铝板中激光Lamb波信号的模态分析与缺陷检测研究

激光激励的Lamb波信号具有较宽的频带,且包含多个模态信息。本文采用二维傅里叶变换和时频分析等信号分析技术用于检测信号中的模态成分及缺陷信息识别。首先,对200组激光Lamb波信号进行二维傅里叶变换,得到信号的频率-波数图,可识别出激光Lamb波信号中的低阶A0、S0和高阶模态,并且A0模态能量高,可用于缺陷检测。随后对有、无缺陷状态下Lamb波信号进行连续小波变换,从时频图中识别出缺陷信号的频率成分,进一步提取特定频率下的小波系数幅值信号,实现了缺陷信息的识别。结果表明,二维傅里叶变换能较好地识别激光Lamb波的模态成分,而提取出的连续小波变换系数图,能准确实现缺陷定位。     

基于多通道时间反转Lamb波的铝板小缺陷检测

超声Lamb波具有传播距离远、衰减小等特点,广泛应用于板结构的无损检测。将Lamb波检测技术与时间反转理论相结合,能提高铝板中小缺陷的检测能力。采用多通道时间反转板中Lamb波聚焦方法对1mm厚的铝板中直径0.8mm通孔缺陷进行检测,检测结果显示多通道时间反转检测信号中形成了两处明显的聚焦,即直达波和缺陷回波聚焦,证明此方法有效提高了检测分辨铝板小缺陷的能力。最后通过直达波、缺陷回波两处聚焦的时间差和Lamb波S_0模态群速度,准确实现了铝板中小缺陷的定位。多通道时间反转Lamb波聚焦方法不仅得到了缺陷检测回波,而且准确实现了缺陷的定位,达到了提高铝板中小缺陷检测能力的目的。     

Lamb波频域逆散射全聚焦成像方法研究

Lamb波因其传播距离远、衰减小常被用于板状结构的无损检测中,在基于Lamb波损伤检测的诸多成像技术中,全聚焦方法(Total Focus Method,TFM)方法因其成像分辨率高、信噪比高而受青睐.然而Lamb波的频散效应导致时域延时量不能被准确计算,进而影响传统TFM方法对损伤定位及成像的精度;此外,既有的TFM...     

正交各向异性板中非主轴方向的Lamb波

基于线性三维弹性理论,采用勒让德正交多项式展开法,推导了波沿正交各向异性材料非主轴方向传播时的Lamb波耦合波动方程,并对耦合波动方程进行了数值求解.为验证该方法的适用性和正确性,首先将此方法应用于各向同性材料,并与已知的数据结果进行了比较;然后以单向纤维增强复合材料为例,计算了耦合Lamb波沿不同的非主轴方向传播时的相速度频散曲线,并分别研究了传播方向改变时低阶模态Lamb波和高阶模态Lamb波频散特性的变化.最后,针对潜在用于各向异性复合材料结构健康监测的耦合Lamb波低阶模态,给出了其在不同传播方向时的相速度分布和群速度分布.同时,结合低阶模态Lamb波的位移分布特性和材料的各向异性特点,阐释了S0模态对波的传播方向变化最为敏感的原因.     

基于SBFEM和深度学习的裂纹状缺陷反演模型

结构内部缺陷的识别是结构健康监测的重要研究内容, 而当前以无损检测为主的结构安全检测多以定性分析为主, 定量识别缺陷的尺度较困难. 本文将比例边界有限元法(scaled boundary finite element methods, SBFEM)和深度学习相结合, 提出了基于Lamb波在结构中传播时的反馈信号定量识别结构内部裂纹状缺陷的反演模型. 通过随机生成缺陷信息(位置、大小), 采用SBFEM模拟Lamb波在含不同缺陷信息的结构中的信号传播过程, SBFEM仅需对结构边界离散可最小化网格重划分过程, 大大提高了计算效率. Lamb波在含裂纹状缺陷结构中传播时观测点的反馈信号包含大量的裂纹信息, 基于这一特性可为深度学习模型提供足够多的反映问题特性的训练数据. 建议的缺陷反演模型规避了传统反分析问题的目标函数极小化迭代过程, 在保证计算精度的前提下大大减少了计算成本. 对含单裂纹和多裂纹板的数值算例进行分析, 结果表明: 建立的缺陷识别模型能够准确地量化结构内部的缺陷, 对浅表裂纹亦有很好的识别效果, 且对于含噪信号模型仍具有较好的鲁棒性.      

功能梯度粘弹性板中的Lamb波

研究功能梯度Kelvin模型粘弹性板中Lamb波传播的频散和衰减特性,基于弹性力学理论,建立了以位移函数表示的功能梯度粘弹性板中Lamb波传播问题的控制方程;采用幂级数方法求得其渐近解,得到波速-波数方程的解析形式;采用最小模值逼近法求解复数域超越方程。通过对比均质粘弹性板和特殊梯度粘弹性板中Lamb波传播的精确解析解和幂级数渐近解,由此验证幂级数解的可靠性。研究结果表明:当梯度参数同时变化时,梯度板中的Lamb波波速的实部、虚部、减幅系数较均匀板中均无显著变化;仅密度梯度参数增大时波速实部和虚部绝对值都减小,减幅系数增大;仅弹性模量梯度参数增大时,波速实部和虚部绝对值都增大,减幅系数减小。准S0模态和准A0模态的减幅系数基本相同,而与准A1模态相差较大。在同模态下频率越高减幅系数越大,同频率下高模态对应的减幅系数较小。这些结论可为非均质粘弹性板结构无损检测提供理论依据。     

基于激励单一模态Lamb波磁致伸缩换能器的结构优化仿真分析

为提高超声Lamb波信号强度,对磁致伸缩贴片换能器结构进行优化。在磁致伸缩贴片径向开狭缝的同时采用双面激励的方式使铝板内产生单一模态Lamb波,对优化后的结构进行理论分析并结合仿真验证;利用COMSOL仿真磁致伸缩贴片换能器在铝板内激励Lamb波的过程,得到优化前后磁致伸缩贴片附近磁场强度、上下表面电流密度,以及铝板应变;以铝板内质点位移作为Lamb波信号强度的评判标准。结果表明:利用优化后的结构对铝板双面激励可以使质点位移增加68.4%;相比于结构未优化时,在双面激励的条件下,将磁致伸缩贴片径向开狭缝,可有效增加输出信号,并且可以得到单一模态Lamb波。     

基于时间反转法的Lamb波检测技术的研究进展

Lamb波具有传播距离远、衰减小等特点,已被广泛应用于大型板类结构的损伤检测。时间反转是实现超声波聚焦的有效方法之一。本文回顾并总结了近20年来时间反转方法在Lamb波检测领域中的研究进展。针对Lamb波固有的频散和多模态等传播特性,详细论述了时间反转法在板结构Lamb波检测中的应用。最后对基于时间反转法的免基准信号Lamb波损伤检测方法进行了总结,分析其存在的问题并对其应用前景进行了展望。     

有限单元法在超声导波检测技术中的应用

超声导波检测技术具有对波导结构中的缺陷进行远距离无损检测的能力,多年来一直是无损检测领域关注的热点之一.有限单元法具有对各种复杂动力学问题进行计算的能力,已成为超声导波检测技术研究的重要工具.本文结合超声导波检测技术研究领域中的热点问题,对相关的有限单元法进行了简要综述.介绍了有限单元法的发展及其在多物理场耦合机制下导波的激励与接收、线弹性和黏弹性结构中导波的传播特性、非线性超声导波等多个方面的应用研究情况. 最后,基于超声导波检测技术研究趋势展望了相关有限单元法的未来研究重点和发展方向.      

金属管件外检式电磁超声导波换能器电磁场量的解析计算式

电磁超声导波检测具有检测精度高、适合高温检测、无需耦合剂等优势,已成为无损检测领域中重要的检测技术.电磁超声导波检测的核心部件是电磁超声导波换能器.本文针对一种非铁磁性金属小径管外检式电磁超声导波换能器,基于扩展截断区域特征函数展开法(ETREE)分别推导偏置磁场奇对称、偶对称,暂态电磁场奇对称、偶对称及四种组合形式下...     

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.     

Nonlinear Lamb waves in plate/shell structures

鉴于常规超声检测技术对分布式材料细微损伤和接触类结构损伤的检测效果不佳,近年来非线性超声技术逐渐引起广泛关注.超声波在板壳结构中通常以兰姆波的形式进行传播,然而由于兰姆波的频散及多模特性,使得非线性兰姆波的理论和实验研究进展缓慢.本文从经典非线性理论出发,总结了源于材料固有非线性诱发的非线性兰姆波的理论和实验两个方面的研究进展,并综述了兰姆波的二次谐波发生效应在材料损伤评价方面的若干应用;从接触声非线性理论出发,讨论了目前由于接触类结构损伤诱发的非线性兰姆波的研究现状.最后展望了非线性兰姆波的未来研究重点及发展趋势.     

基于电磁声激励Lamb波的裂纹深度检测

本文采用电磁声传感器接收单一S₀模态激励,测量Lamb波在板中不同深度的槽形裂纹处的反射与透射,用于对已知扩展长度的表面裂纹进行深度测量。然后分析了Lamb波模态的频散与波动特性,由超声Lamb波的波结构,近似计算了S₀模态入射到裂纹时的反射系数。计算结果与实验结果一致。结果表明,Lamb波在有限长裂纹处的反射系数可采用二维模型中的反射系数求解公式近似求解。采用电磁超声传感器接收单一S₀模态激励,重复测量稳定性高,适用于Lamb波反射系数的测量。Lamb波的反射系数与裂纹深度有很好的对应关系,可用于板表面已知长度裂纹的深度测量。     

Lamb wave mode decomposition using concentric ring and circular piezoelectric transducers

Lamb waves using surface-bonded piezoelectric transducers (PZTs) have been widely used for nondestructive testing (NDT). However, the identification of individual Lamb wave modes and the subsequent data interpretation are often difficult due to the dispersive and multimodal natures of Lamb waves. To tackle the problem, a Lamb wave mode decomposition technique using concentric ring and circular PZTs is proposed. Its advantages over the conventional approaches are that (1) PZTs need to be placed only a single surface of a specimen and (2) mode decomposition can be performed at any desired frequency without changing the PZT size and/or spacing configuration. The proposed mode decomposition technique is formulated by solving 3D Lamb wave propagation equations considering the PZT size and shape, and this technique requires a specially designed dual PZT composed of concentric ring and circular PZTs. The effectiveness of the proposed technique for the Lamb wave mode decomposition is investigated through numerical simulation and experimental tests performed on an aluminum plate.     

板壳结构中的非线性兰姆波

鉴于常规超声检测技术对分布式材料细微损伤和接触类结构损伤的检测效果不佳,近年来非线性超声技术逐渐引起广泛关注.超声波在板壳结构中通常以兰姆波的形式进行传播,然而由于兰姆波的频散及多模特性,使得非线性兰姆波的理论和实验研究进展缓慢.本文从经典非线性理论出发,总结了源于材料固有非线性诱发的非线性兰姆波的理论和实验两个方面的研究进展,井综述了兰姆波的二次谐波发生效应在材料损伤评价方面的若干应用;从接触声非线性理论出发,讨论了目前由于接触类结构损伤诱发的非线性兰姆波的研究现状.最后展望了非线性兰姆波的未来研究重点及发展趋势.     

Characterization of Laser Generated Lamb Wave Modes after Interaction with a Thickness Reduction Discontinuity Using Ray Tracing Theory

The effect that a circular discontinuity (due to thickness reduction) in an Aluminum plate has on the direction of Lamb wave propagation was experimentally and theoretically studied. Broadband Lamb waves were generated by a pulsed Nd:YAG laser and optically detected with a photo-EMF detector to increase spatial resolution. The experimental results show that thickness reduction modifies the time of flight (TOF) for S0 and A0 vibration modes and generates a change in direction of the ultrasonic Lamb wave. The change in the TOF as a function of distance and thickness reduction was numerically determined using ray theory and then compared to experimental results. It is shown that the change in the direction of propagation depends on the vibrational mode and frequency of the Lamb waves and this can affect the detection and characterization of a hidden discontinuity.