CN113504314B - 环境变化场合下的高可靠性超声导波损伤因子计算方法 - Google Patents

环境变化场合下的高可靠性超声导波损伤因子计算方法 Download PDF

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CN113504314B CN202110534131.8A CN202110534131A CN113504314B CN 113504314 B CN113504314 B CN 113504314B CN 202110534131 A CN202110534131 A CN 202110534131A CN 113504314 B CN113504314 B CN 113504314B
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Abstract

本发明公开一种环境变化场合下的高可靠性超声导波损伤因子计算方法，包括：在待监测结构表面布置压电片组成压电阵列；采集某一环境下无损伤结构中各压电片对的超声导波参考信号；采集另一环境下当前结构中各压电片对的超声导波当前信号；对各压电片对的超声导波当前信号进行时域重构处理；对各压电片对的超声导波参考信号和时域重构处理后的超声导波当前信号进行频域重构处理；对各压电片对的时域重构和频域重构处理后的超声导波当前信号和频域重构处理后的超声导波参考信号进行阵列信号增强处理；提取高可靠性超声导波压电阵列损伤因子。本发明解决了因未考虑频散补偿和阵列信号增强处理而无法有效消除环境变化对损伤因子计算结果影响的问题。

Description

环境变化场合下的高可靠性超声导波损伤因子计算方法
技术领域
本发明涉及一种环境变化场合下的高可靠性超声导波损伤因子计算方法，属于超声导波结构健康监测领域。
背景技术
现有的结构健康监测技术中，超声导波损伤监测方法适用于多种损伤形式，且监测范围广，是最有效的损伤监测方法之一。在超声导波损伤监测中，一般通过比较当前结构状态下某一压电片对的超声导波当前信号及其参考信号来提取损伤因子，以评估当前结构的健康状态。然而，实际监测条件下，除了结构中的损伤，环境变化也会引起超声导波当前信号及其参考信号间的变化。因此，环境变化场合下，上述传统方法提取出的损伤因子可靠性低，为后续结构健康状态的准确评估带来很大难度。
现有环境变化影响的补偿方法，如信号拉伸方法，大多数仅对某一压电片对的超声导波信号进行单一的初步处理。这些单一处理机制的环境补偿方法既未考虑超声导波频散效应对温度补偿处理结果的影响，也未考虑通过压电阵列增强处理方法进一步消除环境变化影响并提高最终损伤因子的准确性，故仅能初步抑制环境变化对损伤因子计算的影响。
发明内容
针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种环境变化场合下的高可靠性超声导波损伤因子计算方法，以解决现有技术因未考虑频散补偿和阵列信号增强处理而无法有效消除环境变化对损伤因子计算结果影响的问题。本发明的方法将常规的单一温度补偿机制进行拓展，提出结合时域重构处理、频域重构处理与阵列信号增强处理的三级环境变化补偿处理机制，该处理机制首先通过时域重构处理尽可能消除环境变化对超声导波信号的影响；然后进行频域重构对超声导波信号进行频散补偿以提高信号分辨率，使超声导波信号中因环境变化影响未完全消除而存在的残余波包与损伤信息相关的有用波包分离；最后进行阵列信号增强处理，对超声导波信号中环境变化影响产生的残余波包进行抑制，并聚焦增强损伤信息相关的有用波包，从而最终达到多级消除环境变化影响，实现高可靠计算损伤因子的目的。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明的一种环境变化场合下的高可靠性超声导波损伤因子计算方法，步骤如下：
(1)在待监测结构表面布置压电片以组成压电阵列；
(2)采集某一环境下无损伤结构中各压电片对的超声导波参考信号；
(3)采集另一环境下当前结构中各压电片对的超声导波当前信号；
(4)对各压电片对的超声导波当前信号进行时域重构处理；
(5)对各压电片对的超声导波参考信号和时域重构处理后的超声导波当前信号进行频域重构处理；
(6)对各压电片对的时域重构和频域重构处理后的超声导波当前信号和频域重构处理后的超声导波参考信号进行阵列信号增强处理；
(7)提取高可靠性超声导波压电阵列损伤因子。
进一步地，所述步骤(1)具体为：在待监测结构表面布置N个压电传感器组成压电阵列，N≥3。
进一步地，所述步骤(2)具体为：在压电阵列中，依次选择一压电片作为激励器，将阵列中其它压电片作为传感器，采集某一环境T0下健康状态结构中各压电片对的超声导波健康信号v0i-j(T0,t)作为后续求取散射信号的参考信号，其中，i-j代表以第i个压电片作为激励器，以第j个压电片作为传感器组成的压电片对，且i≠j；1≤i,j≤N，t为时间变量。
进一步地，所述步骤(3)具体为：在另一环境T1下，采集当前结构状态中各压电片对的超声导波当前信号v1i-j(T1,t)。
进一步地，所述步骤(4)具体包括：
选择压电阵列中一压电片对的超声导波参考信号v0R(T0,t)与超声导波当前信号v1R(T1,t)作为校准信号；
由v0R(T0,t)与v1R(T1,t)中所选超声导波模式直达波包的飞行时间计算得到相位重构因子φs＝tof_v0R(T0,t)/tof_v1R(T1,t)，所选模式直达波包的峰值计算得到幅值重构因子As＝A_v0R(T0,t)/A_v1R(T1,t)，其中，tof_v0R(T0,t)和tof_v1R(T1,t)分别为v0R(T0,t)与v1R(T1,t)中所选超声导波模式直达波包的飞行时间，A_v0R(T0,t)和A_v1R(T1,t)分别为v0R(T0,t)与v1R(T1,t)中所选超声导波模式直达波包的幅值；
根据所得相位重构因子φs与幅值重构因子As对所有压电片对中的超声导波当前信号v1i-j(T1,t)进行相位-幅值修正，得到时域重构后的超声导波当前信号
Figure BDA0003069120050000021
进一步地，所述步骤(5)具体包括：
依据环境T0下结构中超声导波信号所选模式的波数曲线K0(ω)，并按照公式K1(ω)＝K0(ωc)+1/cg·(ω-ωc)对K0(ω)进行线性化，得到新的波数曲线K1(ω)，其中，ω为角频率，ωc为超声导波信号的中心角频率，cg为所选模式在ωc下的群速度；
按照
Figure BDA0003069120050000031
计算出频域重构的频谱插值映射序列Ω1(ω)，
Figure BDA0003069120050000032
为K0(ω)的逆函数；
对超声导波参考信号v0i-j(T0,t)和时域重构后的超声导波当前信号
Figure BDA0003069120050000033
分别进行傅里叶变换得到V0i-j(T0,ω)和
Figure BDA0003069120050000034
并按照Ω1(ω)分别对V0i-j(T0,ω)和
Figure BDA0003069120050000035
进行频域插值处理得到
Figure BDA0003069120050000036
和
Figure BDA0003069120050000037
Figure BDA0003069120050000038
和
Figure BDA0003069120050000039
分别为V0i-j(T0,ω)和
Figure BDA00030691200500000310
的频域插值结果；
随后分别对
Figure BDA00030691200500000311
和
Figure BDA00030691200500000312
进行逆傅里叶变换得到频域重构后的超声导波参考信号
Figure BDA00030691200500000313
和时域重构和频域重构处理后的超声导波当前信号
Figure BDA00030691200500000314
进一步地，所述步骤(6)具体包括：
对各压电片对时域重构和频域重构处理后的超声导波当前信号的
Figure BDA00030691200500000315
及其频域重构后的超声导波参考信号
Figure BDA00030691200500000316
进行信号差运算，得到时域重构和频域重构处理后的损伤散射信号
Figure BDA00030691200500000317
对各压电片对中时域重构和频域重构处理后的损伤散射信号
Figure BDA00030691200500000318
进行如下的阵列信号增强处理：
Figure BDA00030691200500000319
得到结构监测区域任一点的能量值，N为压电阵列中的压电片数，(x,y)是被测结构监测区域中任一点的坐标值，E(x,y)为(x,y)处的能量值，tij(x,y)为：
Figure BDA00030691200500000320
式中，(xi,yi)和(xj,yj)分别是压电片Pi和Pj的坐标；
求取结构监测区域中所有点的能量值。
进一步地，所述步骤(7)具体包括：
将结构监测区域中所有点的能量值的最大值Emax及其坐标值(xmax,ymax)作为高可靠性超声导波压电阵列损伤因子。
本发明的有益效果：
本发明的方法将常规的单一温度补偿机制进行拓展，提出结合时域重构处理、频域重构处理与阵列信号增强处理的三级环境变化补偿处理机制，该处理机制首先通过时域重构处理尽可能消除环境变化对超声导波信号的影响；然后进行频域重构对超声导波信号进行频散补偿以提高信号分辨率，分离超声导波信号中因环境变化影响未完全消除而存在的残余波包与损伤信息相关的有用波包；最后进行阵列信号增强处理，抑制超声导波信号中环境变化影响产生的残余波包，聚焦增强损伤信息相关的有用波包，从而最终达到多级消除环境变化影响，实现高可靠计算损伤因子的目的。
附图说明
图1是本发明方法的原理流程图；
图2是铝板结构中压电片及模拟损伤的布置示意图；
图3是健康信号v03-5(25℃,t)与原始损伤信号v13-5(60℃,t)的波形对比图；
图4是Lamb波校准信号v07-8(25℃,t)和v17-8(60℃,t)中的A0模式直达波形图；
图5是对v13-5(60℃,t)进行时域重构处理后的损伤信号
Figure BDA0003069120050000041
与理想损伤信号v13-5(25℃,t)的波形对比图；
图6是Lamb波A0模式理论频散波数曲线K0(ω)与线性化的波数曲线K1(ω)对比结果图；
图7是对
Figure BDA0003069120050000042
与v13-5(25℃,t)进行频域重构处理后的损伤信号
Figure BDA0003069120050000043
与理想损伤信号
Figure BDA0003069120050000044
的波形对比图；
图8是进行时域重构与频域重构处理后的损伤散射信号
Figure BDA0003069120050000045
与频域重构处理后的理想散射信号
Figure BDA0003069120050000046
的波形对比图；
图9是由各压电片对中进行时域重构与频域重构处理后的损伤散射信号
Figure BDA0003069120050000047
进行阵列信号增强处理得到的能量值结果示意图；
图10是由各压电片对中进行频域重构处理后的理想损伤散射信号
Figure BDA0003069120050000048
进行阵列信号增强处理得到的理想能量值结果示意图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
本实施例将以2024铝板结构中传播的Lamb波这一典型超声导波作为研究对象，铝板尺寸为800mm×650mm×2mm；激励信号选用中心频率为70kHz的1.5波峰正弦调制信号，使采集到的Lamb波信号以A0模式为主。实施例中选择温度变化这一典型的环境变化情况进行阐述，其中，采集Lamb波健康信号和损伤信号时的环境温度分别为25℃和60℃，然后以25℃常温下的Lamb波健康信号作为参考信号，对60℃温度下的损伤信号进行温度补偿处理，拟选用压电片对P3～P5中信号为例分析时域重构与频域重构的效果。
参照图1所示，本发明的一种环境变化场合下的高可靠性超声导波损伤因子计算方法，包括下列步骤：
(1)在待监测铝板表面布置压电片组成压电阵列；
如图2所示，在铝板结构表面布置8片压电片P1～P8组成压电阵列，以铝板结构中心为坐标原点建立笛卡尔坐标系，各压电片的位置如表1所示：
表1
Figure BDA0003069120050000051
(2)在无损伤铝板中采集25℃下的Lamb波参考信号和校准信号；
在25℃环境温度下采集28个压电片对的健康信号v0i-j(25℃,t)作为损伤监测的参考信号，其中i-j代表以第i个压电片作为激励器，以第j个压电片作为传感器组成的压电片对，且i≠j；1≤i,j≤N，t为时间变量；
选用压电片对P7-8中的监测信号v07-8(25℃,t)作为校准信号，用于求取时域重构中的相位重构因子和幅值重构因子。
(3)在铝板中引入散射体并采集60℃下的超声导波损伤信号和当前校准信号；
当环境温度变为60℃时，在随机选取的损伤坐标(100，80)引入散射体D，其分布如图2所示；
在60℃温度下采集28个压电片对中采集的损伤信号v1i-j(60℃,t)；
选用其中的P7-8压电片对中的v17-8(25℃,t)作为当前校准信号，用于求取时域重构中的相位重构因子和幅值重构因子；
为了便于后续解释该发明的信号处理过程，后续步骤选择P3-5中的健康信号v03-5(25℃,t)以及损伤信号v13-5(60℃,t)为例验证补偿效果。图3是P3-5中的健康信号v03-5(25℃,t)与原始损伤信号v13-5(60℃,t)的波形对比图，结果显示跨度为35℃的温差严重影响了v13-5(60℃,t)各数据点的时域分布，出现相位延迟、幅值衰减等现象。
(4)对各压电片对的超声导波当前信号进行时域重构处理；
本实施例中将对当前温度60℃下各压电片对中采集的超声导波损伤信号v1i-j(60℃,t)进行时域重构处理，使其波形接近25℃下铝板中的理想损伤信号v1i-j(25℃,t)，从而尽可能消除温度变化对损伤监测的影响。因此，为了便于实际考察对v1i-j(60℃,t)的温度补偿效果，在改变环境温度前也采集了25℃下理想损伤信号v1i-j(25℃,t)作为考察补偿效果的基准；
由校准信号v07-8(25℃,t)与当前校准信号v17-8(60℃,t)分别计算得到不同温度下A0模式波包(如图4所示)的飞行时间tof_v07-8(25℃,t)＝127.9μs、tof_v17-8(60℃,t)＝129.1μs，然后根据公式φs＝tof_v07-8(25℃,t)/tof_v17-8(60℃,t)计算得到相位重构因子φs＝1.0094；
由上述v07-8(25℃,t)与v17-8(60℃,t)分别计算得到不同温度下A0模式波包的幅值A_v07-8(25℃)＝1.3643V和A_v17-8(60℃)＝1.1711V，然后根据公式As＝A_v07-8(25℃)/A_v17-8(60℃)计算得到幅值重构因子As＝1.1650；
根据所得相位重构因子φs与幅值重构因子As对各压电片对中的损伤信号进行相位-幅值修正，以v13-5(60℃,t)为例，时域重构处理后的损伤信号计算为
Figure BDA0003069120050000061
图5为
Figure BDA0003069120050000062
与理想损伤信号v13-5(25℃,t)的波形对比图，由图可知时域重构方法补偿了v13-5(60℃,t)在整个时域范围内因温度改变造成的波形变化，
Figure BDA0003069120050000063
波形基本恢复至v13-5(25℃,t)。
(5)对各压电片对的超声导波参考信号和当前信号进行频域重构处理；
依据下表2中的材料参数计算得到环境温度25℃下结构中超声导波信号A0模式的波数曲线K0(ω)；
表2
Figure BDA0003069120050000071
按照公式K1(ω)＝K0(ωc)+1/cg·(ω-ωc)对K0(ω)进行线性化，得到新的波数曲线K1(ω)，其中，ω为角频率，ωc为超声导波信号的中心角频率，cg为所选模式在ωc下的群速度，图6为理论波数曲线K0(ω)与线性化的波数曲线K1(ω)对比结果；
按照
Figure BDA0003069120050000072
计算出频域重构的频谱插值映射序列Ω1(ω)，
Figure BDA0003069120050000073
为K0(ω)的逆函数；
以P3-5压电片对中的信号为例，对超声导波参考信号v03-5(25℃,t)和时域重构处理后的当前信号
Figure BDA0003069120050000074
分别进行傅里叶变换得到V03-5(25℃,ω)和
Figure BDA0003069120050000075
并按照Ω1(ω)分别对V03-5(25℃,ω)和
Figure BDA0003069120050000076
进行频域插值处理得到
Figure BDA0003069120050000077
和
Figure BDA0003069120050000078
其中
Figure BDA0003069120050000079
和
Figure BDA00030691200500000710
分别为V03-5(25℃,ω)和
Figure BDA00030691200500000711
的频域插值结果；
随后分别对
Figure BDA00030691200500000712
和
Figure BDA00030691200500000713
进行逆傅里叶变换得到频域重构后的超声导波参考信号
Figure BDA00030691200500000714
和时域重构和频域重构处理后的超声导波当前信号
Figure BDA00030691200500000715
波形对比结果如图7所示。
(6)对所有超声导波信号进行阵列信号增强处理
对各压电片对的时域重构和频域重构处理后的超声导波当前信号
Figure BDA00030691200500000716
及其频域重构处理后的参考信号
Figure BDA00030691200500000717
进行信号差运算，得到时域重构和频域重构处理后的损伤散射信号
Figure BDA00030691200500000718
i-j代表以第i个压电片作为激励器，以第j个压电片作为传感器组成的压电片对，且i≠j；1≤i,j≤N，t为时间变量。图8给出了压电片对P3-5中经时域重构与频域重构处理后的损伤散射信号
Figure BDA00030691200500000719
与频域重构处理后的理想散射信号
Figure BDA00030691200500000720
的波形对比图。由于经过频域重构的频散补偿处理，
Figure BDA00030691200500000721
和
Figure BDA00030691200500000722
中各信号波包均得到了再压缩，有效提高了信号分辨率。这就使得
Figure BDA0003069120050000081
的损伤散射波包(如图8中的虚线框所示)与未完全消除环境变化影响而存在的残余波包(如图8中180μs～210μs与290μs～350μs时段内的信号波包所示)得以分离，进一步降低了时域重构环境补偿处理后残余环境变化的影响；
然后对各压电片对的
Figure BDA0003069120050000082
进行如下的阵列信号增强处理：
Figure BDA0003069120050000083
得到结构监测区域任一点的能量值，其中(x,y)是被测结构监测区域中任一点的坐标值，E(x,y)为(x,y)处的能量值，tij(x,y)为：
Figure BDA0003069120050000084
其中，(xi,yi)和(xj,yj)分别是压电片Pi和Pj的坐标；
最后求取结构监测区域中所有点的能量值，如图9所示，其结果与图10给出的无环境变化情况下求得的理想能量值基本一致，这说明经过阵列信号增强处理后，有效消除环境变化的影响。
(7)提取高可靠性超声导波压电阵列损伤因子；
将图9中能量值的最大值
Figure BDA0003069120050000085
及其对应的坐标
Figure BDA0003069120050000086
提取为高可靠性超声导波压电阵列损伤因子，该结果与从理想能量值计算结果(如图10所示)中提取出的最大值
Figure BDA0003069120050000087
及其坐标
Figure BDA0003069120050000088
几乎相同，这就证明了本发明方法的有效性。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种环境变化场合下的高可靠性超声导波损伤因子计算方法，其特征在于，步骤如下：
(1)在待监测结构表面布置压电片以组成压电阵列；
(2)采集某一环境下无损伤结构中各压电片对的超声导波参考信号；
(3)采集另一环境下当前结构中各压电片对的超声导波当前信号；
(4)对各压电片对的超声导波当前信号进行时域重构处理；
(5)对各压电片对的超声导波参考信号和时域重构处理后的超声导波当前信号进行频域重构处理；
(6)对各压电片对的时域重构和频域重构处理后的超声导波当前信号和频域重构处理后的超声导波参考信号进行阵列信号增强处理；
(7)提取高可靠性超声导波压电阵列损伤因子；
所述步骤(4)具体包括：
选择压电阵列中一压电片对的超声导波参考信号v0R(T0,t)与超声导波当前信号v1R(T1,t)作为校准信号；
由v0R(T0,t)与v1R(T1,t)中所选超声导波模式直达波包的飞行时间计算得到相位重构因子φs＝tof_v0R(T0,t)/tof_v1R(T1,t)，所选模式直达波包的峰值计算得到幅值重构因子As＝A_v0R(T0,t)/A_v1R(T1,t)，其中，tof_v0R(T0,t)和tof_v1R(T1,t)分别为v0R(T0,t)与v1R(T1,t)中所选超声导波模式直达波包的飞行时间，A_v0R(T0,t)和A_v1R(T1,t)分别为v0R(T0,t)与v1R(T1,t)中所选超声导波模式直达波包的幅值；
根据所得相位重构因子φs与幅值重构因子As对所有压电片对中的超声导波当前信号v1i-j(T1,t)进行相位-幅值修正，得到时域重构后的超声导波当前信号
Figure FDA0003702890700000011
2.根据权利要求1所述的环境变化场合下的高可靠性超声导波损伤因子计算方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为：在待监测结构表面布置N个压电传感器组成压电阵列，N≥3。
3.根据权利要求1所述的环境变化场合下的高可靠性超声导波损伤因子计算方法，其特征在于，所述步骤(2)具体为：在压电阵列中，依次选择一压电片作为激励器，将阵列中其它压电片作为传感器，采集某一环境T0下健康状态结构中各压电片对的超声导波健康信号v0i-j(T0,t)作为后续求取散射信号的参考信号，其中，i-j代表以第i个压电片作为激励器，以第j个压电片作为传感器组成的压电片对，且i≠j；1≤i,j≤N，t为时间变量。
4.根据权利要求3所述的环境变化场合下的高可靠性超声导波损伤因子计算方法，其特征在于，所述步骤(3)具体为：在另一环境T1下，采集当前结构状态中各压电片对的超声导波当前信号v1i-j(T1,t)。
5.根据权利要求1所述的环境变化场合下的高可靠性超声导波损伤因子计算方法，其特征在于，所述步骤(5)具体包括：
依据环境T0下结构中超声导波信号所选模式的波数曲线K0(ω)，并按照公式K1(ω)＝K0(ωc)+1/cg·(ω-ωc)对K0(ω)进行线性化，得到新的波数曲线K1(ω)，其中，ω为角频率，ωc为超声导波信号的中心角频率，cg为所选模式在ωc下的群速度；
按照
Figure FDA0003702890700000021
计算出频域重构的频谱插值映射序列Ω1(ω)，
Figure FDA0003702890700000022
为K0(ω)的逆函数；
对超声导波参考信号v0i-j(T0,t)和时域重构后的超声导波当前信号
Figure FDA0003702890700000023
分别进行傅里叶变换得到V0i-j(T0,ω)和
Figure FDA0003702890700000024
并按照Ω1(ω)分别对V0i-j(T0,ω)和
Figure FDA0003702890700000025
进行频域插值处理得到
Figure FDA0003702890700000026
和
Figure FDA0003702890700000027
Figure FDA0003702890700000028
和
Figure FDA0003702890700000029
分别为V0i-j(T0,ω)和
Figure FDA00037028907000000210
的频域插值结果；
随后分别对
Figure FDA00037028907000000211
和
Figure FDA00037028907000000212
进行逆傅里叶变换得到频域重构后的超声导波参考信号
Figure FDA00037028907000000213
和时域重构和频域重构处理后的超声导波当前信号
Figure FDA00037028907000000214
6.根据权利要求5所述的环境变化场合下的高可靠性超声导波损伤因子计算方法，其特征在于，所述步骤(6)具体包括：
对各压电片对时域重构和频域重构处理后的超声导波当前信号的
Figure FDA00037028907000000215
及其频域重构后的超声导波参考信号
Figure FDA0003702890700000031
进行信号差运算，得到时域重构和频域重构处理后的损伤散射信号
Figure FDA0003702890700000032
对各压电片对中时域重构和频域重构处理后的损伤散射信号
Figure FDA0003702890700000033
进行如下的阵列信号增强处理：
Figure FDA0003702890700000034
得到结构监测区域任一点的能量值，N为压电阵列中的压电片数，(x,y)是被测结构监测区域中任一点的坐标值，E(x,y)为(x,y)处的能量值，tij(x,y)为：
Figure FDA0003702890700000035
式中，(xi,yi)和(xj,yj)分别是压电片Pi和Pj的坐标；
求取结构监测区域中所有点的能量值。
7.根据权利要求6所述的环境变化场合下的高可靠性超声导波损伤因子计算方法，其特征在于，所述步骤(7)具体包括：
将结构监测区域中所有点的能量值的最大值Emax及其坐标值(xmax,ymax)作为高可靠性超声导波压电阵列损伤因子。
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