频率-波数域的薄铝板缺陷检测研究

文章将频率-波数域成像算法应用于薄铝板内圆形穿孔缺陷的检测。采用PZFlex软件建立多阵元线性阵列仿真模型,在薄铝板内激发出Lamb波,模拟超声相控阵全矩阵捕获功能。实验中使用M2M公司的超声相控阵仪器对带有通孔缺陷的薄铝板进行全矩阵捕获。基于全矩阵数据完成自发自收模式下的频率-波数法损伤重建,对全矩阵数据进行三维傅里叶变换,利用所有阵列的全部信息完成损伤重建。实验结果表明:频率-波数域成像法能够精确地表征出圆孔损伤的大小和形状,对单缺陷及不同大小、距离的双缺陷均具有良好的检测效果。相对于全聚焦成像法,频率-波数域成像法具有更高的分辨率。     

基于经验小波变换的干耦合超声检测Lamb波信号分析

为提取出干耦合Lamb波检测信号中的有用信息,采用经验小波变换(empirical wavelet transform,EWT)对检测信号进行分析。首先定义一组经验尺度和经验小波函数,根据傅里叶变换结果对信号频谱进行分割,提取出围绕中心频率具有紧支撑特性的不同频段;然后通过选择合适函数,建立紧支撑的小波框架;最后对信号进行经验小波变换,得到不同的分解模态。针对玻璃纤维复合材料板的干耦合Lamb波检测实验结果表明:采用EWT方法能够分解出信号中不同的固有模态,揭示信号的频率结构,区分缺陷的大小,反映Lamb波传播特性。与经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)方法相比,EWT方法计算量小,分解模态少,没有虚假和无法解释的分量,显示该方法的优越性。     

激光超声导波分频段时域滤波及频率波数域逆时损伤成像

构建了一个激光激励和激光多普勒扫描拾振的完全非接触式超声导波损伤检测实验平台,实现对结构中超声导波场的高分辨率拾取,克服了常规接触式导波换能器致使波场检测空间分辨率低等不足。提出分频段时域滤波的方法,将激光超声宽频带信号分解为多个窄带信号以抑制频散效应,进而在无基准信号的前提下实现对损伤信号的提取;在此基础上应用频率波数域逆时损伤成像方法重构入射波场及损伤散射波场,以确定损伤边界,进而综合各窄带信号的损伤成像结果以获得更为精确的成像。仿真和实验结果表明:结合小波分析分频段时域滤波法与频率波数域逆时损伤成像方法能够实现各向同性板状结构中损伤的非接触检测,在工程实践上具有更广的应用价值。     

基于多维阵列和空间滤波器的损伤无波速成像定位方法

随着复合材料在航空结构中的广泛应用,基于压电传感器（PZTs）阵列和Lamb波的结构健康监测成像方法已经成为复合材料结构健康监测技术的研究热点,但是复合材料的各向异性特点导致依赖于信号传播速度的延迟-累加、相控阵等成像方法难以实现其损伤的准确监测。鉴于此,研究了一种与信号传播速度无关的空间滤波器损伤成像定位方法,该方法利用Lamb波在结构中传播时的空间-波数域特征,通过设置空间权重函数使压电传感器阵列形成波数带宽为[k_min,k_max]的空间-波数域滤波器对特定空间方位的Lamb波进行滤波,得到损伤的角度图像; 然后,利用多维线性压电传感器阵列各自针对损伤得到的角度图像进行融合,得到损伤的坐标图像,从而实现了在不依赖传播速度的情况下对损伤的成像定位。在碳纤维层合板上对该方法进行了实验验证。实验结果表明：基于多维线性压电传感器阵列和空间-波数域滤波算法的无波速成像定位方法可以对复合材料结构损伤进行不依赖信号传播速度的成像定位,定位误差在1 cm以内。     

基于时频分析技术的激光超声Lamb波模式识别

利用傅里叶变换、短时傅里叶变换及希尔伯特一黄变换对激光激发的Lamb波进行模式识别,并对分析结果进行比较、分析。结果表明：傅里叶变换和短时傅里叶变换只能识别出能量较大的模式;而利用希尔伯特一黄变换可同时识别出能量较大和能量较小的模式。该研究为激光超声检测技术提供了研究基础。     

密集型矩形阵列参数对激光Lamb波成像的影响分析

激光超声技术具有非接触、检测效率高等优点,在无损检测领域受到广泛关注;充分利用激光超声技术的高空间分辨率特性,结合密集型矩形阵列和激光Lamb波技术进行板中缺陷检测。采用连续小波变换对频带宽、时域分辨率低的激光Lamb波信号进行提取,得到特定频率下具有高时域分辨率的窄带信号;利用线性映射补偿技术消除所提取窄带信号中的频散,消除频散的信号用于缺陷成像;最后,结合幅值成像技术和符号相干因子成像技术对频散补偿后的信号进行处理,实现铝板中缺陷的成像和定位。在此基础上,进一步对不同的阵元数量和阵元间距对密集型矩形阵列指向性和缺陷成像质量的影响进行分析。当阵元数量为16,阵元间距为一个Lamb波波长时,主瓣宽度较窄且没有栅瓣出现,缺陷成像质量得到有效提高。     

短时傅里叶变换声-超声检测信号缺陷识别

针对粘接结构的声-超声检测信号,提出用短时傅里叶变换的方法对缺陷进行识别。该方法依据短时傅里叶变换特性,合理选择窗函数及其宽度,并根据时频特征值对识别结果进行体现。结果表明:试件中缺陷的存在与否对时频特性影响较大,而相同性质缺陷的检测信号时频特性相近;脱粘缺陷信号具有相对较好的频率分辨率,而孔洞缺陷信号具有较好的时间分辨率。该方法对声-超声检测信号进行缺陷识别是有效、可行的。     

基于弯折频率变换的Lamb波高分辨率损伤成像

Lamb波在结构健康监测中受到广泛关注,但其在传播过程中存在着多模和频散特性,不利于损伤定位和高分辨率成像。弯折频率变换（Warped Frequency Transform, WFT）通过构建合理的弯折映射可实现对频率轴的弯折。基于Lamb波群速度频散曲线设计弯折频率变换,则可用于Lamb波信号的处理。本文从直接补偿角度出发,利用WFT对传感信号进行频散抑制。提出了基于WFT的高分辨率损伤成像方法,利用有限元软件ABAQUS进行了带损伤铝板中Lamb波传播的仿真。仿真结果表明WFT能有效压缩频散的波包,通过本文所提成像方法可实现高分辨率损伤成像。     

基于STFrFT域无穷范数的CT图像边缘检测

针对医学CT图像边缘模糊、对比度低、噪声污染严重等特点,本文提出了短时分数阶傅里叶变换域的向量无穷范数方法,用于CT图像的边缘检测。短时分数阶傅里叶变换域的虚部能够反映非平稳信号的局部信息。首先,对一维非平稳信号做短时分数阶傅里叶变换,得到短时分数阶傅里叶变换域;其次,计算变换域虚部的向量无穷范数,将二维时频面映射为一维信号,得到非平稳信号的边缘信息。实验表明本文方法具有检测信号边缘的能力,能够有效提取CT图像的边缘,对弱边缘信号也具有较好的检测结果。与经典微分算子和小波变换比较表明,本文方法对CT图像边缘检测表现优良,对噪声污染图像具有较好的鲁棒性。     

金属丝网激光在线检测仪系统

本文讨论金属丝网激光在线检测仪系统。该检测仪系统利用了“激光-傅里叶变换法”,并对被采样信号进行实时处理,实现了金属丝网二维分布尺寸的在线检测。     

基于DIC实验的空间域信号去噪方法研究

通过二维傅里叶连续延拓联合波数域低通滤波的方法,对数字图像相关测量所得位移场进行去噪重构,通过对薄板结构的工况模态分析,验证空间域信号去噪方法的有效性。数字图像相关方法测量结果为结构表面的全场位移响应,因相机本底噪声等因素的影响,由此在位移场测量结果中引入的空间域噪声不可忽略。通过对去噪重构后的时序位移场进行互相关函数计算,使用ERA算法辨识得到薄板的前5阶模态参数,与有限元计算模态结果吻合良好。     

基于小波变换的滚动轴承故障信号分析

借助于实验所用滚动轴承正常运行、单点故障尺寸长度为0.007in(1in=2.54cm)、单点故障尺寸长度为0.014in和单点故障尺寸长度为0.021in 4个状态的数据,通过在Matlab中使用短时傅里叶变换和小波变换工具对滚动轴承正常运转时和滚动轴承内圈滚道有裂纹缺陷时的信号进行处理比较。发现对轴承信号进行短时傅里叶变换处理,并对频率进行归一化处理,结果只能粗略反应信号的频率成分,而对轴承信号做bior 2.4小波变换处理,在时间域与频率域都可以反映,且其具有自适应时频特性。两相比较,基于小波变换的滚动轴承故障信号分析对于滚动轴承故障信号具有较明显优势。     

基于多重信号分类算法的复合材料冲击定位

为了提高复合材料结构冲击定位的精度和实时性, 将阵列信号处理技术引入到结构健康监测领域, 提出了利用小波变换和多重信号分类算法实现复合材料结构冲击定位的新方法: 通过小波变换提取冲击响应信号某一窄带频率成分, 运用多重信号分类(MUSIC) 算法实现冲击源到达方向的估计; 根据Lamb 波传播特性, 用小波变换求出某一中心频率下的对称模式和反对称模式的Lamb 波到达同一传感器的时间差, 结合对称模式和反对称模式Lamb 的速度差就可以估计出冲击源到达传感器的距离, 实现冲击定位。对玻璃纤维/环氧树脂复合材料层合板和碳纤维/双马树脂基复合材料层合板2 种试件的实验均表明该方法能快速、精确地识别出冲击源位置。      

板状结构中基于Lamb波单模态的缺陷成像试验研究

Lamb波技术非常适于板类结构的各种缺陷检测。为了得到模态较为单一的Lamb波,使得接收信号更具有解释性,缺陷更容易识别,该文中在板上下表面的相同位置分别布置压电传感器阵列,采用同一位置上下表面的双压电片同相或反相激励,激励出单一S₀或A₀模态。运用这种单模态的Lamb波激励方式对板中缺陷进行检测,结合椭圆成像算法与数据融合方法对压电传感器阵列接收到的多组信号进行缺陷成像。该方法有效的实现了板中缺陷的二维成像定位,检测出人工缺陷,并提高了缺陷的可识别能力和定位精度。     

强噪声下碳纤维增强树脂复合材料结构Lamb波层析损伤成像方法

Lamb波因其检测范围广、对缺陷敏感性高等特点在复合材料无损检测中广泛应用。但强噪声环境给有效信号的提取带来难度,影响损伤位置判定精度。针对该问题,提出了一种在强噪声背景下基于计盒维数和Lamb波层析成像技术的损伤定位成像方法。首先通过仿真分析了Lamb波在碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料板损伤前后传播的特性。在选定的复合材料板上均匀布置圆形传感器阵列,以粘结质量块改变结构局部刚度的形式模拟真实损伤;其次每个传感器依次作为激励器产生Lamb波,其他传感器采集有无损伤下的响应信号,采用小波变换进行信号去噪。将去噪后的信号添加不同等级的白噪声实现噪声干扰;最后采用计盒维数计算有无损伤的信号差异确定损伤因子,并通过概率成像算法实现损伤的定位成像。实验结果表明,在强噪声环境中单损伤与多损伤成像定位最大和平均误差分别为11.18 mm和6.88 mm,该方法无需信号降噪技术,且避免了多损伤时复杂反射信号的提取过程,在强噪声下复合材料损伤定位识别方面具有较大的潜力。     

超声Lamb波在缺陷处的二维散射特性研究

利用散射系数周向分布图研究了超声Lamb波在缺陷处的二维散射特性。建立了超声Lamb波与缺陷交互作用的有限元仿真模型,采用双元激励法产生单一S0模态入射信号,利用吸收边界消除边界回波的影响,采集缺陷所有方向上的散射信号并产生散射系数周向分布图。此模型的计算结果与实验结果一致,证明了模型的正确性。研究了S0模态与通孔和通透裂纹两种缺陷的交互作用,并测量了S0模态以零度角入射缺陷时的周向散射系数分布图,利用其图形特征可以进行缺陷种类识别。分析了散射场中多模态信号的能量分布,指出检测中若激励单一模态,而接收多模态信号,可以防止漏检,更有效地检测缺陷。     

直角平面边界固定半圆形夹杂对稳态入射平面SH波的散射

利用复变函数法、多极坐标及傅里叶级数展开技术求解了二维直角平面介质边界固定半圆形夹杂对稳态入射平面SH波的散射问题。首先构造出介质边界处不存在固定半圆形夹杂时的入射波场和反射波场；其次建立介质边界处存在固定半圆形夹杂时夹杂边界产生的能够自动满足直角边应力自由条件的散射波解，从而利用叠加原理可写出介质内的总波场。利用夹杂边界处位移条件和傅里叶级数展开方法列出求解散射波中未知系数的无穷代数方程组，在满足计算精度的前提下通过有限项截断，得到相应有限代数方程组的解，最后通过算例具体讨论了二维直角平面水平边界点的位移幅度比和相位随无量纲波数、入射波入射角、及夹杂位置的不同而变化的情况，结果表明了该算法的有效实用性。     

Lamb波在铝板缝类缺陷检测中的应用

为了研究Lamb波在缺陷板检测中的应用,建立非线性Lamb波检测系统。该系统用于检测具有不同深度裂纹的铝合金板和具有不同拉伸载荷循环的铝合金板。通过快速傅里叶变换(FFT)对获取的时域波形进行分析,得到两种缺陷对Lamb波非线性效应的影响。测试结果表明,对于裂纹缺陷,缺陷深度增加将增大试件超声非线性效应。当裂纹深度超过4 mm时,裂纹缺陷的非线性效应不会增加。对于疲劳裂纹缺陷,裂纹缺陷的出现也会加剧试件非线性效应,但是当试件疲劳断裂时,其宏观缺陷对非线性影响较小。     

预测地铁环境振动的三维分析模型

利用叠加原理发展了管模型,克服了管模型不能计算自由表面处的振动反应和只适用于深埋隧道的缺陷。土体中任意一点位移表示为波数-频率域的函数,经傅立叶逆变换获得空间域的反应值。应用MATLAB编制了计算程序,对振动波在隧道和土体中的传播规律进行了分析。     

基于数字图像相关方法的薄板结构振动功率流可视化

通过振动功率流法研究了薄板结构振动能量的传递特性,基于数字图像相关(DIC)方法对功率流进行可视化。结构振强定义为薄板结构单位截面上的功率流,考虑各方向上的内力及质点响应,其矢量场能够清楚指明功率流的大小和方向。通过对振强及其散度场的可视化,可以直观表征结构能量的传递路径及振源位置。基于实验方法的结构振强测量,涉及被测结构表面位移场及速度场的空间导数,因此实验精度高度依赖于测量方法的空间分辨率及信噪比。数字图像相关方法作为一种非接触式的视觉测量分析手段,可对被测结构实现空间高分辨率的全场测量,且不改变系统固有特性。获得薄板结构的全场位移及速度响应,并基于空间傅里叶变换方法,在波数域上实现对空间域数据的微分计算,得到结构振强场。该研究通过对结构振强的实验研究,实现了对薄板结构振动能量传递路径及振源的可视化识别。