CN108802203A - 一种基于多模态技术的杆状构件内部缺陷定位方法 - Google Patents

一种基于多模态技术的杆状构件内部缺陷定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多模态技术的杆状构件内部缺陷的定位方法，包括以下步骤：步骤1)在杆件上设置高频发射传感器和接收传感器；步骤2)获取所述高频发射传感器和接收传感器从0到第一阶纵向模态截止频率之间频响传递函数；步骤3)根据获得的频响传递函数，得到出各次纵向共振频率；步骤4)在杆件上施加单频振动激励，测量步骤3)的从0到第一阶纵向模态截止频率之间的调制强度；步骤5)比较不同共振频率下的调制强度，根据出现调制强度极小值对应的纵向共振模态次数，得出缺陷在杆件中的位置。本发明不需要增加额外的高成本定位设备，操作简单，通过直接观察不同高频频率下调制强度分布规律即可判断裂纹位置，易于在实际检测中推广。

Description

一种基于多模态技术的杆状构件内部缺陷定位方法
技术领域
本发明涉及无损检测领域，具体涉及一种基于多模态技术的杆状构件内部缺陷定位方法。
背景技术
振动声调制技术是一种非线性声学检测方法，即在低频振动激励下，裂纹在不同时刻承受不同应力作用而张开闭合，使通过此界面的高频信号幅度或相位发生变化(调制)。实际检测时，将低频振动信号f1和高频超声信号f0同时施加在工件上，若工件中存在裂纹等缺陷，则接收信号频谱中含有边频f0±nf1成分；否则f0与f1无相互作用，接收信号频谱与输入信号相同，如图1所示。因此，通过监测调制边频成分的有无及幅度大小，即可对所测工件质量进行评价。
振动声调制技术对接触型缺陷特别是疲劳裂纹非常敏感。而与非线性谐波法相比，此方法抗干扰性强，也不需要昂贵的高压激励设备。同时，由于低频激励可使整个工件产生振动，高频超声频率一般为几百kHz，传播距离远，衰减小，接收信号中含有超声声场覆盖范围内的结构信息，理论上适合各种形状工件的检测。目前已有在岩石、混凝土、金属、复合材料等多种材料中的进行缺陷检测并对结构质量状况进行在线监测的报道。
然而，振动声调制技术作为一种全局性的检测方法，其检测信号中含有声场覆盖范围内的多种结构信息，各信息之间相互混杂，使缺陷的定位定量非常困难，目前进行裂纹定位主要有三种方式：(1)与现有定位装置如激光测振仪、机械扫描系统结合获取位置信息；(2)多探头收发信号，采用阵列信号处理技术如时间反转等进行定位；(3)用脉冲波代替连续波进行激励，根据缺陷回波进行定位。但这些定位方法一般需要添加精密昂贵的外部设备如激光测振仪、机械扫描定位装置、脉冲发射及同步装置，或者需要复杂繁琐的信号处理技术如时间反转等。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术需要添加精密昂贵的外部设备，或者需要复杂繁琐的信号处理技术等增加了现场检测应用的难度的问题。
为实现上述目的，本发明利用声波在工件内形成驻波场的特征，提出一种基于多模态技术的杆状构件内部缺陷定位方法。所述方法包括以下步骤：
步骤1)在杆件上设置高频发射传感器和接收传感器；
步骤2)获取所述高频发射传感器和接收传感器从0到第一阶纵向模态截止频率之间频响传递函数；
步骤3)根据步骤2)获得的频响传递函数，得到出各次纵向共振频率；
步骤4)在杆件上施加单频振动激励，测量步骤3)的从0到第一阶纵向模态截止频率之间的调制强度；
步骤5)比较步骤4)不同共振频率下的调制强度，根据出现调制强度极小值对应的纵向共振模态次数，得出缺陷在杆件中的位置。
作为上述方法的一种改进，所述步骤1)中高频发射传感器和接收传感器分别设置于杆件的两端面，所述高频发射传感器发出的信号为x(t)，接收传感器接收到的信号为y(t)。
作为上述方法的一种改进，所述步骤1)的高频发射传感器可采用单频方式激励或扫频方式激励。
作为上述方法的一种改进，所述步骤4)的单频振动信号采用低频激振器激励，激励信号为单频正弦信号，激励频率为杆件的共振频率。
作为上述方法的一种改进，所述步骤2)中第一阶纵向模态截止频率是指杆件中出现L(0，1)或L(1，0)模态时的频率；所述L(0，1)处的截止频率f(0，1)和L(1，0)处的截止频率f(1，0)分别为：
其中，c0杆中声速，lx和ly分别为截面长和宽。
作为上述方法的一种改进，所述步骤2)中频响传递函数H(ω)为：
其中，Y(ω)为接收信号y(t)的傅里叶变换，X(ω)为发射信号x(t)的傅里叶变换。
作为上述方法的一种改进，所述步骤3)中纵向共振频率为所测杆件纵振动时的各次共振频率；杆件纵振动各次共振频率为fn：
其中n为阶次，l为杆长。
作为上述方法的一种改进，当高频发射传感器采用单频连续正弦波激励时，所述步骤4)中调制强度用接收信号频谱中边频幅度与主频幅度之比MID进行表征：
其中，An+为检测信号频谱中边频f0+nf1幅度；An-为检测信号频谱中边频f0-nf1幅度；A0位相应主频f0幅度。
作为上述方法的一种改进，当高频发射传感器采用单频励时所述步骤4)具体包括：
步骤4-1)将接收传感器的接收信号进行傅里叶变换转换到频域；
步骤4-2)在频域中提取边频f0+nf1幅度An+、边频f0-nf1幅度An-和主频f0幅度A0；
步骤4-3)计算此频率下的调制强度MID；
步骤4-4)改变激励信号频率，依次重复步骤4-1)、步骤4-2)和步骤4-3)，得到不同频率下调制强度分布。
作为上述方法的一种改进，所述步骤5)具体包括：
步骤5-1)以高频频率为横坐标，振幅为纵坐标绘制频响图的频响传递函数曲线，同时结合式(3)得到的各次纵向共振频率；
步骤5-2)根据步骤4)得到的不同频率下的调制强度，在所述频响图中同时绘制不同高频频率下的调制强度分布图；
步骤5-3)根据调制强度分布图的极小值的位置得到对应高频频率，找到频响传递函数曲线在此高频频率下的纵向共振点，从而得到该点共振频率对应的阶次，将此共振频率对应的阶次记录为杆件纵向共振模态阶次；
步骤5-4)根据步骤5-3)得到的纵向共振模态阶次，获取缺陷在杆件出现的位置：
A.当杆件第2n次纵向共振模态对应调制强度有极小值时，裂纹位于杆件l/2处，n为自然数；
B.当杆件第3n次纵向共振模态对应调制强度极小值时，裂纹位于杆件l/3处；
C.当杆件第4n次纵向共振模态对应调制强度极小值时，裂纹位于杆件l/4处。
本发明的优势在于：
1、本发明提出的一种基于多模态技术的杆状构件内部缺陷定位方法，除了振动声调制检测中所必须的信号激励与接收设备外，不需要增加额外的高成本定位设备；
2、本发明操作简单，直接观察不同高频频率下调制强度分布规律即可判断裂纹位置，无需较难的信号处理知识背景，易于在实际检测中推广。
附图说明
图1为现有技术的振动声调制技术基本原理图；
图2为本发明基于多模态技术的杆状构件内部缺陷定位方法的流程图；
图3为本发明的杆件纵振动前五阶模态振型图；
图4为本发明的在裂纹位置l/2处45-90kHz内振动声调制实测结果及频响曲线图；
图5为本发明的在裂纹位置l/3处45-90kHz内振动声调制实测结果及频响曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明利用振动声调制技术对杆状构件内部裂纹进行定位，提出了一种基于杆内多模态驻波的定位方法，在所述方法中将高频发射传感器和接收传感器分别设置于杆件的两端面，所述高频发射传感器发出的信号为x(t)，接收传感器接收到的信号为y(t)。
所述高频发射传感器可采用单频或扫频方式激励。
所述低频激励信号采用低频激振器激励，激励信号为单频正弦信号，激励频率为杆件的共振频率。
低频激振器产生的是低频信号，一般不大于5000Hz。
高频信号作为载波，可用单频或扫频方式，均可由信号发生器或超声发射卡产生。
调制是高频和低频信号相互作用产生，低频一般不变，只改变高频频率，所以得到的是不同高频频率下的调制强度。
如图2所示，所述方法包括：
步骤1)在杆件上设置高频发射传感器和接收传感器；
步骤2)获取所述高频发射传感器和接收传感器从0到第一阶纵向模态截止频率之间频响传递函数；
步骤3)根据步骤2)获得的频响传递函数，得到出各次纵向共振频率；
步骤4)在杆件上施加单频振动激励，测量步骤3)的从0到第一阶纵向模态截止频率之间的调制强度；
步骤5)比较步骤4)不同共振频率下的调制强度，根据出现调制强度极小值对应的纵向共振模态次数，得出缺陷在杆件中的位置。
所述第一阶纵向模态截止频率是指杆件中出现L(0，1)或L(1，0)模态时的频率。所述L(0，1)处的截止频率f(0，1)和L(1，0)处的截止频率f(1，0)分别为：
其中c0杆中声速，lx和ly分别为截面长和宽。
所述步骤2)中频响传递函数为接收信号与发射信号傅里叶谱的比值，频响传递函数H(ω)可用下式计算：
式中，Y(ω)和X(ω)分别为接收信号y(t)和输入信号x(t)的傅里叶变换。由此式可知频响传递函数H(ω)是频率ω的函数。
所述步骤3)中所述纵向共振频率为所测杆件纵振动时的各次共振频率，在频响传递函数曲线上，各峰值点对应的频率为共振频率，杆件纵振动各次共振频率可通过下式估算：
其中，n为阶次，l为杆长。
所述步骤4)调制强度为振动声调制检测接收信号中高频载波受低频振动调制作用的大小。例如，当高频信号采用单频方式激励时，调制强度可用接收信号频谱中边频幅度与主频幅度之比MID进行表征：
式中，An±——检测信号频谱中边频f0±nf1幅度；
A0——相应主频f0幅度。
当高频采用单频方式激励时所述步骤4)具体包括：
步骤4-1)将接收传感器的接收信号进行傅里叶变换转换到频域；
步骤4-2)在频域中提取边频f0±nf1幅度An±和主频f0幅度A0；
步骤4-3)计算此高频频率下的调制强度；
步骤4-4)改变激励信号频率，依次重复步骤4-1)、步骤4-2)和4-3)，得到不同高频频率下调制强度分布。
而在高频采用扫频方式激励的情况下，一般将接收信号进行希尔伯特解调或同步解调之后，利用短时傅里叶变换转换到时频域，再提取低频各次谐波能量之和来表征，两种表征方法是等价的。
所述步骤5)具体包括：
步骤5-1)以高频频率为横坐标，振幅为纵坐标分别绘制频响传递函数曲线图(以下简称频响图)，同时结合式(3)得到的各次纵向共振频率；
步骤5-2)根据步骤4)得到的调制强度，在频响图中同时绘制不同高频频率下的调制强度分布图；
步骤5-3)根据调制强度分布图的极小值的位置得到对应高频频率，找到频响传递函数曲线在此高频频率下的纵向共振点，从而得到该点共振频率对应的阶次，将此共振频率对应的阶次记录为杆件纵向共振模态阶次；
步骤5-5)根据步骤5-4)得到的纵向共振模态阶次，获取缺陷在杆件出现的位置：
A.当杆件第2n次纵向共振模态对应调制强度有极小值时，裂纹位于杆件l/2处，n为自然数；
B.当杆件第3n次纵向共振模态对应调制强度极小值时，裂纹位于杆件l/3处；
C.当杆件第4n次纵向共振模态对应调制强度极小值时，裂纹位于杆件l/4处时。
如图3所示，细杆纵向振动前五阶共振模态下的振型，在纵振动固有模态下，杆内声场为驻波场。由于杆两端为自由状态，因此在不同模态下，两端振幅均为极大值，如图中显示为白色表示，即驻波波腹位置。
杆中部x＝l/2处，振幅在奇数模态下为极小值，如图中显示为黑色表示，即驻波波节位置；在偶数模态下则为极大值也就是驻波波腹位置。即此部分质点在奇数模态下不参与高频运动，若此处存在裂纹，其在低频作用下的张开/闭合并不影响奇数模态高频声波的传播，也不影响裂纹界面上振动-超声相互作用。
如图4和图5所示，但高频若选择偶数模态共振频率附近激励，由于此时裂纹处于驻波波腹位置，则裂纹的张开/闭合必然影响高频声波在杆内的传播行为，进而影响裂纹界面上的振动-超声调制作用强弱。即裂纹位于杆件l/2处时，第2n次(n＝1,2,3,……)纵向共振频率对应的调制强度将受到较大影响。
同理，当裂纹位于l/3处或l/4处时，则杆件第3n次或4n次(n＝1,2,3,……)纵向共振频率对应的调制强度会有显著变化，即裂纹位置信息将体现在不同高频频率下的调制强度分布规律中。反之，根据不同模态共振频率下调制强度分布规律，则可以对杆内裂纹进行定位。
如图4和图5所示，在图中，调制强度和频响曲线(HFSR)在幅度上的差别有好几个数量级，因此采用的是双纵坐标，左边是调制强度，右边是频响曲线幅度。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于多模态技术的杆状构件内部缺陷的定位方法，包括以下步骤：
步骤1)在杆件上设置高频发射传感器和接收传感器；
步骤2)获取所述高频发射传感器和接收传感器从0到第一阶纵向模态截止频率之间频响传递函数；
步骤3)根据步骤2)获得的频响传递函数，得到出各次纵向共振频率；
步骤4)在杆件上施加单频振动激励，测量步骤3)的从0到第一阶纵向模态截止频率之间的调制强度；
步骤5)比较步骤4)不同共振频率下的调制强度，根据出现调制强度极小值对应的纵向共振模态次数，得出缺陷在杆件中的位置。
2.根据权利要求1所述的基于多模态技术的杆状构件内部缺陷定位方法，其特征在于，所述步骤1)中高频发射传感器和接收传感器分别设置于杆件的两端面，所述高频发射传感器发出的信号为x(t)，接收传感器接收到的信号为y(t)。
3.根据权利要求2所述的基于多模态技术的杆状构件内部缺陷定位方法，其特征在于，所述步骤1)的高频发射传感器采用单频方式激励或扫频方式激励。
4.根据权利要求3所述的基于多模态技术的杆状构件内部缺陷定位方法，其特征在于，所述步骤4)的单频振动信号采用低频激振器激励，激励信号为单频正弦信号，激励频率为杆件的共振频率。
5.根据权利要求4所述的基于多模态技术的杆状构件内部缺陷定位方法，其特征在于，所述步骤2)中第一阶纵向模态截止频率是指杆件中出现L(0，1)或L(1，0)模态时的频率；所述L(0，1)处的截止频率f(0，1)和L(1，0)处的截止频率f(1，0)分别为：
其中，c0杆中声速，lx和ly分别为杆件的截面长和宽。
6.根据权利要求5所述的基于多模态技术的杆状构件内部缺陷定位方法，其特征在于，所述步骤2)中频响传递函数H(ω)为：
其中，Y(ω)为接收信号y(t)的傅里叶变换，X(ω)为发射信号x(t)的傅里叶变换。
7.根据权利要求6所述的基于多模态技术的杆状构件内部缺陷定位方法，其特征在于，所述步骤3)中纵向共振频率为所测杆件纵振动时的各次共振频率；杆件纵振动各次共振频率为fn：
其中，n为阶次，l为杆长。
8.根据权利要求7所述的基于多模态技术的杆状构件内部缺陷定位方法，其特征在于，当高频发射传感器采用单频连续正弦波激励时，所述步骤4)中调制强度用接收信号频谱中边频幅度与主频幅度之比MID为：
其中，An+为检测信号频谱中边频f0+nf1幅度；An-为检测信号频谱中边频f0-nf1幅度；A0位相应主频f0幅度。
9.根据权利要求8所述的基于多模态技术的杆状构件内部缺陷定位方法，其特征在于，当高频发射传感器采用单频励时所述步骤4)具体包括：
步骤4-1)将接收传感器的接收信号进行傅里叶变换转换到频域；
步骤4-2)在频域中提取边频f0+nf1幅度An+、边频f0-nf1幅度An-和主频f0幅度A0；
步骤4-3)计算此频率下的调制强度MID；
步骤4-4)改变激励信号频率，依次重复步骤4-1)、步骤4-2)和步骤4-3)，得到不同频率下调制强度分布。
10.根据权利要求8或9所述的基于多模态技术的杆状构件内部缺陷定位方法，其特征在于，所述步骤5)具体包括：
步骤5-1)以高频频率为横坐标，振幅为纵坐标绘制频响图的频响传递函数曲线，同时结合式(3)得到的各次纵向共振频率；
步骤5-2)根据步骤4)得到的不同频率下的调制强度，在所述频响图中同时绘制不同高频频率下的调制强度分布图；
步骤5-3)从调制强度分布图的极小值的位置得到对应高频频率，找到频响传递函数曲线在此高频频率下的纵向共振点，从而得到该点共振频率对应的阶次，将此共振频率对应的阶次记录为杆件纵向共振模态阶次；
步骤5-4)根据步骤5-3)得到的纵向共振模态阶次，获取缺陷在杆件出现的位置：
A.当杆件第2n次纵向共振模态对应调制强度有极小值时，裂纹位于杆件l/2处，n为自然数；
B.当杆件第3n次纵向共振模态对应调制强度极小值时，裂纹位于杆件l/3处；
C.当杆件第4n次纵向共振模态对应调制强度极小值时，裂纹位于杆件l/4处。
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