迟，其激发的超声波会在介质中叠加形成新的波阵面，并聚焦在预设的焦点P处，从而实现声束偏转、声束聚焦、声束扫描等功能，达到多种形式的检测模式。声波聚焦在被检测物体内部的特殊位置，并放大损伤反射回波信号的幅值，从而实现损伤检测的目的。图中，位于最上面的压电传感器单元最先接受到激励信号并发出Lamb波，第二个单元随后发出Lamb波，按照时间延迟的先后发射完毕后，先发的波会与后发出的波聚集在一起，合成新的波阵面，并最终在P点叠加到峰值。与普通超声相控阵不同的是，Lamb波相控阵用于板状结构的损伤检测，同时需要考虑Lamb波两组不同的模态(S模态和A模态)的频散效应。Lamb波相控阵的激励信号为窄带脉冲信号(Tone-burst signals)，用以减小Lamb波频散效应的影响，同时为了达到更好的聚焦效果以提高损伤定位与识别精度，需要针对特定的激励信号频率选取能激发最大幅值的模态。
真时延单模态Lamb波相控阵中心频率为100kHz，选用A0模态的波进行板状结构的损伤检测，而压电传感器单元的调谐曲线(Tunning curve)如图5所示，该频率下的A0模态的幅值要远远大于S0模态的幅值。因此，选用A0模态的波进行板状结构的损伤检测，以便达到大幅增强反射回波信号，更好进行损伤检测的目的；以3个周期汉宁窗窄带脉冲信号激发单模态A0波进行板状结构的损伤检测，如图9所示。各个单元的激励信号为V(t-δn),基准电压激励信号H(t)为赫维赛德阶跃函数，当t≥0时H(t)＝1；当t＜0时H(t)＝0，Nρ＝3，fc＝100kHz；选用A0模态波的群速度来计算相控阵单元的时间延迟，从第n个压电片到达焦点P的距离表示成如下的形式：
其中，a是两个相控阵单元中心的距离，F是焦距，也就是焦点到相控阵中心点的距离，θF是焦点的偏移角度；在聚焦于焦点P时，各个压电片对应的时间延迟δn分别表达为式(2)的形式，c为导波中A0波的群速度，t0为一个足够大的常数以便保证时间延迟不为负数，分别对奇数压电片和偶数个压电片进行推导；
设初始由第n个压电片单元发出的信号幅值为An，Lamb波的衰减为距离平方根的反比最终各个压电片单元产生的波阵面合成到焦点P处的波为：
其中，Sp(t)是焦点P处的波场强度信号，S0是各个压电片单元初始信号；
真时延单模态Lamb波相控阵成像方法为：
设在角度为θd，距离Rd的点D处有一个损伤，相控阵聚焦的焦点在P处，如图6所示，一般情况下，点D处并没有产生的明显的聚焦，不同压电传感器单元发出的波在点D处叠加结果SD(t)为公式(4)所示，其中dn为第n个压电传感器单元到损伤位置D的距离，其大小由几何关系计算，
当D处有损伤存在时，漫反射回来的波会被多晶片Lamb波相控阵探头接收到，其中散射系数为B，考虑传播回来的波幅值衰减项为dm为损伤D处到第m个压电传感器单元的距离，从D处传播回来到第m个压电传感器单元的波Sr(t)为：
反射回来的波，到各个压电传感器单元会存在不同的时间延迟，为了计算具体的损伤位置，需要把被动相控阵各个压电传感器单元接收到的信号根据聚焦位置的不同，进行组装和叠加，从而得到代表该聚焦位置的损伤情况重构信号，根据聚焦时间延迟δm，其组装信号SR(t)的表达公式为：
采用损伤情况和健康情况做差得到的差信号进行组装，减去包含健康情况下基准信号的方法能够排除了原有信号中的健康情况和初始缺陷对信号的影响，只与需要检测的损伤大小和位置相关，更好地反应损伤对信号的影响。当聚焦点位置同缺陷位置重合时，聚焦角度θF＝θd，且焦距F＝Rd，损伤处产生很强的单模态Lamb波反射回波且组装信号SR(t)会取到极大值。
实施例2
采用激光多普勒测振仪(LDV)测量Lamb波相控阵激发出波的聚焦情况。试验中，被测的金属板为6061铝合金板，其密度为2,700kg/m3，弹性模量E为69.0GPa，泊松比v为0.33，尺寸为914.4mm×914.4mm×1.6mm。在板的中间粘贴7个压电传感器，每个压电片的尺寸为7mm×7mm×0.5mm，间距为1mm构成真时延单模态Lamb波主动相控阵。同时在主动相控阵的背面对应位置粘贴被动相控阵以接收损伤的散射回波，对板的损伤进行检测和定位。每一个压电传感器单元都是通过导电的铜胶带与导线相连并接入发射/接收仪器中——美国国家仪器NI公司生产的PXIe-1082，共有四块采集卡：PXIe-6361，PXIe-6124以及两个PXI-6115数据输出采集卡，包含有8个输出通道，其中1个通道用于连接激光测振仪的触发接口用于触发激光测振仪的采集程序，另外7个通道按照顺序依次连接在真时延单模态Lamb波相控阵的7个压电传感器单元上。反面被动相控阵的7个单元也依次接入到数据采集卡中采集信号，输出通道和输入通道的采样频率都是1MHz。激光测振仪扫描的区域为286mm×366mm包含有22400(140×160)个测量点。
(1)无损伤构件的试验结果
无损伤时，调整主动相控阵的各个压电传感器单元的时间延迟为0s，0.722μs，1.160μs，1.307μs，1.160μs，0.722μs和0s，以便使之聚焦在100mm，0°处。通过激光测振仪测量该工况下波的聚焦结果，包括发射、叠加、聚焦和发散的整个过程，如图7所示：在Lamb波被相控阵单元激发之后，不同的波阵面随着传播叠加在一起并形成了具有方向性的波束，并且能够在预设的焦点处进行单模态A0波的聚焦；随着时间延迟，该单模态A0波波束能够对整个探测区域进行很好的扫描和单点聚焦。将时间延迟调整为10.815μs，9.611μs，8.132μs，6.405μs，4.458μs，2.315μs和0s，则波束的聚焦点为100mm，30°处，如图8所示。同理，聚焦点也可以通过调整时间延迟的方法，聚焦于100mm，45°处，如图9所示。根据最终的波场汇总图可以看到，由主动相控阵发射的单模态波束具有相控阵的典型特点：有明显的聚焦焦点，具有方向性的A0波束，主瓣突出、伴有若干旁瓣，并且只在聚焦点有显著叠加放大效果，波在过早或者过晚都是发散而非聚焦，表明本文提出的方法成功地构建了真时延单模态Lamb波相控阵系统，并且能够灵活地用于损伤检测。尤其需要指出的是，图9中检测到了一个非常微小的初始划痕，划痕很小，难以采用其他方法检测出来，然而本发明的单模态Lamb波相控阵系统对损伤十分敏感，能够很明显地将其识别出来。
(2)损伤构件的试验结果
在无损伤情况试验之后，于100mm，0°处粘贴两个尺寸为12.7mm×12.7mm永磁铁模拟损伤。通过对位粘贴磁铁，限制铝板在该区域的面外位移，可以在试验中安全且快速地在任意位置模拟“损伤”，并在试验结束后随着磁铁的移开，恢复成无损伤的情况，不会留下任何永久损伤，方便多次试验。
当由主动相控阵激发出的单模态Lamb波的波束在传播过程中，遇到了该“损伤”区域，部分波会散射回来，并由被动相控阵接收到散射回波，用于识别粘贴磁铁“损伤”区域的位置和大小。更进一步，如果主动相控阵发射的单模态Lamb波束恰好聚焦在附有磁铁的“损伤”区域时，会出现非常明显的回波，伴随着散射回波突出幅值，根据前文中提到的损伤成像算法，能够有效地计算出损伤的位置和大小。
如图10所示，聚焦0°时，聚焦点和设置的损伤点位置完全重合，因此在单模态Lamb波波束遇到磁铁设置的“损伤”时，产生了很强的回波，向各个方向散射，并传播回被动相控阵系统中，从激光检测的汇总图中可以看出原有波束被反射回来并形成幅值很高的回波。而在如图11和图12所示，聚焦30°和45°中，在损伤不变的基础上，由于聚焦点位置的变化，虽然依旧产生了部分散射回波，但由于单模态A0波束主要能量集中并不在该区域上，原有损伤并没有在波束成形方向上产生出很强的损伤回波。因此，单模态Lamb波相控阵有很强的方向性和排他性，能够有针对性地检测特定区域的损伤，具有很好的空间分辨率。从图12中还可以看到，其对该聚焦点及该聚焦方向上的损伤很敏感，即使是很微小的划痕，由于单模态Lamb波束集中聚焦放大的作用，也可以产生很强的散射回波，空间分辨率高。
实施例3
在上述激光测振仪检测基础上，被动超声相控阵也同时启动对被检测区域进行损伤检测。被动相控阵的检测原理是通过接收损伤处的反射回波，根据成像算法得到损伤大小和位置等几何参数，本小节中分别展示不同损伤情况的检测结果。
(1)无损伤情况下的试验结果
首先是无损伤情况下的损伤检测结果，试验设置与上述激光测振仪检测试验相同，在激光检测的同时完成被动相控阵的损伤识别和定位。将被动相控阵接收到的信号首先经过20kHz-500kHz的带通滤波器滤掉低频振动信号并排除高频噪声干扰。
采用互相关函数对信号传播时间进行分析，两个信号互相关函数表达式为：
其中，x(t)是基本的窄带脉冲(Tone-burst)激励信号，而y(t)是被动相控阵接收到的信号，τ是两个信号的时间间隔，Rxy(τ)是函数在该时间间隔下互相关函数值。通过上述互相关函数公式可以求解当一个波包与基本窄带脉冲信号的互相关函数最大值对应的时间便是两个信号的时间差，即该模态波的传播时间。
在板中没有损伤的状况下，主动相控阵发射出单模态Lamb波只有遇到板的边界才会形成较强的反射信号，从而产生回波由被动相控阵接收到。被动相控阵接收到的波形如图13所示，其中由铝板边界反射的S0波包和A0波包分别在图中用蓝色和红色虚线圈出，可以看出无损情况下S0和A0波幅值接近，且A0波在该频率下会产生很强的频散现象，波形产生很大的变形和拉伸，此外，除了最短途径的反射回波，被动相控阵还接收到了多路径的复杂回波。
通过互相关函数可以计算得到S0模态波包的由主动相控阵发射到遇到边界反射回被动相控阵全程往返的传播时间为t1＝168μs，A0模态波包的传播时间为t2＝420μs，如图14所示。而S0波包和A0波包在该激励信号的中心频率100kHz下的理论波速分别是5,465m/s和2,172m/s，由此计算得到的传播距离分别是918.1mm和912.2mm。实际波全程往返的距离为914.4mm，与测量结果误差很小，可以用此波速很好地区分S0波包和A0波包，并识别后续工况的损伤位置。
(2)损伤情况1
损伤情况1是将两个尺寸为12.7mm×12.7mm磁铁粘贴在100mm，0°处，用于模拟损伤情况，如图15所示。为了检测其损伤大小和位置，通过NI公司的LabVIEW软件，控制单模态A0波相控阵检测系统的时间延迟序列，扫描整个待检测区域，聚焦点从50mm以25mm为步长递增到250mm，同时聚焦角度从-90°以15°为步长增加到90°，使用被动相控阵系统接收信号并确定损伤位置。
以超声相控阵的焦点聚焦在100mm，0°的工况中第二通道采集到的信号为例，其中被动相控阵接收到的包含损伤的信号和健康条件下的基准信号如图16所示，损伤信号和健康信号的差信号如图17所示。从有损伤信号和差信号中可以看出，单模态Lamb波相控阵明显增强了A0波信号的幅值，降低了S0模态波的干扰，避免了多模态的耦合，能够对损伤进行更好地定位。其中，差信号只与新设置损伤有关，排除了包含初始划痕和铝板边界等健康情况的信号，用单模态Lamb波相控阵差信号按照相控阵成像的方法进行组装，对损伤进行识别。从图17中的差信号中可以明显地看出：由于损伤存在而散射回来的S0波包和A0波包，到达铝板边界后被反射回来的S0波包和A0波包，以及其他路径反射的复杂波包。其传播的时间各不相同，代表了损伤与相控阵的距离和不同路径传播的往返距离。在真时延单模态Lamb相控阵的作用下，由于损伤反射回来A0模态的波幅值远远高于S0模态，能更好地识别损伤。
在主动相控阵聚焦点为100mm，30°时，提取被动相控阵所有7个压电传感器单元的差信号，如图18所示。各个通道的差信号存在不同的时间延迟，尤其是对于选定的A0波包。为了将其重构在一起，需要根据式(6)基于发射信号的延迟进行重构和叠加，组装得到单模态Lamb波相控阵系统合成信号来计算损伤的大小和位置。最终将被检测区域所有扫描点得到的差信号进行重构得到最终检测结果如图19所示，可以看出其与磁铁设置的“损伤”位置吻合很好。
(3)损伤情况2
同样的，将两个尺寸为38.1mm×12.7mm(1.5inch×0.5inch)永磁铁粘贴在铝板的125mm，15°处，用于形成另一种损伤情况，如图20所示。同样可以在被动相控阵中接收到损伤产生的信号，由于损伤布设的位置较之前损伤情况远一些，因此损伤散射回波的A0波包传播时间变长，如图21和图22所示。同样根据差信号对损伤进行重构，得到被检测区域的损伤检测结果如图23所示，与该工况下损伤位置吻合。体现了真时延单模态Lamb相控阵对损伤非常敏感，能够灵活且有效地对板状结构进行损伤检测。

Claims (2)

1.一种用于板状结构检测的真时延单模态Lamb波相控阵系统使用方法，采用的Lamb波相控阵系统，包括：控制器，多通道数/模转换器，多晶片Lamb波相控阵探头，多通道继电器，多通道模/数转换采集卡和成像显示器,其特征在于，真时延聚焦方法如下：
真时延单模态Lamb波相控阵中心频率为100kHz，选用A0模态的波进行板状结构的损伤检测；以3个周期汉宁窗窄带脉冲信号激发单模态A0波进行板状结构的损伤检测，其中，各个单元的激励信号为V(t-δn),基准电压激励信号H(t)为赫维赛德阶跃函数，当t≥0时H(t)＝1；当t＜0时H(t)＝0，Nρ＝3，fc＝100kHz；选用A0模态波的群速度来计算相控阵单元的时间延迟，从第n个压电片到达焦点P的距离表示成如下的形式：
其中，a是两个相控阵单元中心的距离，F是焦距，也就是焦点到相控阵中心点的距离，θF是焦点的偏移角度；在聚焦于焦点P时，各个压电片对应的时间延迟δn分别表达为式(2)的形式，c为导波中A0波的群速度，t0为一个足够大的常数以便保证时间延迟不为负数，分别对奇数压电片和偶数个压电片进行推导；
设初始由第n个压电片单元发出的信号幅值为An，Lamb波的衰减为距离平方根的反比最终各个压电片单元产生的波阵面合成到焦点P处的波为：
其中，Sp(t)是焦点P处的波场强度信号，S0是各个压电片单元初始信号。
2.根据权利要求1所述的一种用于板状结构检测的真时延单模态Lamb波相控阵系统使用方法，其特征在于，单模态成像方法如下：
设在角度为θd，距离Rd的点D处有一个损伤，相控阵聚焦的焦点在P处，不同压电传感器单元发出的波在点D处叠加结果SD(t)为公式(4)所示，其中dn为第n个压电传感器单元到损伤位置D的距离，其大小由几何关系计算：
当D处有损伤存在时，漫反射回来的波会被多晶片Lamb波相控阵探头接收到，其中散射系数为B，考虑传播回来的波幅值衰减项为dm为损伤D处到第m个压电传感器单元的距离，从D处传播回来到第m个压电传感器单元的波Sr(t)为：
反射回来的波，到各个压电传感器单元会存在不同的时间延迟，为了计算具体的损伤位置，需要把被动相控阵各个压电传感器单元接收到的信号根据聚焦位置的不同，进行组装和叠加，从而得到代表该聚焦位置的损伤情况重构信号，根据聚焦时间延迟δm，其组装信号SR(t)的表达公式为：
采用损伤情况和健康情况做差得到的差信号进行组装，减去包含健康情况下基准信号的方法能够排除了原有信号中的健康情况和初始缺陷对信号的影响，只与需要检测的损伤大小和位置相关，更好地反应损伤对信号的影响，当聚焦点位置同缺陷位置重合时，聚焦角度θF＝θd，且焦距F＝Rd，损伤处产生很强的单模态Lamb波反射回波且组装信号SR(t)会取到极大值。
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