基于小波分析的超声导波管道裂纹检测方法研究

利用LS-DYNA970动态有限元分析软件对考虑横应变下的管道纵向超声导波损伤检测进行了数值模拟,分析了不同的激发频率对管道中导波频散现象的影响.选择适当的尺度和小波基函数,利用小波变换实现了对微弱且无法直接观测的缺陷检测信号的识别.同时通过时频分析研究了噪声信号在检测信号中的分布规律,并运用小波包分解和重构算法将信噪分离,实现高噪条件下管道微缺陷的损伤识别.     

板背部缺陷的单侧非接触式超声无损检测方法

随着板状结构在石化、航空航天和电力等工业领域中的广泛应用,急需发展相应的无损检测技术,对其结构完整性进行定期评估,以保证结构的安全运行。基于空气耦合换能器的Lamb波技术,可以非接触快速地对板状结构进行扫描,在结构安全检测领域有广阔的应用前景。本文采用基于势函数法的空气耦合板状结构声传播模型,通过理论求解得到其Lamb波临界角随频厚积的变化规律。实验中采取空气耦合换能器激发和接收Lamb波,采用傅里叶变换和信号滤波技术识别S0和A0模式,并通过与理论结果比较进行确认。最后,分别采用S0和A0模式对板背部半通孔缺陷进行定位,结果显示该单侧非接触式超声无损检测方法可用于板状结构背部缺陷的检测。     

基于同心压电传感器的单模态Lamb波信号提取方法

Lamb波具有传播范围远、对小损伤敏感等优点,适用于飞机机翼、壁板等大面积结构的损伤检测,然而Lamb波的频散和多模态特性使得单模态难以识别和解析信号。本文提出一种适用于板壳结构损伤检测的单模态提取方法,设计并使用一种同心压电传感器,根据所激励各模态的幅值比来分解信号并补偿时间差,从而提取出单一模态的信号。通过仿真分析和铝板实验验证,结果显示本方法能够有效提取单一A_0模态信号,并在实验中成功识别了隐藏的裂纹损伤反射回波信号,使信号相对于传统方法变得更易解释和分析。     

基于曲率模态和小波奇异性的结构损伤识别

传统的傅立叶变换适合确定一个函数奇异性的整体性质,而难以确定奇异点在空间的位置及分布情况.小波变换具有在时域和频域局部放大的性质,在工程中获得广泛应用.由于曲率模态具有较高的灵敏度,仅仅需要较低阶的模态信息就可获得很好的识别效果.本文据此提出了采用损伤前后曲率模态残差小波变换系数方法对结构损伤进行识别,通过该小波变换系数的分布情况来确定结构的损伤指标.为验证该方法的有效性,通过选用具有线性相位的双正交样条小波,对一梁结构进行了数值模拟.结果表明,采用该方法不但对单一损伤而且对多损伤均能有效地识别出结构的损伤位置.     

基于小波变换及Wigner-Ville变换方法的超声导波信号分析

对结构中缺陷的检测和识别是无损检测中的一项重要研究课题,超声导波由于可在短时间内检测很远距离,故它的一个重要应用便是管材的检测。因而对导波检测信号的处理成为一重要研究内容,本文利用时-频分析方法中的小波变换和Wigner-Ville变换对管道和抽油杆缺陷的导波检测信号进行了分析处理。实验结果表明,进行小波变换后,缺陷回波信号的信噪比大大提高,直径仅1mm的小孔缺陷可容易地被识别出来,准确检测出其位置;通过对信号进行Wigner-Ville的相关变换,可同时在时频两域内对缺陷的回波信号进行分析,使缺陷辨别起来简单易行。两种信号处理方法的超声导波应用研究为以后导波信号的处理提供了新的实现依据。     

基于小波变换的撞击流压力波动信号分析

通过小波变换对信号进行多尺度细化分析,解决了傅里叶变换不能解决的许多问题．从分析噪声和信号本身奇异点的区别入手,利用小波在时频两域突出信号局部特征能力的重要性质,即噪声信号小波变换的极大值随尺度的加大而显著减少的特点,对撞击流反应器撞击区压力波动信号进行处理分析．分析结果表明:小波变换可以较好地去除信号中的噪声;通过消噪后信号的功率谱可知,撞击流压力波动信号具有自相似的分形特征,与前期的实验研究相吻合．     

连续小波变换在损伤探测中的应用

本文选取Gabor小波作为母函数，采用连续小波变换对含裂纹悬臂梁中的弯曲波进行分析，提取波动信号中某一频率分量上的入射波、反射波及透射波信号，由此可以准确地检测出悬臂梁的损伤位置，并对可其损伤程度做出定性估计。实验结果表明，这是一种行之有效的损伤检测方法，可以推广应用到复杂结构的损伤检测中去。     

水下目标在水下爆炸作用下冲击响应的时频特征

基于某水下目标的抗水下爆炸实验数据,利用小波变换良好的时频局部化性质对监测的水下目标内部装置冲击加速度信号进行时频特征分析,得到了不同频带上冲击信号振动分量的时间历程曲线和能量分布。结果表明,基于冲击信号小波时频特征分析的频带能量可以同时反映冲击振动的强度、频率和持续时间对目标损伤的影响,同时结合不同频带的时间历程曲线可以获得冲击波和二次压力波在不同频带上的分布和衰减的细节信息,由此可确定冲击波和二次压力波各自对目标毁伤的影响。     

基于小波的蜂窝板面超高速撞击声发射信号损伤特征提取

为了通过超高速撞击声发射信号识别蜂窝结构受空间碎片撞击后的损伤状态,提出一种基于小波的损伤特征提取方法。采用超高速撞击声发射技术,以铝合金蜂窝板为研究对象,通过超高速撞击实验获取实验信号。分析超高速撞击声发射信号的时频特征及板波模态等特征,采用Daubechies小波变换将信号中模态分离,根据小波系数计算各尺度小波能量分数及小波能量熵特征,分析各特征参数与损伤间的关系,并通过Kruskal-Wallis检验方法验证各特征值对损伤识别的贡献。结果表明:小波能量分数和小波能量熵具有一定的损伤模式分类能力;250 kHz以上的小波能量分数具有良好的损伤模式分类能力;非超声部分的低频信号对损伤识别存在干扰。     

基于应变模态小波变换的框架结构损伤识别研究

采用应变模态的小波变换方法研究了框架结构的损伤识别问题。以有限元分析求解含裂缝平面框架应变模态为基础,利用Guass2小波对框架的应变模态进行小波变换,再用db3小波对应变模态小波变换系数进行去噪处理,最后通过对去噪处理后的小波系数模极大值点来识别框架结构裂缝的位置,建立了基于应变模态小波变换识别平面框架损伤的方法。以一层平面框架为例,分别给出了框架梁含有裂缝、框架柱含有裂缝、框架梁和柱均含有裂缝的有限元模型,计算得到结构的应变模态,并通过应变模态小波分析来识别平面框架裂缝的位置。从识别结果发现,经小波去噪处理后应变模态小波系数的模极大值点能够有效识别框架结构的损伤,数值计算验证了方法的有效性。本文研究对工程结构损伤诊断有参考价值。     

Boundary element modeling for defect characterization potential in a wave guide

Wave scattering analysis implemented by boundary element methods (BEM) and the normal mode expansion technique is used to study the sizing potential of two-dimensional shaped defects in a wave guide. Surface breaking half-elliptical shaped defects of three opening lengths (0.3, 6.35 and 12.7 mm) and through-wall depths of 10–90% on a 10 mm thick steel plate were considered. The reflection and transmission coefficients of both Lamb and shear horizontal (SH) waves over a frequency range 0.05–2 MHz were studied. A powerfully practical result was obtained whereby the numerical results for the S₀ mode Lamb wave and n₀ mode SH wave at low frequencies showed a monotonic increase in signal amplitude with an increase in the defect through-wall depth. At high frequency (usually above the cut-off frequency of the A₁ mode for Lamb waves and the n₁ mode for SH waves, respectively), the monotonic trend does not hold in general due to the energy redistribution to the higher order wave modes. Guided waves impinging onto an internal stringer-like an inclusion were also studied. Both the Lamb and SH waves were shown to be insensitive to the stringer internal inclusions at low frequency. Experiments with piezoelectric Lamb wave transducers and non-contact SH wave electro-magnetic acoustic transducers (EMAT) verified some of the theoretical results.     

兰姆波测试信号的数字滤波处理

为了增加兰姆波测试信号特征提取的精度,降低噪声的影响,信号的预处理是必要的.本文采用一发一收兰姆波测试技术,在含有人工槽型缺陷的3mm厚铝板上进行了实验.选择带通无限长脉冲响应滤波器对兰姆波信号进行降噪.考虑到兰姆波的激发频率为250kHz,ⅡR滤波器的通带设置为160～330kHz.采用Hilbert变换获取滤波后信号的包络,结果显示,与滤波前兰姆波信号的包络相比,滤波后信号的包络更加平滑和清晰,各个波包的峰值可以唯一确定,为后续兰姆波信号的走时提取提供了方便.在此基础上,根据入射波与S0反射波峰值之间的时间间隔计算S0模式的群速度,结果与理论值较为接近,由此显示了滤波处理在兰姆波测试信号分析中的重要作用.     

An analytical approach to reconstruction of axisymmetric defects in pipelines using T(0, 1) guided waves

Torsional guided waves have been widely utilized to inspect the surface corrosion in pipelines due to their simple displacement behaviors and the ability of longrange transmission. Especially, the torsional mode T(0, 1), which is the first order of torsional guided waves, plays the irreplaceable position and role, mainly because of its non-dispersion characteristic property. However, one of the most pressing challenges faced in modern quality inspection is to detect the surface defects in pipeli...     

利用兰姆波对板状结构中隐蔽腐蚀缺陷的检测

在石油、天然气、化工和石化行业中,许多大型容器和储罐常用来储存带有腐蚀性液体或气体,其内壁极易被腐蚀变薄而影响其使用寿命。为了激励出合适的导波模态检测容器内壁的隐蔽腐蚀缺陷,本文对一块2.76mm厚并蚀刻了一个人工腐蚀缺陷的钢板进行了检测。实验中,采用了一发一收法,并分别激励了对称模态S1和反对称模态A1对该缺陷进行了检测。利用短时傅立叶变换对接收到的时域信号进行了时频分析,得到各导波模态的模态转换,频散和衰减结果。通过对比可以看出,S1模态更适用于检测隐蔽腐蚀缺陷。结果显示,通过选取合适的模态,导波检测方法有可能用于大型容器和储罐内壁腐蚀缺陷的检测。     

PROPAGATION CHARACTERISTICS OF HIGH ORDER LONGITUDINAL MODES IN STEEL STRANDS AND THEIR APPLICATIONS

Propagation characteristics of high order longitudinal modes of ultrasonic guided waves in seven-wire steel strands are investigated theoretically and experimentally. According to these analysis results, proper longitudinal modes are selected for defect detection in steel strands. Dispersion curves for helical and central wires in a 17.80 mm nominal diameter seven-wire steel strand are numerically obtained firstly, and propagation characteristics of high-order longitudinal modes, such as wave structures, attenuation and dispersion, are analyzed. In experiments, the signals of ultrasonic guided wave at different high frequencies are excited and received at one end of a steel strand by using the same single piezoelectric transducer. The identification of longitudinal modes in the received signals is achieved based on short time Fourier transform. Furthermore, appropriate L（0, 5） mode at 2.54 MHz is chosen for detecting an artificial defect in a helical wire of the steel strand. Results show that high order longitudinal modes in a high frequency range with low dispersion and attenuation whose energy propagates mainly in the center of the wires can be used for defect detection in long range steel strands.     

连续小波变换离散化的爆炸振动特征分析

应用连续小波变换的离散化关系,针对一个改进的L-P（littlewood-paley）小波基函数,给出了一种实现频率完全分割的时频特征分析方法,并对爆炸振动时频特征进行了研究。80 kg TNT地面爆炸时地面垂向振动速度的时间能量密度分布情况表明,在质点振动峰值速度到达时刻爆炸振动的频率范围比较宽,而其他时刻的振动频率相对较为集中,时频能量分布的峰值正好对应于爆炸振动速度的峰值到达时间。基于小波变换的爆炸振动频谱特征与Fourier变换的结果具有良好的一致性。此外,还给出了利用小波变换结果建立爆炸振动随机演变理论模型的基本方法。     

Spectrotemporal analysis of guided-wave pulse-echo signals: Part 2. Numerical and experimental investigations

Part 2 of this paper seeks the numerical and experimental procedures for implementing the Morlet wavelet transform for the spectrotemporal analysis of multimode dispersive waves. The sensitivity due to the spectral parameters and ₀, defining the bandwidth and center frequency of the mother wavelet, is studied through an error analysis of the simulation signals. The algorithm for determining the group delays is extended to multimode signals by introducing a thresholding technique. The ultimate goal of this study is to nondestructively detect and locate discontinuities in a thin plate. This is demonstrated by experimentally measuring the travel distance of a Lamb wave from a single waveform.     

金属板结构疲劳损伤二倍频兰姆波检测方法研究

针对重大基础设施安全运行需要,本文进行了金属板结构疲劳损伤非线性兰姆波检测方法研究。基于兰姆波二次谐波产生条件,确定了产生二次谐波积累增长效应的两种兰姆波模态及对应的激励频率。通过有限元仿真,研究了材料性能改变对兰姆波非线性效应的影响,证明了二倍频兰姆波非线性系数对材料性能退化表征的有效性。在此基础上,开展了金属板结构疲劳损伤非线性兰姆波检测实验研究。将极性反转方法应用于疲劳试件检测实验中,有效提高了检测信号中二倍频兰姆波的幅值和信噪比。实验结果表明,两种兰姆波模态对的二次谐波非线性系数均随疲劳损伤增加呈线性增长趋势,但基频S(0,2)模态和二倍频S(0,4)模态对对疲劳损伤检测的灵敏度更高,更适合金属板结构疲劳损伤检测。