RU2757056C1 - Method for detecting and localizing damage in thin-walled structures using lamb waves - Google Patents

Method for detecting and localizing damage in thin-walled structures using lamb waves Download PDF

Info

Publication number
RU2757056C1
RU2757056C1 RU2021108902A RU2021108902A RU2757056C1 RU 2757056 C1 RU2757056 C1 RU 2757056C1 RU 2021108902 A RU2021108902 A RU 2021108902A RU 2021108902 A RU2021108902 A RU 2021108902A RU 2757056 C1 RU2757056 C1 RU 2757056C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
signals
defect
square
coordinates
frame
Prior art date
Application number
RU2021108902A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Николай Леонидович Львов
Игорь Николаевич Диденкулов
Дмитрий Михайлович Денисов
Михаил Юрьевич Гавриков
Станислав Сергеевич Хабаров
Сергей Иванович Муякшин
Павел Николаевич Вьюгин
Владимир Викторович Чернов
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью Научно-инновационный центр "Институт развития исследований, разработок и трансфера технологий"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью Научно-инновационный центр "Институт развития исследований, разработок и трансфера технологий" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью Научно-инновационный центр "Институт развития исследований, разработок и трансфера технологий"
Priority to RU2021108902A priority Critical patent/RU2757056C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2757056C1 publication Critical patent/RU2757056C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04Analysing solids

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

FIELD: thin-walled structures damage detection.
SUBSTANCE: invention is intended for detecting and localizing damage in thin-walled structures. The substance of the invention lies in the fact that a frame with 8 piezoelectric transducers (PT) installed at the tops of the square and in the middle of its sides is mounted on an intact structure using a fixing device; with the help of 4 reversible PT located in the middle of the sides of the square, the Lamb wave trains are alternately excited in the structure; with the help of the specified reversible PT, as well as the specified PT at the vertices of the square, alternately receive the signals passed through the structure, these signals are recorded and stored using a digital computerized system; then the frame with PT is dismantled; mounting and dismounting of the frame from the PT and recording the signals are repeated several times and, based on the difference signals, the histograms of the discrimination parameter are formed, which are necessary to select the defect detection threshold.
EFFECT: providing the possibility of detecting and localizing a defect, both in metals and in composite materials, with a small number of PT, as well as a fairly simple equipment and processing algorithm.
1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к направлению техники неразрушающего контроля, получившему название «системы контроля состояния конструкций» (в англоязычной литературе - system health monitoring или SHM). Способ обнаружения и локализации повреждений в тонкостенных конструкциях основан на возбуждении с помощью нескольких пьезоэлектрических преобразователей (ПП) импульсов ультразвуковых волн Лэмба, их приеме также с помощью нескольких ПП и анализе принятых сигналов, с помощью которого определяется положение и характер повреждения. ПП монтируются на съемной раме, которая устанавливается на неповрежденной конструкции для регистрации опорного акустического поля. Такие измерения производятся несколько раз путем монтажа-демонтажа датчиков для накопления статистических данных, необходимых для выбора порога обнаружения повреждения. После завершения цикла эксплуатации конструкции, во время которого может произойти ее повреждение, рама с ПП снова устанавливается на конструкцию и регистрируется новое (возмущенное) акустическое поле. Для выделения информации о повреждении используется сравнение возмущенного волнового поля с опорным и последующая обработка с помощью алгоритма, основанного на физических закономерностях взаимодействия двумерных волн Лэмба с неоднородностями (повреждениями). Предлагаемый способ включает в себя также оценку размера повреждения.The invention relates to the direction of technology for non-destructive testing, called "systems for monitoring the state of structures" (in English literature - system health monitoring or SHM). The method for detecting and localizing damage in thin-walled structures is based on the excitation of pulses of ultrasonic Lamb waves with the help of several piezoelectric transducers (PPs), their reception also with the help of several PPs and analysis of the received signals, with the help of which the position and nature of the damage is determined. PCBs are mounted on a removable frame, which is installed on an undamaged structure to record the reference acoustic field. Such measurements are made several times by mounting and dismounting the sensors to accumulate statistical data necessary to select the damage detection threshold. After the completion of the operation cycle of the structure, during which its damage may occur, the frame with the PP is again installed on the structure and a new (disturbed) acoustic field is recorded. To extract information about damage, a comparison of the disturbed wave field with the reference one and subsequent processing using an algorithm based on the physical laws of the interaction of two-dimensional Lamb waves with inhomogeneities (damages) is used. The proposed method also includes assessing the size of the damage.

По многочисленным научным публикациям и патентам известны SHM системы, которые состоят из сети обратимых ПП. Эти ПП могут быть съемными, наклеенными на тонкостенную конструкцию (пластину) или встроенными в нее (если она выполнена из композитного материала). Излучающие ПП формируют в конструкции импульсы волн Лэмба (ВЛ), которые принимаются другими ПП. Таким путем формируется множество трасс распространения ВЛ. Некоторые из них могут пересекаться. С помощью цифровой компьютеризованной системы сбора данных регистрируется совокупность сигналов, соответствующих заведомо неповрежденному состоянию конструкции. Это распределение сигналов называется «опорным» (base line). Появившееся повреждение (дефект) изменяет регистрируемые сигналы. Сравнивая текущее распределение с опорным, определяют положение и характер (размер) повреждения. Упомянутые выше системы отличаются схемами размещения ПП, способом формирования трасс распространения зондирующих импульсов (посредством коммутации пар излучатель-приемник) и, самое главное, алгоритмами обработки информации.SHM systems are known from numerous scientific publications and patents, which consist of a network of reversible PCBs. These PCBs can be removable, glued to a thin-walled structure (plate) or embedded in it (if it is made of composite material). Emitting PPs form Lamb wave (VL) pulses in the structure, which are received by other PPs. In this way, a lot of overhead transmission lines are formed. Some of them may overlap. With the help of a digital computerized data acquisition system, a set of signals is recorded that correspond to a known undamaged state of a structure. This distribution of signals is called the "base line". The emerging damage (defect) changes the recorded signals. Comparing the current distribution with the reference one, the position and nature (size) of the damage are determined. The above-mentioned systems differ in the PCB placement schemes, the method of forming the propagation paths of the probing pulses (by switching the emitter-receiver pairs) and, most importantly, information processing algorithms.

Например, в патенте CN 110389176 А (Fatigue damage diagnosis method for carbon fiber reinforced matrix composite structure) данные предварительно обрабатываются с помощью непрерывного частотно-временного вейвлет преобразования. Затем вычисляется некий «индекс повреждения» и с помощью нейронной сети, которую обучают на примерах искусственно введенных повреждений, определяются положение и характеристики усталостного повреждения.For example, in patent CN 110389176 A (Fatigue damage diagnosis method for carbon fiber reinforced matrix composite structure), the data is pre-processed using a continuous time-frequency wavelet transform. Then a certain "damage index" is calculated and with the help of a neural network, which is trained on examples of artificially introduced damages, the position and characteristics of the fatigue damage are determined.

В патентах CN 106404911 A (Real time delay single-mode Lamb wave phased array system for plate structure detection) и US 20110058453 A1 (Lamb wave dispersion compensation for EUSR approach to ultrasonic beam steering) для определения положения повреждения предлагается использовать фазированную антенную решетку, которая работает и на излучение и на прием. Иными словами, используется известный подход, характерный для радио- и акустической локации. Благодаря электронному сканированию луча и импульсному излучению становится возможным определение положения дефекта на достаточно большой площади. При этом не требуется перемещать ПП по конструкции.In patents CN 106404911 A (Real time delay single-mode Lamb wave phased array system for plate structure detection) and US 20110058453 A1 (Lamb wave dispersion compensation for EUSR approach to ultrasonic beam steering) it is proposed to use a phased antenna array to determine the position of damage, which works for both radiation and reception. In other words, a well-known approach is used, which is typical for radio and acoustic location. Thanks to electronic scanning of the beam and pulsed radiation, it becomes possible to determine the position of the defect over a sufficiently large area. In this case, it is not required to move the PCB along the structure.

В патенте CN 103792287 A (Large-area structural damage detection method based on Lamb wave) напротив, используется одиночный приемно-излучающий ПП, который переставляется по конструкции. С помощью сканирования по частоте определяется частота отсечки антисимметричной моды ВЛ А1, затем излучаются сигналы на более низкой частоте, где существует только мода А0, и производится сканирование всей конструкции с целью определения положения и характера дефекта.On the contrary, CN 103792287 A (Large-area structural damage detection method based on Lamb wave) uses a single emitting-receiving PCB, which is rearranged along the structure. With the help of frequency scanning, the cutoff frequency of the antisymmetric mode of the A1 overhead line is determined, then signals are emitted at a lower frequency, where only the A0 mode exists, and the entire structure is scanned in order to determine the position and nature of the defect.

Наиболее близкими с точки зрения расположения датчиков и алгоритмов обработки являются технические решения, описанные в патенте US 7458266 B2 (Method and apparatus for detecting a load change upon a structure and analyzing characteristics of resulting damage). Они взяты за прототип. В данном патенте рассматривается регулярная сетка ПП, которые могут работать только на прием (пассивный режим), или на передачу и прием (активный режим). В активном режиме положение повреждения определяется «просветным» методом (на проход) и/или методом отражений. Недостатком алгоритма, который используется в просветном методе, является необходимость использования для определения положения дефекта многих точек пересечения путей распространения импульсов ВЛ. При этом для достижения хорошей точности нужно устанавливать большое число датчиков и использовать сложную коммутацию, что увеличивает объем аппаратуры и усложняет обработку.The closest in terms of the location of sensors and processing algorithms are the technical solutions described in patent US 7458266 B2 (Method and apparatus for detecting a load change upon a structure and analyzing characteristics of resulting damage). They are taken as a prototype. This patent deals with a regular grid of PCBs that can operate only for reception (passive mode), or for transmission and reception (active mode). In active mode, the position of the damage is determined by the "transmissive" method (per pass) and / or by the method of reflections. The disadvantage of the algorithm used in the transmission method is the need to use many points of intersection of the propagation paths of overhead lines to determine the position of the defect. At the same time, in order to achieve good accuracy, it is necessary to install a large number of sensors and use complex commutation, which increases the volume of equipment and complicates processing.

Метод отражения хорошо работает в металлах, где ВЛ, в отличие от композитных материалов, не испытывают сильного поглощения. Поэтому в конструкциях из композитных материалах он практически неприменим.The reflection method works well in metals, where overhead lines, unlike composite materials, do not experience strong absorption. Therefore, in structures made of composite materials, it is practically inapplicable.

По сравнению с прототипом предлагаемый метод имеет следующие преимущества:Compared to the prototype, the proposed method has the following advantages:

- может использоваться как в металлах, так и в композитных материалах;- can be used in both metals and composite materials;

- работоспособен при небольшом числе ПП;- efficient with a small number of PCBs;

- упрощает аппаратуру и алгоритм обработки.- simplifies hardware and processing algorithm.

Задачей изобретения является создание способа обнаружения и локализации дефекта, который (способ) может использоваться как в металлах, так и в композитных материалах, при этом он работоспособен при небольшом числе ПП и упрощает аппаратуру и алгоритм обработки.The objective of the invention is to create a method for detecting and localizing a defect, which (method) can be used both in metals and in composite materials, while it is efficient with a small number of PCBs and simplifies the equipment and processing algorithm.

Поставленная задача решается тем, что в способе обнаружения и локализации повреждений в тонкостенных конструкциях на неповрежденную конструкцию с помощью фиксирующего устройства монтируют раму с 8-ю пьезоэлектрическими преобразователями (ПП), установленными в вершинах квадрата и в серединах его сторон;The problem is solved by the fact that in the method of detecting and localizing damage in thin-walled structures, a frame with 8 piezoelectric converters (PP) installed at the tops of the square and in the middle of its sides is mounted on an intact structure using a fixing device;

с помощью 4-х обратимых ПП, расположенных в серединах сторон квадрата, в конструкции поочередно производят возбуждение цугов волн Лэмба;with the help of 4 reversible PPs located in the middle of the sides of the square, the Lamb wave trains are alternately excited in the structure;

с помощью указанных обратимых ПП, а также указанных ПП в вершинах квадрата, поочередно принимают прошедшие через конструкцию сигналы, эти сигналы регистрируют и запоминают с помощью цифровой компьютеризованной системы;with the help of the specified reversible PP, as well as the specified PP at the vertices of the square, alternately receive the signals passed through the structure, these signals are recorded and stored using a digital computerized system;

затем раму с ПП демонтируют;then the frame with PP is dismantled;

монтаж и демонтаж рамы с ПП и запись сигналов повторяют несколько раз и по разностным сигналам производят формирование гистограмм параметра дискриминации, необходимых для выбора порога обнаружения дефекта;mounting and dismantling the frame with the PCB and recording the signals are repeated several times and, based on the difference signals, generate histograms of the discrimination parameter necessary to select the defect detection threshold;

дополнительно с помощью имитаторов разных диаметров по необходимости производят накопление гистограмм для определения размера дефекта;additionally, using simulators of different diameters, as necessary, accumulate histograms to determine the size of the defect;

в дальнейшем, для обнаружения дефектов, полученных указанной тонкостенной конструкцией при ее эксплуатации, раму с ПП устанавливают в то же положение, вышеуказанные операции излучения-приема указанных сигналов повторяют и возмущенные сигналы запоминают;further, in order to detect defects obtained by the specified thin-walled structure during its operation, the frame with the PCB is installed in the same position, the above-mentioned operations of emission-reception of said signals are repeated and the disturbed signals are stored;

производят вычитание возмущенных и опорных сигналов и для разностных сигналов во временных окнах, параметры которых предварительно определяют по групповой скорости моды нулевой моды волн Лэмба, рассчитывают средние амплитуды;perturbed and reference signals are subtracted and mean amplitudes are calculated for the difference signals in time windows, the parameters of which are preliminarily determined from the group velocity of the mode of the zero mode of Lamb waves;

амплитуды разностных сигналов нормируют на амплитуды опорных, рассчитанные в тех же временных окнах;the amplitudes of the difference signals are normalized to the amplitudes of the reference ones, calculated in the same time windows;

параметр дискриминации сравнивают с порогом и при превышении принимают решение об обнаружении дефекта;the discrimination parameter is compared with a threshold, and if exceeded, a defect detection decision is made;

рассчитывают 4 направления на дефект по формуле4 directions per defect are calculated according to the formula

Figure 00000001
Figure 00000001

где Anglek - расчетное значение углового положения дефекта, определенное при зондировании с помощью k-ого ПП, Diff_ampn,k - нормированная амплитуда разностного сигнала на датчике n при его облучении k-ым ПП, AngWn,k - весовая функция (угловые координаты приемников n относительно k-ого ПП);where Angle k is the calculated value of the angular position of the defect, determined during probing with the k-th probe, Diff_amp n, k is the normalized amplitude of the difference signal at the sensor n when it is irradiated by the k-th probe, AngW n, k is the weight function (angular coordinates receivers n relative to the k-th PP);

рассчитывают координаты 6-и точек пересечения направлений на дефект по формуламcoordinates of 6 points of intersection of directions per defect are calculated according to the formulas

Figure 00000002
Figure 00000002

Figure 00000003
Figure 00000003

Figure 00000004
Figure 00000004

где X, Y - координаты точки пересечения направлений 1 и 2; X1, Y1 - координаты 1-ого излучателя; X2,Y2 - координаты 2-ого излучателя, ϕ1 и ϕ2 - оценки углов, отсчитываемых от оси ОХ; γ - угол между направлениями;where X, Y - coordinates of the point of intersection of directions 1 and 2; X 1 , Y 1 - coordinates of the 1st radiator; X 2 , Y 2 - coordinates of the 2nd radiator, ϕ 1 and ϕ 2 - estimates of the angles measured from the OX axis; γ is the angle between the directions;

положение дефекта определяют усреднением координат точек пересечения направлений, при этом перед усреднением исключают точки, лежащие вне квадрата, а также полученные по пересечению почти параллельных направлений.the position of the defect is determined by averaging the coordinates of the points of intersection of the directions, while the points lying outside the square, as well as those obtained from the intersection of almost parallel directions, are excluded before averaging.

В частном случае при необходимости контроля большой поверхности на ней располагают сетку из квадратных ячеек, состоящих из ПП, при этом излучающие ПП выполняют всенаправленными и их зондирующие сигналы используют в нескольких соседних ячейках.In a particular case, if it is necessary to control a large surface, a grid of square cells consisting of PPs is placed on it, while the emitting PPs are omnidirectional and their probing signals are used in several neighboring cells.

В основу предлагаемого способа обнаружения и локализации дефекта положены общие закономерности взаимодействия волн с неоднородностями среды, в которой они распространяются. Если на пути плоской двумерной волны с длиной λ встречается препятствие с поперечником D, за ним на расстоянии R, удовлетворяющим неравенству R<D2/λ, формируется область частичной тени. При увеличении расстояния из-за дифракции эта область расширяется и в так называемой «волновой зоне» при R>D2/λ возникает расходящаяся цилиндрическая волна с определенной угловой зависимостью амплитуды поля. В середине углового сектора за дефектом (по направлению излучающий ПП - дефект) ослабление максимально, а к краям эффект уменьшается. Угловую ширину этого сектора можно оценить соотношением θ≈λ/D, которое применимо, если λ/D существенно меньше 1.The proposed method for detecting and localizing a defect is based on the general laws of the interaction of waves with inhomogeneities of the medium in which they propagate. If an obstacle with a diameter D is encountered on the path of a plane two-dimensional wave with a length λ, a partial shadow region is formed behind it at a distance R satisfying the inequality R <D 2 / λ. With increasing distance due to diffraction, this region expands and in the so-called "wave zone" at R> D 2 / λ, a diverging cylindrical wave with a certain angular dependence of the field amplitude appears. In the middle of the corner sector behind the defect (in the direction of the emitting PCB - defect), the attenuation is maximum, and towards the edges the effect decreases. The angular width of this sector can be estimated by the ratio θ≈λ / D, which is applicable if λ / D is significantly less than 1.

При этом поле за дефектом можно представить в виде суммы опорного поля (поля в пластине без дефекта) и рассеянного на дефекте поля. Поэтому вычитая из поля, искаженного неоднородностью, опорное поле, можно получить диаграмму рассеяния. Когда поперечник неоднородности существенно больше длины волны, диаграмма рассеяния вытянута в направлении распространения волны от излучающего ПП к дефекту. Поэтому рассеянный сигнал (напомним, он получается вычитанием возмущенного и опорного полей) в этом направлении существенно больше сигнала, рассеянного назад. Отсюда следует, что локация «на просвет» энергетически выгоднее локации с использованием сигнала обратного рассеяния. Для реализации «просветной» схемы зондирования приемники должны располагаться в пределах некоторого сектора за неоднородностью. Регистрируя возмущения углового распределения амплитуды разностного поля с помощью нескольких приемников можно, во-первых, установить факт появления неоднородности, во-вторых - оценить направление на нее. Направление на неоднородность в данном случае может быть определено путем расчет «центра тяжести» углового распределения разностного поля по формуле (1)In this case, the field behind the defect can be represented as the sum of the reference field (the field in the plate without a defect) and the field scattered by the defect. Therefore, subtracting the reference field from the field distorted by the inhomogeneity, one can obtain a scattering diagram. When the diameter of the inhomogeneity is significantly larger than the wavelength, the scattering pattern is elongated in the direction of wave propagation from the emitting PP to the defect. Therefore, the scattered signal (recall that it is obtained by subtracting the perturbed and reference fields) in this direction is significantly larger than the backscattered signal. Hence, it follows that the location "in the light" is energetically more favorable than the location using the backscatter signal. To implement the "transmissive" sensing scheme, the receivers must be located within a certain sector behind the inhomogeneity. By registering perturbations in the angular distribution of the difference field amplitude with the help of several receivers, one can, first, establish the fact of the appearance of an inhomogeneity, and second, estimate the direction toward it. The direction to the inhomogeneity in this case can be determined by calculating the "center of gravity" of the angular distribution of the difference field by the formula (1)

Figure 00000005
Figure 00000005

где Anglek - расчетное значение углового положения дефекта, определенное при зондировании с помощью k-го ПП, Diff_ampn,k - нормированная амплитуда разностного сигнала на датчике n при его облучении ПП с номером k, AngWn,k - весовая функция (угловые координаты приемников n относительно ПП k).where Angle k is the calculated value of the angular position of the defect determined during probing with the k-th probe, Diff_amp n, k is the normalized amplitude of the difference signal at the sensor n when it is irradiated by the probe with number k, AngW n, k is the weight function (angular coordinates receivers n relative to PP k).

В случае применения для «просветного» зондирования неоднородностей волн Лэмба картина усложняется из-за их модовой структуры. Известно, что моды этих волн делятся на две группы: симметричные и антисимметричные. Нулевая (низшая) антисимметричная мода представляет собой изгибную волну, в которой все слои пластины движутся в фазе, а в нулевой симметричной («перистальтической») моде движение симметрично относительно средней линии пластины. Фазовая и групповая скорости симметричной моды выше, чем антисимметричной. Поэтому возбужденный в пластине волновой импульс при распространении распадается на несколько сигналов, которые достигают приемника в разные моменты времени. Авторами экспериментально установлено, что быстрая симметричная мода почти не «чувствует» такие неоднородности, как отверстие, расслоение, массовая нагрузка поверхности. Зато медленная антисимметричная мода ими заметно ослабляется. Поэтому при вычитании опорного и возмущенного сигналов в большинстве случаев уверенно выделяется первый приход медленной нулевой моды. Это позволяет выбрать временные окна, в которых должен производиться дальнейший анализ разностных сигналов. В этих окнах вычисляются средние амплитуды сигналов, которые затем используются для расчета направления по формуле (1). Чтобы исключить влияние на оценку направления разницы в расстояниях между излучателями и приемниками, эти амплитуды нормируются на амплитуды прямых опорных сигналов.If Lamb waves are used for transmissive probing, the picture becomes more complicated due to their mode structure. It is known that the modes of these waves are divided into two groups: symmetric and antisymmetric. The zero (lowest) antisymmetric mode is a flexural wave, in which all layers of the plate move in phase, and in the zero symmetric ("peristaltic") mode, the motion is symmetric about the midline of the plate. The phase and group velocities of the symmetric mode are higher than that of the antisymmetric one. Therefore, the wave pulse excited in the plate breaks down during propagation into several signals that reach the receiver at different times. The authors have experimentally established that a fast symmetric mode almost does not "feel" such inhomogeneities as a hole, delamination, and surface mass loading. But the slow antisymmetric mode is noticeably weakened by them. Therefore, when subtracting the reference and disturbed signals, in most cases, the first arrival of the slow zero mode is confidently distinguished. This allows you to select the time windows in which further analysis of the difference signals should be performed. In these windows, the average signal amplitudes are calculated, which are then used to calculate the direction according to formula (1). To exclude the influence on the estimation of the direction of the difference in the distances between emitters and receivers, these amplitudes are normalized to the amplitudes of the direct reference signals.

Фиг. 1 иллюстрирует описанный способ на примере расположения ПП на исследуемой конструкции в узлах регулярной сетки из квадратов. Рассмотрим работу системы в пределах одной ячейки, когда для излучения используются нечетные ПП, располагающиеся в серединах сторон квадрата. Для расчета направления по отношению к каждому из них должны использоваться 7 приемных ПП, располагающихся в секторе 180°. Шаг между лучами, соединяющими излучатель и приемники, составляет в среднем 30°. Это позволяет достаточно детально зафиксировать угловое распределение разностного (рассеянного) поля, что необходимо для надежного вычисления направления.FIG. 1 illustrates the described method using the example of the location of the PCB on the structure under study at the nodes of a regular grid of squares. Let us consider the operation of the system within one cell, when odd RIs located in the middle of the sides of the square are used for radiation. To calculate the direction in relation to each of them, 7 receiving PPs, located in the 180 ° sector, should be used. The spacing between the beams connecting the emitter and receivers is on average 30 °. This makes it possible to record in sufficient detail the angular distribution of the difference (scattered) field, which is necessary for a reliable calculation of the direction.

4 излучателя должны включаться поочередно и излучать импульсные сигналы, состоящие из нескольких перидов несущей частоты. ПП, не участвующие в излучении, при этом работают на прием. Для расчета по данным 4-х циклов зондирования с помощью формулы (1) 4-х направлений номера излучающих преобразователей должны быть k=0…3, а приемных - n=0…7.4 emitters must be switched on in turn and emit pulsed signals consisting of several periods of the carrier frequency. PP that do not participate in radiation, while working for reception. To calculate according to the data of 4 sounding cycles using formula (1) of 4 directions, the numbers of the emitting transducers should be k = 0 ... 3, and the receiving ones - n = 0 ... 7.

В результате этих расчетов получаются 4 направления на дефект, которые имеют 6 точек пересечения. Координаты (X, Y) каждой из этих точек в системе координат XOY на фиг. 1 можно найти по формулам (2)As a result of these calculations, 4 directions per defect are obtained, which have 6 intersection points. The coordinates (X, Y) of each of these points in the XOY coordinate system in FIG. 1 can be found by the formulas (2)

Figure 00000006
Figure 00000006

Здесь: X, Y - координаты точки пересечения направлений 1 и 2; X1, Y1 - координаты 1-ого излучателя; X2, Y2 - координаты 2-ого излучателя, ϕ1 и ϕ2 - оценки углов, отсчитываемых от оси Ох; γ - угол между направлениями.Here: X, Y - coordinates of the point of intersection of directions 1 and 2; X 1 , Y 1 - coordinates of the 1st radiator; X 2 , Y 2 - coordinates of the 2nd radiator, ϕ 1 and ϕ 2 - estimates of the angles measured from the Ox axis; γ is the angle between the directions.

В общем случае координаты точек пересечения не совпадают. Очевидно, что для уточнения результатов они должны каким-либо способом усредняться. Перед усреднением должны быть удалены точки пересечения, находящиеся за пределами шестиугольника, а также полученные по пересечению почти параллельных направлений. Для этого может использоваться оценка угла γ. Как показывает опыт, наименьшую погрешность измерения дает медианное усреднение. Полученные в опытах с композитными пластинами погрешности составляют примерно 10% от стороны квадрата, в вершинах которого расположены ПП.In general, the coordinates of the intersection points do not match. Obviously, to refine the results, they must be averaged in some way. Before averaging, intersection points that are outside the hexagon and those obtained from the intersection of nearly parallel directions must be removed. For this, an estimate of the angle γ can be used. Experience shows that the smallest measurement error is given by the median averaging. The errors obtained in experiments with composite plates are about 10% of the side of the square, at the vertices of which the PCBs are located.

Приемно-излучающие ПП должны выполняться всенаправленными, это дает возможность использовать излучение одного ПП еще в одной соседней ячейке.Receiving-emitting PP should be omnidirectional, this makes it possible to use the radiation of one PP in another neighboring cell.

Все вышеизложенное относится к идеализированной ситуации, когда система пьезоэлектрических преобразователей может быть закреплена на конструкции стационарно. Если речь идет о диагностике, например, небольших летательных аппаратов (ЛА), такое размещение невозможно. Поэтому в данном способе предлагается установить ПП на жесткой раме, которую с помощью фиксирующего устройства можно устанавливать и снимать с ЛА. Перед началом цикла эксплуатации рама должна устанавливаться на место. После этого должна проводиться съемка опорного (невозмущенного) акустического поля, которое должно регистрироваться и храниться в системе сбора и обработки данных для последующего сравнения с данными измерений, полученными по истечении времени эксплуатации ЛА, когда могло произойти его повреждение. Как показывает опыт, записи опорного поля, полученные при многократном монтаже и демонтаже рамы с ПП на исследуемой конструкции, даже не подвергавшейся никаким силовым воздействиям, несколько отличаются. Эти отличия обусловлены различными внешними факторами, важнейшими из которых являются акустический контакт ПП с поверхностью и температура. Данное обстоятельство делает необходимым выработать критерий оценки отличий опорного и возмущенного полей. Для этой цели путем сравнения записей опорного поля при многократном монтаже - демонтаже ПП должна быть построена гистограмма некоторого параметра дискриминации, вычисляемого по их разнице. По этой гистограмме выбирается порог обнаружения, при превышении которого принимается решение о наличии дефекта. Аналогичный подход может быть использован и для оценки размера повреждения.All of the above refers to an idealized situation when a system of piezoelectric transducers can be fixed to a structure in a stationary manner. If we are talking about diagnostics, for example, of small aircraft, such placement is impossible. Therefore, in this method, it is proposed to install the PCB on a rigid frame, which can be installed and removed from the aircraft using a fixing device. The frame must be reinstalled before starting the service cycle. After that, a survey of the reference (undisturbed) acoustic field should be carried out, which should be recorded and stored in the data collection and processing system for subsequent comparison with the measurement data obtained after the expiration of the aircraft operation time, when its damage could have occurred. As experience shows, the records of the reference field obtained during repeated mounting and dismounting of the frame with the PCB on the structure under study, which were not even subjected to any force effects, are somewhat different. These differences are due to various external factors, the most important of which are the acoustic contact of the PP with the surface and temperature. This circumstance makes it necessary to develop a criterion for assessing the differences between the reference and disturbed fields. For this purpose, by comparing the records of the reference field during multiple mounting - dismantling of the PCB, a histogram of a certain discrimination parameter, calculated from their difference, should be built. Based on this histogram, a detection threshold is selected, when exceeded, a decision on the presence of a defect is made. A similar approach can be used to estimate the size of the damage.

Описанная процедура иллюстрируется на фиг. 2, на которой представленные гистограммы получены с помощью массовой нагрузки поверхности в виде металлических цилиндров двух диаметров. При превышении параметром дискриминации (в данном случае это максимум из всех максимумов нормированных разностей по 4-м измерениям направлений) значения 0.4 считается, что дефект обнаружен и имеет диаметр не менее 10 мм. Если этот параметр больше 0.65, диаметр не меньше 40 мм. Подобные гистограммы должны строиться для каждой конкретной конструкции. При этом использование имитатора необходимо, т.к. в противном случае пришлось бы каждый раз «ломать» конструкцию.The described procedure is illustrated in FIG. 2, in which the presented histograms were obtained using a surface mass load in the form of metal cylinders of two diameters. If the discrimination parameter (in this case, this is the maximum of all the maxima of the normalized differences in 4 directional dimensions) exceeds the value of 0.4, it is considered that the defect is detected and has a diameter of at least 10 mm. If this parameter is more than 0.65, the diameter is not less than 40 mm. Similar histograms should be built for each specific construction. In this case, the use of a simulator is necessary, since otherwise, the structure would have to be “broken” every time.

Claims (18)

1. Способ обнаружения и локализации повреждений в тонкостенных конструкциях, характеризующийся тем, что на неповрежденную конструкцию с помощью фиксирующего устройства монтируют раму с 8-ю пьезоэлектрическими преобразователями (ПП), установленными в вершинах квадрата и в серединах его сторон;1. A method for detecting and localizing damage in thin-walled structures, characterized in that a frame with 8 piezoelectric transducers (PP) installed at the tops of the square and in the middle of its sides is mounted on an intact structure using a fixing device; с помощью 4-х обратимых ПП, расположенных в серединах сторон квадрата, в конструкции поочередно производят возбуждение цугов волн Лэмба;with the help of 4 reversible PPs located in the middle of the sides of the square, the Lamb wave trains are alternately excited in the structure; с помощью указанных обратимых ПП, а также указанных ПП в вершинах квадрата, поочередно принимают прошедшие через конструкцию сигналы, эти сигналы регистрируют и запоминают с помощью цифровой компьютеризованной системы;with the help of the specified reversible PP, as well as the specified PP at the vertices of the square, alternately receive the signals passed through the structure, these signals are recorded and stored using a digital computerized system; затем раму с ПП демонтируют;then the frame with PP is dismantled; монтаж и демонтаж рамы с ПП и запись сигналов повторяют несколько раз и по разностным сигналам производят формирование гистограмм параметра дискриминации, необходимых для выбора порога обнаружения дефекта;mounting and dismantling the frame with the PCB and recording the signals are repeated several times and, based on the difference signals, generate histograms of the discrimination parameter necessary to select the defect detection threshold; дополнительно с помощью имитаторов разных диаметров по необходимости производят накопление гистограмм для определения размера дефекта;additionally, using simulators of different diameters, as necessary, accumulate histograms to determine the size of the defect; в дальнейшем, для обнаружения дефектов, полученных указанной тонкостенной конструкцией при ее эксплуатации, раму с ПП устанавливают в то же положение, вышеуказанные операции излучения-приема указанных сигналов повторяют и возмущенные сигналы запоминают;further, in order to detect defects obtained by the specified thin-walled structure during its operation, the frame with the PCB is installed in the same position, the above-mentioned operations of emission-reception of said signals are repeated and the disturbed signals are stored; производят вычитание возмущенных и опорных сигналов и для разностных сигналов во временных окнах, параметры которых предварительно определяют по групповой скорости моды нулевой моды волн Лэмба, рассчитывают средние амплитуды;perturbed and reference signals are subtracted and mean amplitudes are calculated for the difference signals in time windows, the parameters of which are preliminarily determined from the group velocity of the mode of the zero mode of Lamb waves; амплитуды разностных сигналов нормируют на амплитуды опорных, рассчитанные в тех же временных окнах;the amplitudes of the difference signals are normalized to the amplitudes of the reference ones, calculated in the same time windows; параметр дискриминации сравнивают с порогом и при превышении принимают решение об обнаружении дефекта;the discrimination parameter is compared with a threshold, and if exceeded, a defect detection decision is made; рассчитывают 4 направления на дефект по формуле4 directions per defect are calculated according to the formula
Figure 00000007
Figure 00000007
где Anglek - расчетное значение углового положения дефекта, определенное при зондировании с помощью k-го ПП, Diff_ampn,k - нормированная амплитуда разностного сигнала на датчике n при его облучении k-м ПП, AngWn,k - весовая функция (угловые координаты приемников n относительно k-го ПП);where Angle k is the calculated value of the angular position of the defect, determined during probing with the k-th probe, Diff_amp n, k is the normalized amplitude of the difference signal on the sensor n when it is irradiated by the k-th probe, AngW n, k is the weight function (angular coordinates receivers n relative to the k-th PP); рассчитывают координаты 6-ти точек пересечения направлений на дефект по формуламcoordinates of 6 points of intersection of directions per defect are calculated according to the formulas
Figure 00000008
Figure 00000008
где X, Y - координаты точки пересечения направлений 1 и 2; X1, Y1 - координаты 1-го излучателя; X2, Y2 - координаты 2-го излучателя, ϕ1 и ϕ2 - оценки углов, отсчитываемых от оси ОХ; γ - угол между направлениями;where X, Y - coordinates of the point of intersection of directions 1 and 2; X 1 , Y 1 - coordinates of the 1st radiator; X 2 , Y 2 - coordinates of the 2nd radiator, ϕ 1 and ϕ 2 - estimates of the angles measured from the OX axis; γ is the angle between the directions; положение дефекта определяют усреднением координат точек пересечения направлений, при этом перед усреднением исключают точки, лежащие вне квадрата, а также полученные по пересечению почти параллельных направлений.the position of the defect is determined by averaging the coordinates of the points of intersection of the directions, while the points lying outside the square, as well as those obtained from the intersection of almost parallel directions, are excluded before averaging. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при необходимости контроля большой поверхности на ней располагают сетку из квадратных ячеек, состоящих из ПП, при этом излучающие ПП выполняют всенаправленными и их зондирующие сигналы используют в нескольких соседних ячейках.2. The method according to claim 1, characterized in that, if it is necessary to control a large surface, a grid of square cells consisting of PPs is placed on it, while the emitting PPs are omnidirectional and their probing signals are used in several adjacent cells.
RU2021108902A 2021-04-01 2021-04-01 Method for detecting and localizing damage in thin-walled structures using lamb waves RU2757056C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021108902A RU2757056C1 (en) 2021-04-01 2021-04-01 Method for detecting and localizing damage in thin-walled structures using lamb waves

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021108902A RU2757056C1 (en) 2021-04-01 2021-04-01 Method for detecting and localizing damage in thin-walled structures using lamb waves

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2757056C1 true RU2757056C1 (en) 2021-10-11

Family

ID=78286301

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021108902A RU2757056C1 (en) 2021-04-01 2021-04-01 Method for detecting and localizing damage in thin-walled structures using lamb waves

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2757056C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115753998A (en) * 2022-12-07 2023-03-07 大连理工大学 Monitoring method and monitoring system for aircraft composite material structure damage in service environment

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2383412A (en) * 2001-12-18 2003-06-25 Univ Sheffield Using acoustic waves to determine the structural integrity of a body
US20060079747A1 (en) * 2004-09-27 2006-04-13 Acellent Technologies, Inc. Method and apparatus for detecting a load change upon a structure and analyzing characteristics of resulting damage
RU2379675C2 (en) * 2007-12-29 2010-01-20 Общество с ограниченной ответственностью "ИНТЕРЮНИС" Method for detection of local corrosion depth and tracking of its development
RU93540U1 (en) * 2009-12-22 2010-04-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского" DEVICE FOR DETECTING MICRODEFECTS IN SHEET MATERIAL
RU2390770C1 (en) * 2009-03-13 2010-05-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского" Method of ultrasonic detection of microdefects in sheet glass
RU2734724C1 (en) * 2020-04-20 2020-10-22 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский государственный энергетический университет" Vibroacoustic method of assessing technical condition of conducting engineering utilities

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2383412A (en) * 2001-12-18 2003-06-25 Univ Sheffield Using acoustic waves to determine the structural integrity of a body
US20060079747A1 (en) * 2004-09-27 2006-04-13 Acellent Technologies, Inc. Method and apparatus for detecting a load change upon a structure and analyzing characteristics of resulting damage
RU2379675C2 (en) * 2007-12-29 2010-01-20 Общество с ограниченной ответственностью "ИНТЕРЮНИС" Method for detection of local corrosion depth and tracking of its development
RU2390770C1 (en) * 2009-03-13 2010-05-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского" Method of ultrasonic detection of microdefects in sheet glass
RU93540U1 (en) * 2009-12-22 2010-04-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского" DEVICE FOR DETECTING MICRODEFECTS IN SHEET MATERIAL
RU2734724C1 (en) * 2020-04-20 2020-10-22 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский государственный энергетический университет" Vibroacoustic method of assessing technical condition of conducting engineering utilities

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115753998A (en) * 2022-12-07 2023-03-07 大连理工大学 Monitoring method and monitoring system for aircraft composite material structure damage in service environment

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2485388C2 (en) Device and group of sensors for pipeline monitoring using ultrasonic waves of two different types
US10473624B2 (en) Shear wave sensors for acoustic emission and hybrid guided wave testing
US20140216158A1 (en) Air coupled ultrasonic contactless method for non-destructive determination of defects in laminated structures
US20090217764A1 (en) Method for nondestructive testing of a testing body having at least one acoustically anisotropic material area
Sy et al. Development of the specular echoes estimator to predict relevant modes for Total Focusing Method imaging
EP2791628B1 (en) Signal processing of lamb wave data for pipe inspection
JP2012163561A (en) Structural health monitoring system
Prager et al. SAFT and TOFD—a comparative study of two defect sizing techniques on a reactor pressure vessel mock-up
KR101774514B1 (en) Method and device for improving the saft analysis when measuring irregularities
US11092572B2 (en) Method for the nondestructive examination of a test specimen by use of ultrasound
US9329155B2 (en) Method and device for determining an orientation of a defect present within a mechanical component
RU2757056C1 (en) Method for detecting and localizing damage in thin-walled structures using lamb waves
CN106501285B (en) The equipment and detection method of the mud jacking compactness of non-destructive testing prestress pipe
Michaels et al. Damage detection in plate structures using sparse ultrasonic transducer arrays and acoustic wavefield imaging
RU2560754C1 (en) Ultrasonic testing method of profile of internal surface of item with uneven surfaces
US20140305219A1 (en) Conical ultrasonic probe
US10921293B2 (en) Method and device for detecting and characterizing a reflecting element in an object
RU2651431C1 (en) Method of industrial ultrasound diagnostics of vertically oriented defects of prismatic metal products and device for its implementation
Michaels Effectiveness of in situ damage localization methods using sparse ultrasonic sensor arrays
Bolotina et al. 3D Ultrasonic Imaging by Cone Scans and Acoustic Antennas
RU2622459C1 (en) Method of ultrasonic inspection of articles
Kachanov et al. Detection of reflecting planes in ultrasonic tomography of concrete building structures
US20170219532A1 (en) Guided wave phased array beamforming
Kitze et al. Saft-reconstruction in ultrasonic immersion technique using phased array transducers
Michaels Efficient monitoring and inspection of plate-like structures with ultrasonic guided waves