基于模态识别与分离的铝板激光超声检测

用Nd:YAG激光器在2 mm厚的铝板上激发激光超声,通过激光反射镜偏转进行点阵扫描激励,用声发射传感器接收在铝板中传播的激光超声信号,通过信号放大和数据采集得到激光超声在铝板中传播的数据。对上述数据进行二维傅里叶变换得到了铝板中激光超声的模态分布和频率分布,接收到的激光超声是S0和A0两个模态多种频率的Lamb波。利用两个相同的探头对称地压紧在板的两个表面上,对两个探头接收到的信号进行相加和相减,可以将S0和A0模态分别提取出来。对单一模态的Lamb波再进行滤波,得到了窄频带单一模态的Lamb波。采用该方法实现了从杂乱的激光超声原始信号中提取出清晰的伤信号,并且得到了不同模态在不同频率范围的检测结果。     

不锈钢折弯板裂纹Lamb波检测技术*

金属弯板广泛应用于车辆、船舶、飞机等大型装备结构件中，折弯处易形成应力集中产生裂纹，直接影响构件的使用安全和寿命。本文开展了不锈钢弯板裂纹缺陷Lamb波检测技术研究，计算了钢板的频散曲线，优选三种不同频率的S0模态：0.25MHz、0.5MHz、1MHz。利用COMSOL软件建立频域仿真模型，模拟了Lamb波在3mm厚“L”形弯板内部的传播情况，开展折弯板裂纹缺陷检测实验，并使用小波包变换的方法对实验信号进行分析。结果表明，经小波变换后，0.25MHz、0.5MHz、1 MHz的S0模态Lamb波均可用于裂纹缺陷的识别检测.     

金属薄板缺陷的超声多途Lamb波检测

金属薄板在动车等现代化设计中应用广泛,其是否存在缺陷等检测具有很重要的意义。为此,利用超声多途提供的额外数据来检测金属薄板的缺陷,提出相应的算法,多途路径在直接反射的路径上是可以预测和识别的,直接反射路径是相对比较容易识别的。同时利用ANSYS有限元建模不同的薄板缺陷模型,在不同的传感器位置、缺陷位置、缺陷大小情况下分别进行仿真。通过ANSYS仿真和实验检测都得出了良好的结果,误差在可控制范围之内,证明了超声多途应用与金属薄板Lamb波检测的是可行的;仿真和实验表明超声多途通过实际和多途虚拟扩展的传感器数据的分析证明了超声多途能够对薄板缺陷进行定位并检测其大小。提出的超声多途检测方法,通过单次测量即可检测出薄板缺陷的位置和大小,具有良好的检测性能。     

铝板中Lamb波检测的实验研究

Lamb波在传播过程中具有频散及多模态特性,若相关参数选择不当,会导致在实际应用中信号相互叠加而无法识别。本文基于Lamb波的频散曲线是其频散方程实数解分布的特点,采用二分法绘制了铝板中Lamb波的频散曲线、波结构曲线和入射角曲线。根据曲线选择S0模态的Lamb波对1mm厚铝板中不同类型的缺陷进行检测。实验结果表明,S0模态的Lamb波对裂纹型缺陷和贯穿型缺陷十分敏感,但对于裂纹型缺陷,其幅值变化并不与缺陷大小成线性关系,并且S0模态Lamb波的声场指向性十分集中,在偏离声束轴线时无法检测到缺陷。     

轴类零件内部缺陷超声检测与重构方法研究

为了探究轴类零件内部缺陷的无损检测方法,本文以曲轴为研究对象,基于超声ALOK技术对其内部多个小孔进行了无损检测实验,并建立了相应的声学仿真有限元模型,提出利用声程—角度散点图中的趋势线,可快速判别内部缺陷特征和位置的方法。并且改进了ALOK算法,即采用邻近探头构建的方程或曲线重构缺陷,模拟和实验结果表明使用改进的算法提高了缺陷位置和尺寸的检测精度,通过实验数据重构所得的缺陷位置误差和半径误差分别在2 mm和0.5 mm左右。研究结论对于轴类零件内部缺陷精确定量化无损检测提供了理论和技术指导。     

空气耦合电容式微超声换能器设计

建立了空气耦合电容式微超声换能器(CMUT)的理论方法,分析CMUT各个结构参数对其性能参数的影响。根据理论分析结果结合无损检测应用背景设计了一个由16个阵元构成的CMUT阵列,并采用SOI晶圆键合工艺制作。该阵列每个阵元包含16个圆形CMUT敏感单元,敏感单元的半径400μm,中心频率230 kHz。建立CMUT发射和接收瞬态仿真模型分别得到CMUT发射声压和接收灵敏度与激励电压的关系,并通过实验测试验证该仿真模型的准确性。最后通过实验对CMUT与商用压电空耦超声换能器的性能进行对比,实验结果表明CMUT的发射声压和接收灵敏度与商用换能器达到相同数量级,并且能够成功激发和接收铝合金板中A_0模态Lamb波。     

基于分布式超声无损检测方法的零件内部缺陷检测

超声检测广泛应用于工业检测,比如超声相控阵检测法和超声A扫应用于零件内部缺陷检测。然而,这些方法可以检测出缺陷位置却很难精确地检测缺陷尺寸,缺陷定量成了急需解决并且很有意义的问题。本文提出了一种分布式超声无损检测方法,将超声探头均匀布置在检测表面,每一个超声探头可以同时发射和接收超声信号,通过对接收到的信号进行处理来重构缺陷轮廓。基于分布式超声无损检测方法,重构零件的人造缺陷并建立相应的声学仿真模型。通过多项式拟合法和聚类法分别处理实验和仿真所获得的数据并重构缺陷轮廓。实验结果和仿真结果显示重构的椭圆形缺陷和正方形缺陷具有一定的精度。结果表明分布式超声无损检测方法有潜在的应用价值和理论意义。     

翻边压电晶片激励Lamb波声场研究

压电晶片广泛应用于超声波检测领域,是激励和接收超声波的最主要器件之一。本文通过实验、有限元压电模拟和半解析数值模拟,研究用压电晶片在板中激励Lamb波,三种方法得到的Lamb波信号中S0模态非常吻合,A0模态处稍有差异。同时还分析了晶片的电极形态对声场分布以及声场能量的影响,声场随着电极面积比变化而变化。研究结果可为压电晶片的实际使用提供参考。     

基于时间反转理论的聚焦Lamb波结构损伤成像

从理论和实验上研究了时间反转法在频散和多模式的Lamb波结构健康检测方面的应用.当Lamb波在包含有损伤的板类结构中传播时,损伤的存在表现为一个被动波源.采用分布式传感器网络,基于传递函数的观点,通过推导由损伤这个被动波源产生的时间反转波场幅值的表达式,证实了当观察点位于损伤位置时,时间反转波场的幅值最大.为验证时间反转方法的聚焦效应,提出了一种适合于分布的激励/接收传感器网络的成像方法,该方法可以对损伤定位并近似确定损伤尺寸.结合有限元的实验结果显示了Lamb波检测信号的能量可在损伤处聚焦,表明时间反转     

板状结构Lamb波频散补偿与聚焦接收成像检测

对板状结构中Lamb波的频散和多模现象进行了理论分析,采用有限元仿真方法获取了Lamb波与缺陷作用后的回波信号,对信号进行聚焦接收处理,即在一定距离范围内利用导波频散特性对各个模式信号进行频散补偿,提取补偿后信号的幅值,结果表明当所得信号幅值最大时,所对应的补偿距离等于缺陷与换能器之间的实际距离.利用这一结论,提出了以...     

基于有限元的空耦超声相控阵Lamb波激发与检测

基于非接触式空气耦合超声换能器的无损检测技术在常规板材、纤维复合材料、层状结构材料、粘接界面等的检测中有了长足的发展。但是因为空气耦合超声本身的限制,对于如何提高空气声换能器的发射效率和接收灵敏度、提高检测中接收的信噪比成为这一领域的重要课题。因此有必要结合最新的信号处理技术探索新的无损检测形式。本文通过提出了基于电容式的空气声换能器阵列的构建和制作方法,应用有限元数值方法对一维线阵的空气声换能器阵列的动态偏转特性进行了模拟,并使用构建流固耦合模型对二维的空气声场及板材中的位移场进行计算。通过一维空气耦合相控阵的声束动态偏转激励了各向同性板中的Lamb波A₀ 和S₀模式,并进行了分析,验证了此模型可以进一步用于基于空气耦合相控阵激励的Lamb波的无损检测中。     

特殊几何构件超声衍射时差法技术有限元模拟

衍射时差法(Time of flight diffraction,TOFD)技术是一种能够探测和精确测量缺陷尺寸的新型超声无损检测方法,针对该检测方法具有缺陷检出率高、缺陷定位定量精度高等优点。本文采用商业有限元软件ABAQUS,对汽包筒体与球形封头不等厚对接和超高压水晶釜两种特殊几何构件进行了超声TOFD技术的二维数值模拟研究,分析了超声波在这两种构件中的传播特性和规律。经分析从构件表面不同位置接收到的波型,当构件中存在损伤时,通过接收损伤所引起的衍射波,可判断构件中是否存在缺陷。模拟结果表明能够将超声TOFD技术应用于这两种特殊结构的压力容器构件,可扩大超声TOFD技术的应用范围。     

Air-coupled ultrasonic investigation of multi-layered composite materials

Air-coupled ultrasonics is fine alternative for the immersion testing technique. Usually a through transmission and a pitch-catch arrangement of ultrasonic transducers are used. The pitch-catch arrangement is very attractive for non-destructive testing and evaluation of materials, because it allows one-side access to the object. However, this technique has several disadvantages. It is sensitive to specularly reflected and edge waves. A spatial resolution depends on a distance between the transducers. A new method for detection and visualisation of inhomogeneities in composite materials using one-side access air-coupled ultrasonic measurement technique is described. Numerical predictions of Lamb wave interaction with a defect in a composite material are carried out and the interaction mechanism is explained. Experimental measurements are carried out with different arrangements of the transducers. The proposed method enables detect delamination and impact type defects in honeycomb materials.     

钢-混凝土结构弱粘接界面缺陷的超声导波检测*

钢-混凝土结构是土木工程中的一种常用结构形式,钢与混凝土粘接处可能出现弱粘接甚至完全脱粘的缺陷,严重影响结构的安全性。该文提出利用空气耦合超声导波衰减的方法实现钢-混凝土结构粘接状态的非接触无损检测方法,分析不同厚度粘接界面对超声导波衰减的影响。基于全局矩阵技术对钢-混凝土结构求解理论频散方程和衰减曲线,得到界面层不同粘接条件下的理论参数及衰减特性。建立不同粘接条件的有限元模型,定量分析不同模态对粘接缺陷的检测敏感度。研究界面层厚度分别为1 mm和2 mm两种情况下S0能量的衰减情况。研究结果表明:S0模态可有效判断粘接结构的粘接状态,对于同一界面层厚度,随着界面粘接条件变弱,S0最大幅值与A0最大幅值比不断增大;不同厚度同一粘接条件下,2 mm相较于1 mm该值更大。该方法在钢-混凝土结构粘接界面缺陷的检测方面具有良好的应用价值和发展前景。     

A combined finite element and modal decomposition method to study the interaction of Lamb modes with micro-defects

This paper presents a combined finite element and modal decomposition method to study the interaction of Lamb waves with damaged area. The finite element mesh is used to describe the region around the defects. On the contrary to other hybrid models already developed, the interaction between Lamb waves and defects is computed in the temporal domain. Then, the modal decomposition method permits to determine the wave reflected and transmitted by the damaged area. Modal analysis allows also identifying the mode conversions induced by the defects. These numerical results agree with previous finite element results concerning the interaction of Lamb modes with a notch. Experiments, carried out with gauged defects on an aluminum plate, are also compared to numerical predictions to validate the simulation. Compared to classical techniques of simulation, this new method allows us to investigate the interaction of Lamb modes generated at high frequency-thickness product with micro-defects as corrosion pitting.     

3D analysis of interaction of Lamb waves with defects in loaded steel plates

The objective of the research presented here is the investigation of the interaction of guided waves with welds, defects and other non-uniformities in steel plates loaded by liquid. The investigation has been performed using numerical simulation for 2D and 3D cases by the finite differences method, finite element method and measurement of 3D distributions of acoustic fields. Propagation of the S(0) mode in a steel plate and its interaction with non-uniformities was investigated. It was shown that using the measured leaky wave signals in the water loading of the steel plate and by application of signal processing, the 3D ultrasonic field structure inside and outside of the plate can be reconstructed. The presence of leaky wave signals over the defect caused by the mode conversion of Lamb waves has been proved using the numerical modelling and experimental investigations. The developed signal and data processing enables to visualise dynamics of ultrasonic fields over the plate, and also to estimate spatial positions of defects inside the steel plates.     

基于模式分离的兰姆波逆时偏移成像

应用频率域逆时偏移方法实现各向同性和各向异性板中缺陷的兰姆波成像.由于缺陷引起的多模态散射信号会在重建图像中形成伪像,根据基本导波模式振动对称性的差别进行了模式分离预处理.基于多元阵列超声技术,开展了铝板和复合板内缺陷频率域逆时偏移超声成像方法的数值仿真研究.首先,建立有限元模型,采用环形传感器数值采集由缺陷引起的兰姆波散射信号,然后,将采集到的多模式散射信号进行模式分离处理,再将模式分离后的兰姆波散射信号经时间反转后并在相应的接收器处重新激励,在频域中运用格林函数反向传播兰姆波散射信号,获取监测区域的声场信息,与正向传播声场进行互相关,重建缺陷图像.首先对铝板中单缺陷以及复合材料板中相邻的两个相同缺陷进行数值仿真,对比有无模式分离处理的缺陷逆时偏移成像效果,体现出模式分离的重要性.在此基础上,采用逆时偏移方法对复合板材内位置邻近、深度不同的双缺陷进行识别.数值结果表明,模式分离预处理后的缺陷重建图像能够有效去除多模式干扰产生的伪像.文中提出的成像方法对各向同性板和各向异性板内缺陷的检测和成像具有很好的发展潜力,可以准确地探测多个缺陷的形状、尺寸和深度.