基于时反导波检测的管道缺陷圆周定位研究

用传递函数的观点,分析由缺陷这个被动的导波源产生的时间反转波场的传播方式.通过推导时间反转波幅值的表达式,在理论上论证了时间反转聚焦效应可用于管道导波缺陷的检测和定位.在分析影响缺陷定位的重要因素的同时,阐述了基于时间反转理论的管道单缺陷和双缺陷定位试验研究,进一步说明了在管道导波检测时,采用试验与有限元结合的方式实现缺陷的轴向和周向定位的方法是实际可行的,该方法同时还解决了管道轴向位置相同的双缺陷辨识问题.     

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...     

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。     

基于反转路径差信号的兰姆波成像方法

针对传统基线相减成像方法受环境温度影响的问题,考虑到反转路径下超声波在缺陷处散射场的差异性,提出了一种基于反转路径差信号的兰姆波稀疏阵列成像方法.通过数值仿真,对反转路径差信号的来源进行了分析,并研究了缺陷与两个传感器的夹角及路径差对反转路径差信号幅值的影响规律.在此基础上,通过数值仿真及检测实验,研究了基于反转路径差信号的兰姆波成像方法对板中缺陷检测的有效性.结果表明,基于反转路径差信号的兰姆波成像方法可以很好地消除直达波对缺陷成像的影响,实现板中不同位置的圆孔和矩形缺陷成像,且成像分辨率较高,定位较准确.本文为板结构大范围健康监测提供了一种可行的新方案.     

剪切波对时间反转调相的经颅聚焦超声的影响*

为研究颅骨中的剪切波对经颅聚焦超声的影响,该文利用Kelvin-Voigt固体声波方程并结合时间反转法,分别模拟了考虑剪切波和不考虑剪切波时,256-单元平面相控阵为实现超声经颅聚焦所需的相位调控,并将这两种相位调控都分别作用于考虑剪切波和不考虑剪切波时的聚焦情形。对这两种相位调控以及基于它们的经颅聚焦超声场的对比分析结果表明:聚焦深度较大时,剪切波对基于时间反转进行的相位调控影响较小;不过,剪切波对经颅聚焦超声场的强度分布影响较大,忽略剪切波会导致对焦域处声场聚焦强度的高估以及对颅骨附近声能量沉积的低估。     

激光聚焦扰动作用下高超声速边界层稳定性实验研究

在马赫数6、单位雷诺数3.1×10⁶/m的条件下对半锥角7°直圆锥边界层稳定性开展了实验研究.以激光聚焦于流场中局部空间而产生的膨胀冲击波作为人工添加的小扰动,分析了该扰动对高超声速圆锥边界层流动稳定性的影响.实验中利用响应频率达到兆赫兹量级的高频压力传感器对圆锥壁面脉动压力进行测量,通过对压力数据进行短时傅里叶分析和功率谱分析发现,相比于不添加激光聚焦扰动的结果,添加激光聚焦扰动使边界层中第二模态波的出现位置提前,且扰动波的幅值大幅度地增加,在相同的流向范围内,激光聚焦扰动将边界层中的扰动波从线性发展阶段推进到非线性发展阶段,其对边界层中扰动波发展的促进效果明显.同时,激光聚焦位置的不同对边界层中扰动波的发展也具有不同的影响.当激光直接聚焦于圆锥壁面X=100 mm位置时,边界层中频率为90 kHz的扰动波幅值增长最快,在X=500 mm的位置处其幅值放大倍数为3.81,相比而言当激光聚焦位置位于圆锥前方自由来流中时,边界层幅值增长最快的扰动波频率大幅减小为73 kHz,相同范围内,其幅值放大倍数为4.51倍.由此可见,当激光聚焦位置位于圆锥上游的自由来流中时,其对边界层中扰动波的影响更为显著.     

A0模态Lamb波聚焦透镜的结构设计及实验研究

基于折射率的弯曲波透镜多在板结构上打孔或挖槽,这种设计破坏了原有的结构,降低了板的刚度和稳定性。鉴于此,通过在板表面镶嵌棱柱的方式设计了A0模态Lamb波的聚焦透镜。首先,详细讨论了棱柱的结构参数对Lamb波带隙的影响机理,获取了波速与结构尺寸的定量关系,并实现了透镜的结构设计;其次,有限元仿真了该聚焦透镜的工作性能,包括聚焦位置、焦点处能量分布、聚焦尺寸、工作带宽等;最后,通过实验验证了该透镜设计的正确性。研究结果表明,设计的透镜能够使弯曲波聚焦在预先设定位置,且在不改变结构参数的情况下具有一定的工作频率带宽。该透镜设计方法具有聚焦性能优越、刚度强、易于加工等优点,为声聚焦透镜在无损检测、能量收集等领域的实际应用提供了参考。     

时间反转聚焦在组织中形成损伤的数值建模

为考察基于时间反转方法的高强度聚焦超声治疗在预设目标点处的组织损伤情况,使用三维有限差分算法求解Westervelt方程,建立非线性声波传播数值模型,采用97阵元相控阵结合虚拟源的时间反转方法进行超声聚焦,分析其形成的声场和热场,并考察目标点偏离轴线时的组织损伤形成规律。结果表明随着目标点偏轴距离的增大,声压旁瓣开始增多。旁瓣的温升较低,不足以形成组织损伤。时间反转方法可用于多点聚焦,在一定的范围内,形成多点目标损伤而不产生额外的周围组织损伤。同时多点聚焦可以形成一个较大的损伤区域,减少超声治疗时间。     

基于空耦超声Lamb波的金属板状结构内部缺陷检测方法

针对接触式超声检测方法在金属板结构内部缺陷实际工程检测中存在的环境要求高、效率低、操作难度高等问题,提出了空耦超声Lamb波检测方法,该方法能更好地适应现场应用环境,提高检测效率,减少传感器数量。通过有限元仿真和实验分析比较了空耦超声检测与接触式超声检测两种方法接收到的信号和成像效果。结果表明:有限元仿真和实验中,空耦超声检测方法对缺陷位置的定位误差分别为2 mm和3.6 mm,接触式检测方法对缺陷位置的定位误差分别为2 mm和11.3 mm,空耦检测具有较高的定位精度;单侧激励条件下,适合采用A0模态Lamb波对板内缺陷进行检测;空耦超声检测可以通过调整信号接收角度接收单一模态Lamb波,避免伪像产生。该方法为后续金属板状结构内部缺陷的空耦超声检测提供参考。     

超微型全石英光纤Fizeau腔水下激波压力传感器

介绍了一种制作在光纤端头的超微型Fizeau腔水下激波压力传感器,给出了传感器的基本理论和制作工艺;采用被动零差解调技术对该光纤Fizeau腔在冲击压力波作用下的瞬态速变干涉相位进行解调;采用活塞式压力计和聚焦式电磁冲击波源进行静态和动态定标实验。在0～60 MPa压力量程范围内,系统的定标结果如下:满量程时的线性度、重复性、回程误差和基本误差分别为3.26%、0.01153%、0.07%和3.407%,动态响应时间小于0.75μs。     

A time reversal damage imaging method for structure health monitoring using Lamb waves

This paper investigates the Lamb wave imaging method combining time reversal for health monitoring of a metal-lic plate structure.The temporal focusing effect of the time reversal Lamb waves is investigated theoretically.It demonstrates that the focusing effect is related to the frequency dependency of the time reversal operation.Numerical simulations are conducted to study the time reversal behaviour of Lamb wave modes under broadband and narrowband excitations.The results show that the reconstructed time reversed wave exhibits close similarity to the reversed nar-rowband tone burst signal validating the theoretical model.To enhance the similarity,the cycle number of the excited signal should be increased.Experiments combining finite element model are then conducted to study the imaging method in the presence of damage like hole in the plate structure.In this work,the time reversal technique is used for the recompression of Lamb wave signals.Damage imaging results with time reversal using broadband and narrowband excitations are compared to those without time reversal.It suggests that the narrowband excitation combined time reversal can locate and determine the size of structural damage more precisely,but the cycle number of the excited signal should be chosen reasonably.     

经颅超声聚焦方法和声场特性研究

基于高分辨的CT数据建立了非均匀颅骨仿真模型,该模型引入了颅骨的声衰减系数,深入研究和分析了声波时间反转法和超声相控阵法在颅脑中的聚焦方法及效果。颅骨具有较强的声波衰减特性,使用时间反转聚焦时需要进行幅度补偿,对于0.7MHz的频率信号,幅度补偿后的时间反转聚焦声场主瓣宽度窄、旁瓣低,焦点处声场比无幅度补偿的时间反转法提高8.86dB,比超声相控阵聚焦法提高7.89dB,具有很好的空间聚焦精度和聚焦效率。研究了颅骨衰减系数、声场焦点位置、声波频率、换能器阵列位置和方位等参数对聚焦声场的影响,结果表明,幅度补偿时间反转法比相控阵法具有更低的旁瓣,且高频时的聚焦效果比相控阵好,相控阵聚焦对换能器阵列的位置和方位比较敏感,而时间反转经颅超声聚焦对声传播路径和入射角具有更高的鲁棒性。      

In situ 2-D piezoelectric wafer active sensors arrays for guided wave damage detection

This paper presented development work of an in situ method for damage detection in thin-wall structures using embedded two-dimensional ultrasonic phased arrays. Piezoelectric wafer active sensors were used to generate and receive guided Lamb waves propagating in the plate-like structure. The development of a generic beamforming algorithm that does not require parallel ray assumption through using full wave propagation paths is described. A virtual beam steering method and device, the embedded ultrasonic structural radar, was implemented as a signal post-processing procedure. Several two-dimensional configurations were investigated and compared with beamforming simulation. Finally, rectangular shape arrays were developed for verifying the generic formulas and omnidirectionality. The rectangular arrays yield good directionality within the 360° full range and are able to detect damage anywhere in the entire plate.     

用分数阶微分实现时频重叠多模式兰姆波的模式分离

为了分离时频重叠多模式超声兰姆波,提出了一种用分数阶微分理论实现多模式兰姆波模式分离的方法。以时频重叠的S1和A1模式混合信号为例,用赛利斯分布作为幅值谱的模型,首先对信号做频散补偿,由补偿后信号幅值谱分数阶微分推导了幅值谱特征参数的计算式并根据信号模型重建幅值谱,然后结合兰姆波的频散特性推导出对应的相位谱,并通过幅值谱和相位谱重构各模式的信号,实现模式分离。对1 mm钢板中仿真时频重叠的S₁和A₁模式信号分离结果显示分离出信号的幅值和带宽相对误差小于6%,中心频率相对误差小于0.25%。实验结果也证实了方法的可行性。因此当混合信号幅值谱不完全交叠时,本方法可以实现多模式兰姆波信号的分离,有助于多模式兰姆波频散信号的分析和识别。      

Wideband dispersion removal and mode separation of Lamb waves based on two-component laser interferometer measurement

Ultrasonic Lamb waves are considered as a sensitive and effective tool for nondestructive testing and evaluation of plate-like or pipe-like structures. The nature of multimode and dispersion causes the wave packets to spread, and the modes overlap in both time and frequency domains as they propagate through the structures. By using a two-component laser interferometer technique, in combination with a priori knowledge of the dispersion characteristics and wave structure information of Lamb wave modes, a two-component signal processing technique is presented for implementing dispersion removal and mode separation simultaneously for two modes mixture signals of Lamb waves. The proposed algorithm is first processed and verified using synthetic Lamb wave signals. Then, the two-component displacements test experiment is conducted using different aluminum plate samples. Moreover, we confirm the effectiveness and robustness of this method.     

基于赛利斯模型和分数阶微分的兰姆波信号消噪

为降低噪声对超声兰姆波检测信号的影响,提高信噪比和增加特征提取的精度,提出了一种赛利斯模型下分数阶微分方法用于超声兰姆波信号去噪.该方法对含噪声的兰姆波信号幅值谱进行各阶分数微分,用赛利斯分布作为待处幅值谱的模型,提出了幅值谱分数阶微分最大值和过零点与微分阶数的拟合三次关系式,建立了幅值谱特征参数的计算式来提取特征参数和重建原始信号的幅值谱,并结合相位谱重构去噪后的兰姆波信号.仿真结果表明,该方法可以有效地提高兰姆波信号甚至微弱兰姆波信号的信噪比,同时降低均方误差和平滑度.实验结果显示,与小波去噪和集合经验模态去噪方法相比,该方法在没有信号先验知识的情况下,可以更有效地去除兰姆波信号的噪声,同时更好地保留主信号的细节特征.因此,本文提出的方法可以有效地去除兰姆波检测信号中混入的噪声.     

Separation of multimode Lamb waves overlapped in time and frequency domains by using fractional differential

To separate multimode Lamb wave overlapped both in time and frequency domains,a multimode Lamb wave signal separation method by using fractional differential is proposed.The Tsallis function is used as the model of the amplitude spectrum.The amplitude spectra of Lamb wave signals are divided into fractional order differential.The characteristic parameters of each mode are extracted by using the polynomial between the maximum amplitude and the differential order as well as the polynomial between the peak frequency and the differential order.The corresponding phase spectrum of each mode is derived from the dispersion characteristics.The signal of each mode is constructed through the amplitude spectrum and phase spectrum.The simulated results of S1 and A1 modes in a 1 mm-thick steel plate show that the relative errors of amplitude and bandwidth of both modes are less than 6%,and that the relative errors of central frequency of both modes are less than 0.25%.Therefore,this method could be used to separate the time-frequency overlapped multimode Lamb wave signals.It is helpful for the analysis and recognition of multimode Lamb wave signals.     

采用单个压电传感器的单模式兰姆波激发频率的选择

考虑了压电传感器(PZT)与板之间的耦合作用,从理论上研究了单个压电传感器激发时产生单模式兰姆波的频率调节方法,实验给出了模式选择在兰姆波结构健康监测中的应用. 在板材、板厚以及PZT尺寸一定的情况下,从理论上能够预测到作为频率函数的各兰姆波模式的幅值变化. 根据某特定兰姆波模式的幅值最大而其他模式幅值相对最小时所对应的频率,即可识别出该兰姆波模式优化的激发频率. 数值仿真验证了理论的有效性以及单模式兰姆波选择的可能性. 在不同的激发频率下,分别激发了优化的A0 模式,优化的S0模式以及共存的A0和S0模 关键词： 兰姆波 压电传感器 激发频率 结构健康监测     

兰姆波结构健康监测中的概率损伤成像

应用概率成像方法对兰姆波结构健康监测中板的损伤进行识别。根据兰姆波损伤散射信号的传播时间以及传感器网络中一对发射-接收传感器的空间位置来确定一个椭圆轨迹,该轨迹显示了损伤可能出现的位置。将监测区域均匀网格化,计算各网格节点到椭圆轨迹的最短距离,将此距离映射为损伤出现的概率。采用灰度等级对所有网格节点处的概率值进行量化,则由每一个发射接收传感器对就确定了一个灰度图像。为了突出损伤,应用图像融合技术对传感器网络中所有发射接收传感器对所构成的灰度图像进行融合。对铝板中横穿孔损伤的实验结果显示了该方法能够有效地确定损伤的位置和范围,有助于推动兰姆波结构健康监测的实用化。