CN110702801A - 基于同侧超声混频小波的板状结构疲劳裂缝定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于同侧超声混频小波的板状结构疲劳裂缝定位系统，其特征在于：包括计算机、非线性超声仪、衰减器、低通滤波器、信号激励传感器、待测样件、双工器、高通滤波器及示波器。本发明还涉及一种基于同侧超声混频小波的板状结构疲劳裂缝定位方法，其特征在于：该方法的步骤为：1)系统搭建；2)激励信号调节；3)激励信号传输；4)信号处理；5)疲劳裂缝定位。本发明涉及科学合理，能够快速准确的现并确定板状结构中疲劳裂缝的位置，降低因过早对不含损伤结构的材料进行替换而造成的浪费，提高材料的利用率，同时也避免因未能及时发现损伤结构的存在而引发的安全事故，此外本发明对预测金属材料剩余寿命的研究具有很好的借鉴意义。

Description

基于同侧超声混频小波的板状结构疲劳裂缝定位系统及方法

技术领域

本发明属于金属无损检测领域，涉及基于同侧超声混频小波的板状结构疲劳裂缝定位系统及方法。

背景技术

金属板材广泛应用在军事、工业、医疗和航天等领域，材料在使用过程中不可避免地会受到重复施加的载荷、温度变化和腐蚀等外部因素的影响，进而产生疲劳，当疲劳累计到一定程度将会发展成宏观裂纹，引起安全事故和重大经济损失。

目前关于金属的无损检测比较成熟的方法有四大类：超声波探伤，该方法主要检测冶金缺陷，如夹渣、孔洞、裂纹等；X射线探伤，检测零件中的高密度夹杂，如夹钨等缺陷；荧光渗透探伤法，用来检测表面开口缺陷；涡流探伤法，检测表面及近表面的缺陷。这些传统的无损检测方法针对传统的开口裂纹是可行而有效的，但是对于由疲劳损伤引起的疲劳裂缝却无能为力。随着lamb波理论与非线性超声混频理论的发展，为金属板材结构疲劳裂缝的无损检测提供了新思路。

邓明晰团队在二阶摄动理论基础下，通过波导激励的模态分析方法研究了符合板材结构中的二次lamb波产生情况，结果表明二次谐波的产生效率和分界面的常数相关，该结果为lamb波的二次谐波在薄板结构的无损检测方面的应用奠定了基础。ChristophPruell通过实验证明了lamb波的非线性在与塑性材料的相互作用方面与纵波和横波有着相似的结果，由此表明lamb波的高次谐波可以用来评估塑性驱动的材料损伤。此后Christoph Pruell继续利用一对楔形传感器激发和接收lamb波与二次谐波，结果表明基于lamb波测得的声学非线性与疲劳损伤直接相关，由此开发了用lamb波的非线性表征金属薄板疲劳损伤的实验程序。H Xu等人就lamb的非线性效应表征结构损伤评价进行研究，提出了时频分析的算法对获取的非线性lamb信号进行处理。XWan在利用有限元分析方法仿真时，发现lamb波在与薄板中的微小尺寸裂纹作用时，产生了二次谐波，进而提出了非线性lamb波应用于薄板材中的结构损伤检测方法。同年，Z Su通过提取金属板材的几乎不可见的疲劳裂缝中提取线性和非线性信号，证明了lamb波的非线性用于微损伤结构检测的可行性、准确性和实用性。2017年，焦敬品所在团队利用体波完成了闭合裂纹的混频超声检测，为结构中疲劳裂缝的评价做出了积极的探索。

通过对公开专利文献的检索，并未发现与本专利申请相同的公开专利文献。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对存在于金属板材中的疲劳损伤难以识别和定位的问题，提出了一种基于小波变换与非线性超声同侧激励混频效应的方法，对混频信号进行时频分析，提取特征频率与其出现的对应时间，实现了疲劳损伤结构的识别与定位的功能。及早发现并确定结构中疲劳裂缝的位置，降低因过早对不含损伤结构的材料进行替换而造成的浪费，提高材料的利用率，同时也避免因未能及时发现损伤结构的存在而引发的安全事故，此外本发明对预测金属材料剩余寿命的研究具有很好的借鉴意义。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种基于同侧超声混频小波的板状结构疲劳裂缝定位系统，其特征在于：包括计算机、非线性超声仪、衰减器、低通滤波器、信号激励传感器、待测样件、双工器、高通滤波器及示波器，所述计算机连接至所述非线性超声仪，所述非线性超声仪设置有两路射频输出端及一路射频输入端，所述两路射频输出端分别连接有衰减器，所述衰减器分别连接至低通滤波器及双工器，所述待测样件一侧并列设置有两个信号激励传感器，所述低通滤波器连接至其中一个信号激励传感器，所述双工器连接至另外一个信号激励传感器，所述双工器另一端连接至所述高通滤波器，所述高通滤波器连接至所述非线性超声仪的射频输入端，所述非线性超声仪连接至示波器。

一种基于同侧超声混频小波的板状结构疲劳裂缝定位方法，其特征在于：所述定位方法的步骤为：

1)系统搭建：将信号激励传感器通过高真空硅脂耦合剂黏贴到待测样件的两侧，并将计算机、非线性超声仪、衰减器、低通滤波器、信号激励传感器、待测样件、双工器、高通滤波器及示波器连接；

2)激励信号调节：由计算机产生激励信号并传输给非线性超声仪，经过两路射频输出端分别作用在待测试样上，将非线性超声仪两路射频输出端中的一路射频输出发射频率设置为S₁₀，并设定频率扫描范围及扫描步长，使得另一路射频输出发射频率S₁₁按照上述范围及步长依次施加不同频率的激励，并记录出现混频效应最佳的发射频率S₁₁，以此作为另一路射频输出端的激励源，待提取的目标特征混频信号频率为S₁₀+S₁₁；

3)激励信号传输：通过信号激励传感器施加频率为S₁₀的连续信号，待信号传播至待测板件另一端后，继续施加20个周期频率为S₁₁的短周期信号；

4)信号处理：根据小波变换的原理，选取合适的小波基函数和尺度函数，使用MATLAB软件对上述采集的信号进行分析，充分利用小波变换在时频分析上的优势，提取特征频率和其发生的对应时间，实现缺陷的定位目的；

5)疲劳裂缝定位：疲劳裂缝位置计算公式为：

X＝c_g·t_sum/2

其中：c_g为兰姆波群速度；

X为疲劳裂缝距离信号激励传感器的距离；

t_sum为和频信号返回时间。

而且，所述步骤4)中信号处理的具体步骤为：

1)使用MATLAB工具进行参数优化：通过选取Harr小波、Daubechies小波、MexicanHat小波、Meyer小波和Morlet小波这五种常见的小波基函数以及在不同小波基下尝试不同的尺度a对提取到的仿真混频信号利用MATLAB进行处理分析，得到能够表征提取的混频信号的最佳小波基和尺度a，通过软件达到优化参数的目的，进而将参数应用到工程实际中；

2)对混频信号进行时频分析并完成特征提取：基于上述非线性超声同侧激励定位系统的搭建及获取的MATLAB小波基函数、小波尺度优化参数，对实验提取到的混频信号进行分析处理获取时频图谱，读取并记录特征频率幅值与出现特征频率的时间，便于后续比对验证工作。

本发明的优点和有益效果为：

1、本发明搭建了非线性超声同侧激励实验平台，在体波混频理论的基础上完成了同侧混频效应应用在在金属板材结构中疲劳裂纹检测的进一步探索。

2、本发明将小波变换理论结合MATLAB软件应用到无损检测领域，提出一种从时频分析角度进行金属板材中疲劳裂纹进行检测并定位的算法。

3、本发明涉及科学合理，能够快速准确的现并确定板状结构中疲劳裂缝的位置，降低因过早对不含损伤结构的材料进行替换而造成的浪费，提高材料的利用率，同时也避免因未能及时发现损伤结构的存在而引发的安全事故，此外本发明对预测金属材料剩余寿命的研究具有很好的借鉴意义。

附图说明

图1为本发明技术方案整体流程图；

图2为本发明定位系统的连接示意图。

附图标记说明

1-左侧衰减器、2-右侧衰减器、3-低通滤波器、4-待测样件上端信号激励传感器、5-疲劳裂缝、6-高通滤波器、7-待测样件下端信号激励传感器、8-计算机、9-示波器、10-第一射频输出端、11-第二射频输出端、12-射频输入端、13-非线性超声仪、14-待测样件、15-双工器。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种基于同侧超声混频小波的板状结构疲劳裂缝定位系统，其创新之处在于：包括计算机8、非线性超声仪13、衰减器、低通滤波器3、信号激励传感器、待测样件14、双工器15、高通滤波器6及示波器9，计算机连接至非线性超声仪，非线性超声仪设置有两路射频输出端及一路射频输入端12，两路射频输出端包括第一射频输出端10及第二射频输出端11，第一射频输出端及第二射频输出端分别连接有左侧衰减器1及右侧衰减器2，所述左侧衰减器及右侧衰减器分别连接至低通滤波器及双工器，待测样件一侧并列设置有两个信号激励传感器，低通滤波器连接至待测样件上端信号激励传感器4，双工器连接至待测样件下端信号激励传感器7，双工器另一端连接至高通滤波器，高通滤波器连接至非线性超声仪的射频输入端，非线性超声仪连接至示波器。

一种基于同侧超声混频小波的板状结构疲劳裂缝定位方法，其特创新之处于：该定位方法的步骤为：

1)系统搭建：将信号激励传感器通过高真空硅脂耦合剂黏贴到待测样件的两侧，并将计算机、非线性超声仪、衰减器、低通滤波器、信号激励传感器、待测样件、双工器、高通滤波器及示波器连接；

2)激励信号调节：由计算机产生激励信号并传输给非线性超声仪，经过两路射频输出端分别作用在待测试样上，将非线性超声仪两路射频输出端中的一路射频输出发射频率设置为S10，并设定频率扫描范围及扫描步长，使得另一路射频输出发射频率S₁₁按照上述范围及步长依次施加不同频率的激励，并记录出现混频效应最佳的发射频率S₁₁，以此作为另一路射频输出端的激励源，待提取的目标特征混频信号频率为S₁₀+S₁₁；

3)激励信号传输：通过信号激励传感器施加频率为S₁₀的连续信号，待信号传播至待测板件另一端后，继续施加20个周期频率为S₁₁的短周期信号；

4)信号处理：根据小波变换的原理，选取合适的小波基函数和尺度函数，使用MATLAB软件对上述采集的信号进行分析，充分利用小波变换在时频分析上的优势，提取特征频率和其发生的对应时间，实现缺陷的定位目的；

5)疲劳裂缝定位：疲劳裂缝5位置计算公式为：

X＝c_g·t_sum/2

其中：c_g为兰姆波群速度；

X为疲劳裂缝距离信号激励传感器的距离；

t_sum为和频信号返回时间。

步骤4)中信号处理的具体步骤为：

1)使用MATLAB工具进行参数优化：通过选取Harr小波、Daubechies小波、MexicanHat小波、Meyer小波和Morlet小波这五种常见的小波基函数以及在不同小波基下尝试不同的尺度a对提取到的仿真混频信号利用MATLAB进行处理分析，得到能够表征提取的混频信号的最佳小波基和尺度，通过软件达到优化参数的目的，进而将参数应用到工程实际中。

2)对混频信号进行时频分析并完成特征提取：基于上述非线性超声同侧激励定位系统的搭建及获取的MATLAB小波基函数、小波尺度优化参数，对实验提取到的混频信号进行分析处理获取时频图谱，读取并记录特征频率幅值与出现特征频率的时间，便于后续比对验证工作。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (3)

1.一种基于同侧超声混频小波的板状结构疲劳裂缝定位系统，其特征在于：包括计算机、非线性超声仪、衰减器、低通滤波器、信号激励传感器、待测样件、双工器、高通滤波器及示波器，所述计算机连接至所述非线性超声仪，所述非线性超声仪设置有两路射频输出端及一路射频输入端，所述两路射频输出端分别连接有衰减器，所述衰减器分别连接至低通滤波器及双工器，所述待测样件一侧并列设置有两个信号激励传感器，所述低通滤波器连接至其中一个信号激励传感器，所述双工器连接至另外一个信号激励传感器，所述双工器另一端连接至所述高通滤波器，所述高通滤波器连接至所述非线性超声仪的射频输入端，所述非线性超声仪连接至示波器。

2.根据权利要求1所述的一种基于同侧超声混频小波的板状结构疲劳裂缝定位方法，其特征在于：所述定位方法的步骤为：

1)系统搭建：将信号激励传感器通过高真空硅脂耦合剂黏贴到待测样件的两侧，并将计算机、非线性超声仪、衰减器、低通滤波器、信号激励传感器、待测样件、双工器、高通滤波器及示波器连接；

2)激励信号调节：由计算机产生激励信号并传输给非线性超声仪，经过两路射频输出端分别作用在待测试样上，将非线性超声仪两路射频输出端中的一路射频输出发射频率设置为S₁₀，并设定频率扫描范围及扫描步长，使得另一路射频输出发射频率S₁₁按照上述范围及步长依次施加不同频率的激励，并记录出现混频效应最佳的发射频率S₁₁，以此作为另一路射频输出端的激励源，待提取的目标特征混频信号频率为S₁₀+S₁₁；

3)激励信号传输：通过信号激励传感器施加频率为S₁₀的连续信号，待信号传播至待测板件另一端后，继续施加20个周期频率为S₁₁的短周期信号；

4)信号处理：根据小波变换的原理，选取合适的小波基函数和尺度函数，使用MATLAB软件对上述采集的信号进行分析，充分利用小波变换在时频分析上的优势，提取特征频率和其发生的对应时间，实现缺陷的定位目的；

5)疲劳裂缝定位：疲劳裂缝位置计算公式为：

X＝c_g·t_sum/2

其中：c_g为兰姆波群速度；

X为疲劳裂缝距离信号激励传感器的距离；

t_sum为和频信号返回时间。

3.根据权利要求2所述的基于同侧超声混频小波的板状结构疲劳裂缝定位方法，其特征在于：所述步骤4)中信号处理的具体步骤为：

1)使用MATLAB工具进行参数优化：通过选取Harr小波、Daubechies小波、Mexican Hat小波、Meyer小波和Morlet小波这五种常见的小波基函数以及在不同小波基下尝试不同的尺度a对提取到的仿真混频信号利用MATLAB进行处理分析，得到能够表征提取的混频信号的最佳小波基和尺度a，通过软件达到优化参数的目的，进而将参数应用到工程实际中。

2)对混频信号进行时频分析并完成特征提取：基于上述非线性超声同侧激励定位系统的搭建及获取的MATLAB小波基函数、小波尺度优化参数，对实验提取到的混频信号进行分析处理获取时频图谱，读取并记录特征频率幅值与出现特征频率的时间，便于后续比对验证工作。

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