激光超声Lamb波分频时域滤波及f-k域逆时损伤成像

发布时间：2020-08-11 13:11

【摘要】：超声Lamb波检测技术因其具有远距离传播,能量衰减小,适用于对板结构内的大范围损伤检测等优点,在金属板类构件的损伤检测中有着广泛应用。在激励/拾取结构中含损伤特征的超声Lamb波信号时,接触式换能器的空间分辨率受限于换能器阵列的分布尺度,进而影响结构损伤的测试结果。激光超声检测技术基于热弹效应激发结构件中的超声Lamb波,以其无需耦合剂,可远距离激发/拾取信号,非接触式检测以规避接触式换能器既有的不足而逐渐成为无损检测领域的热点话题。本文采用完全非接触式激光超声激励/拾取技术,数值模拟和实验研究了铝板中损伤检测的频率波数域(f-k)逆时损伤成像新方法。具体研究工作如下:首先,阐述了非接触激光超声激励/拾取技术的研究背景和应用意义,讨论了激光超声Lamb波损伤探测技术的发展趋势。通过对超声Lamb波的理论分析,明晰了Lamb波的传播特性和频散特征,调研及讨论了各向同性板中Lamb波信号处理方法及相关理论,最终确定了课题的研究方向和内容。其次,运用COMSOL有限元分析软件模拟激光激励Lamb波在三维板状结构中的传播过程。分析了阵列波束成形损伤成像和频率波数域逆时损伤成像方法各自优缺点及适用性;借鉴相控阵延迟叠加原理建立了阵列波束成形损伤成像方法以实现损伤的快速定位。鉴于阵列波束成形损伤成像方法受波束主瓣宽度及频散影响,成像区域较大且损伤成像精度较低,本文提出了基于分频段时域滤波的频率波数域逆时损伤成像方法以实现损伤散射边界的精确识别。首先运用小波分析方法提取宽频带信号中不同中心频率下的窄频带信息以抑制频散效应,进而采用动态时域滤波方法在无需基准信号的前提下提取损伤信号。通过探究时间反转过程中的频率响应函数及反向传播过程,验证了Lamb波窄频带信号及宽频带信号的时反聚焦特性。在此基础上应用频率波数域逆时损伤成像方法构建入射波场及重构损伤散射波场以有效弥补频散效应,并引入互相关成像条件实现损伤散射边界的识别,进而将激光超声宽频带信号中各窄带频率分量的成像结果作逻辑“与”运算以进一步提升损伤成像的精度及信噪比。然后,设计了一个将脉冲激光器和扫描式激光多普勒测振仪相结合的完全非接触式的超声Lamb波激励/接收实验平台,以实现对结构中超声Lamb波波场信号的非接触高分辨率拾取。运用频率波数域逆时重构法将实测信号进行可视化处理以还原超声Lamb波的回传过程,引入互相关成像条件对不同尺寸的通孔单损伤进行定量分析,并对局部归一化幅值进行渐变趋势讨论。同时,实验给出通孔双损伤及裂纹双损伤的成像结果,以验证此方法对多个微小损伤散射边界精确识别的有效性。结果表明:所提出的基于分频段时域滤波的频率波数域逆时损伤成像方法可实现不同尺寸的损伤散射边界的可视化识别,同时针对含多个损伤的铝板亦能实现损伤的精确识别,达到缺陷检测的目的,在工程实践中具有普适性。最后,对本文的研究工作做出总结,并指出下一步研究的方向。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN249;TB559
【图文】：

损伤测试,压电换能器

第一章绪论课题研究背景和意义伴随着现代工程技术的不断发展，无损检测技术（Non Destructive Testing）能在件的前提下对结构完整性实施检测与安全性评估，降低维护成本，如对金属板、、飞机机翼等结构长期、高效的无损检测，在航空工业、汽车工业、船舶工业方到工程技术人员的广泛关注[1-2]。其中超声导波检测技术（Ultrasonic Guided nology）具有传播距离远、传播过程中衰减小、灵敏度高、效率高、适合于大范优点，在平板、管道类结构的损伤检测中有着广泛应用[3-4]。常规超声导波损伤检测方法往往采用接触式压电元件激励/拾取结构中的导波信场检测的空间分辨率受限于换能器阵列的分布尺度，进而影响结构损伤的测试.1 所示为运用密集排布的压电换能器检测结构件损伤指标的测试现场，接触式的受耦合剂影响，影响结构刚度，且阵列排布形式固定，操作不灵活，空间分辨率受

对称模,反对称模,振动图

江苏大学硕士学位论文波是由结构中的体波受边界条件的影响而产生的波，如 Rayl。对于平板类结构而言，在薄板的某一位置激发超声波，纵波反射并相互耦合发生模态转换，沿板方向传播一段距离后叠加在薄板内传播时，薄板内质点的振动特征随板厚、频率等参数的构中的传播模态主要有对称模态（如0S，1S，2S…nS）如图 0A，1A，2A…nA）如图 2.2(b)所示。Lamb 波不同模态具有不由频厚积（频率与板厚的乘积）决定。

自由板,结构示意图,各向同性板,哈密顿

质点振动图（a）对称模态（Sn）（b）反对2 Lamb waves (a)Symmetric mode (b)Antisymmetr下，无限大各向同性板状结构中，如图 2.3 222uu ut 密度，为哈密顿微分算子。

【参考文献】