基于Bayesian理论的无参考信号主动Lamb波损伤定位方法

目前主动Lamb波损伤检测方法大都基于健康状态下的参考信号以获取损伤散射信号,并采用确定性的方法进行损伤定位,在适用性方面受到较大影响。基于Lamb波的时间反转聚焦原理,考虑损伤定位过程中的不确定性因素,发展了一种基于Bayesian理论的无参考信号主动Lamb波损伤定位方法。根据时反聚焦信号中主、旁瓣波包峰值的相对时刻,提取各测量通道损伤散射信号传播时间与直达波传播的时间之差作为样本,并基于Bayesian理论,获得损伤位置、波速等未知参数的联合后验概率分布,再利用马尔科夫链蒙特卡洛(MCMC)方法在后验分布中对未知参数进行采样估计,得到马尔科夫链的极限分布即未知参数的后验分布。通过对一铝质矩形薄板的数值仿真和模型实验研究结果表明,该方法能够较为准确地识别出损伤位置、波传播速度及其不确定性。     

基于虚拟时间反转的高分辨率复合材料板结构损伤成像

针对传统时间反转(TR)方法消除Lamb波传播时间和操作复杂的问题, 提出了虚拟时间反转(VTR)方法。该方法采用换元激励和接收机制以保留时间信息, 并运用信号运算代替物理TR操作。讨论了基于阶跃激励获取损伤监测路径传递函数的VTR实现过程。提出了基于VTR的高分辨率损伤成像方法。为了降低复合材料各向异性的影响, 在成像中进行了速度修正。实验结果表明, VTR方法能对碳纤维复合材料板中的Lamb波损伤散射波包进行部分再压缩和TR聚焦, 通过本文中成像方法也能清晰显示出板中单个和两个近邻损伤。     

基于Shannon复数小波的复合材料结构时间反转聚焦多损伤成像方法

研究了一种基于压电传感器阵列和主动Lamb波的结构损伤成像方法,有助于克服Lamb波在板结构中、特别是在复合材料板结构中存在的频散、多种模式及模式转换的现象给结构健康监测带来的困难。分析了结构多损伤散射信号的时间反转聚焦原理,在此基础上提出了一种基于Shannon复数小波和时间反转聚焦的信号合成成像方法。该方法中,确定Lamb波响应信号的到达时刻是信号能够准确聚焦的关键因素之一。提出了利用Shannon复数小波变换计算Lamb波响应信号到达时刻的方法。在碳纤维复合材料板结构上对整套信号合成成像方法进行了验证。研究结果表明,该方法能够有效地对同一个监测区域中的多个损伤进行成像定位。相对于30 cm×30 cm的监测区域,定位误差不超过2 cm。该方法有助于结构健康监测技术的工程应用。     

多缺陷兰姆波拓扑成像

将时间反转理论与拓扑优化思想结合在一起,引入了直接声场和伴随声场的概念。通过将时间反转后的兰姆波散射信号作为伴随声场中的二次激励源,实现了信号在缺陷处的聚焦,并根据时域拓扑能量公式计算出检测区域内各点的拓扑能量值,从而对薄板内多缺陷进行表征。有限元仿真和实验表明：在多缺陷情形下,延迟叠加法（Delay and Sum,DAS）因受瑞利准则的约束而在缺陷间距小于分辨率阈值时,无法对缺陷位置进行定位;时域拓扑能量法通过兰姆波时间反转聚焦、图像融合,不仅提高了缺陷检测分辨率,还消除了多模式、有噪声环境下伪像的干扰。有效推动了兰姆波在板类结构无损检测中的应用。     

一种改进的近邻多损伤“移相叠加”成像方法

近邻多损伤成像是Lamb波成像研究中的一个难点。在传统“移相叠加”方法基础上提出一种改进的近邻多损伤成像方法。为了避免或减轻相邻损伤散射信号间的混叠,该方法利用双面激励产生较高空间分辨率的单模式Lamb波监测信号。同时,根据Lamb波在传播中的能量衰减情况,引入衰减补偿因子来减小监测信号对不同位置监测灵敏度的差异。理论分析和实验均证明了上述两处改进对于提高近邻多损伤成像质量的有效性。     

多盲孔缺陷的超声兰姆波时域拓扑能量成像方法研究

传统超声成像方法受瑞利准则的约束，难以对缺陷间距小于成像分辨率阈值的多缺陷进行成像。提出了一种基于时域拓扑能量的超声兰姆波成像方法，将逆散射拓扑成像方法中的拓扑渐进过程转换成求解直接声场和伴随声场。然后通过将伴随声场进行时间反转，两个声场将具有在缺陷处聚焦，在非缺陷处不聚焦的特性。将直接声场和伴随声场进行融合，以时域拓扑能量值作为像素值进行成像，从而使表征缺陷的精度较高。建立了缺陷间距小于分辨率阈值的多盲孔缺陷有限元模型，通过“一发多收”的方式激发S0模式和采集缺陷散射信号，并进行时域拓扑能量成像。仿真结果表明：对于多盲孔缺陷，时域拓扑能量成像法能够获得比延时叠加法和时间反转成像法更高的分辨率，并且能在缺陷间距小于成像分辨率阈值时进行成像。     

时间反转在列车转向架声发射源定位中的应用

针对高速列车转向架的动态检测提出一种新的损伤声源定位方法,采用声发射检测技术对转向架易损伤的焊接部位进行时间反转定位方法研究。首先利用有限元软件建立转向架焊接部位结构有限元模型;然后在模型上模拟发出一个声发射损伤信号,通过预置的声发射传感器接收声发射源信号;最后根据时间反转聚焦原理对接收信号进行处理,并通过检测区域成像,确定损伤声发射源的准确位置。数值仿真实验结果表明:该定位方法能够准确定位声源位置,定位结果比常规四点圆弧法更精确。     

基于振动声调制和时间反转法的微裂纹定位检测研究

针对常规超声检测对闭合微裂纹不敏感的现象,开展了基于振动声调制技术的非线性超声检测研究,并引入时间反转法对检测信号中的非线性信号进行聚焦处理,实现闭合微裂纹的检测及定位。利用ABAQUS有限元软件仿真振动声调制技术检测铝管微裂纹,用有限长冲激响应滤波器提取检测信号中的一阶旁瓣非线性信号,在时域反转后重新加载到无裂纹铝管模型进行时反信号聚焦仿真。结果表明,振动声调制检测信号中的一阶旁瓣非线性信号能够在裂纹位置附近聚焦,管道径向布置的时间反转信号加载方式信号聚焦效果优于轴向布置,并且根据聚焦像的大小和位置可以对裂纹进行定量和定位。     

主动时间反转聚焦技术

时间反转（时反）是声互易性原理的应用之一，它可以使能量在空间和时间上得到聚焦，通过这种聚焦可得到声源位置并实现声源信号的重构。将此技术应用到主动探测中，特别是对于海底小目标的检测与识别中，将目标看作是二次辐射声源，利用时反技术使能量在目标处聚焦，由此检测到目标。     

基于超声散射回波的组织损伤程度监测方法

高强度聚焦超声(HIFU)治疗肿瘤过程中,根据组织损伤程度调整HIFU治疗剂量非常重要.本文从信号处理的角度出发,提出基于超声散射回波能量和声衰减系数并结合BP神经网络监测生物组织损伤程度的方法.将高强度聚焦超声打击新鲜猪肉组织前后获得的散射回波通过A/D转换输入到计算机,对接收到的组织散射回波信号进行预处理,再从中提取出超声散射回波能量和声衰减系数参量信息,比较不同参量对损伤程度的辨识效果.实验结果表明:综合超声散射回波能量和声衰减系数特征并输入BP神经网络,相对于仅使用某种特征参数而言能更好地监测HIFU治疗中生物组织的损伤程度,尤其在组织损伤严重时优势更加明显.     

Single Mode Tuning Effects on Lamb Wave Time Reversal with Piezoelectric Wafer Active Sensors for Structural Health Monitoring

Lamb wave time reversal method is a new and tempting baseline-free damage detection technique for structural health monitoring. With this method, certain types of damage can be detected without baseline data. However, the application of this method using piezoelectric wafer active sensors (PWAS) is complicated by the existence of at least two Lamb wave modes at any given frequency, and by the dispersion nature of the Lamb wave modes existing in thin-wall structures. The theory of PWAS-related Lamb wave time reversal has not yet been fully studied. This paper addresses this problem by developing a theoretical model for the analysis of PWAS-related Lamb wave time reversal based on the exact solutions of the Rayleigh-Lamb wave equation. The theoretical model is first used to predict the existence of single-mode Lamb waves. Then the time reversal behavior of single-mode and two-mode Lamb waves is studied numerically. The advantages of single-mode tuning in the application of time reversal damage detection are highlighted. The validity of the proposed theoretical model is verified through experimental studies. In addition, a similarity metric for judging time invariance of Lamb wave time reversal is presented. It is shown that, under certain condition, the use of PWAS-tuned single-mode Lamb waves can greatly improve the effectiveness of the time-reversal damage detection procedure.     

基于时间反转加权分布的复合材料Lamb波损伤成像

超声Lamb波是检测板状结构损伤的常用方法,然而碳纤维增强聚合物基复合材料（Carbon Fiber ReinforcedPlastics,CFRP）本身的各向异性会对Lamb波的损伤成像和定位造成很大的影响。且大多数检测方法均采用健康结构的检测信号作为参考信号,用差信号的方法来实现损伤成像,该过程容易受到待测结构和实验环境变化等外界因素的影响。针对该问题,采用时间反转和加权分布成像相结合的方法,将其应用在复合材料板状结构的Lamb波损伤检测和成像中。仿真结果表明,该方法能够有效地实现板中单源脱层损伤和多源脱层损伤的二维成像与定位,且具有较高的精度和准确性。     

Visualization of Fatigue Cracks at Structural Members Using a Pulsed Laser Scanning System

In this research, a noncontact nondestructive testing (NDT) method is proposed to detect the fatigue crack and to identify the location of the damage. To achieve this goal, Lamb wave propagation of a plate-like structure, which is induced by scanning laser source actuation system, is analyzed. A ND:YAG pulsed laser system is used to generate Lamb wave exerted at the multiple points of a steel coupon, and a piezoelectric sensor is installed to measure the structural responses. Multiple time signals measured by the piezoelectric sensor are aligned along the vertical and horizontal axes corresponding to laser impinging points so that 3-dimensional data can be constructed. Then, the 3-dimensional data is sliced along the time axis to visualize the wave propagation. The scattering of Lamb wave due to the damage can be described in the wave propagation image, and hence the damage can be localized and quantified. Damage-sensitive features, which are reflected wave from the damage, are clearly extracted by wave-number filtering based on the 3-dimensional Fourier transform of the visualized data. Structural members with fatigue cracks are investigated to verify the effectiveness and the robustness of the proposed NDT approach.     

Effects of local stiffness changes and delamination on Lamb wave transmission using surface-mounted piezoelectric transducers

The paper presents a set of numerical results on the use of surface mounted piezoelectric transducers to analyse the effects of impact damage and delamination of plate-like structures on the Lamb wave mode. The effects of the size, properties and orientation of the damage upon a propagating Lamb wave is qualitatively determined. In this paper, impact damage was simulated by a local change in the stiffness of the material in the structure and a delamination. The effects on the transmission of the incident Lamb wave when it propagates through a region of change in density are analysed. This paper will also demonstrate how the properties of a propagating Lamb wave can be affected by the existence of a delamination in a plate.     

应用Poisson板理论求解S0兰姆波在通孔缺陷的散射

为降低3D精确理论散射场求解的复杂性和计算成本,应用Poisson板理论描述面内波模式,给出了S0波在各向同性板中受通孔散射的近似模型。该理论利用波函数展开技术以及孔边缘的边界条件,得到了S0和SH0模式的散射远场。将Poisson板理论与3D精确理论进行比较,两者在低频情况下具有较好的一致性。考察了两个基本导波模式在不同尺寸孔的散射特性,发现它们的散射波幅值在某些散射方向随孔径呈线性变换,该结果为兰姆波无损评价提供了依据。     

表面裂纹的激光超声可视化兰姆波检测研究

兰姆波在板材的缺陷检测中具有重要的地位,但兰姆波在裂纹检测过程的可视化实验研究较少。通过激光超声可视化技术,观察了激光激励出的宽频兰姆波在0.4 mm深、0.2 mm宽的裂纹上的反射和透射现象;并利用带通滤波技术,研究了不同中心频率的兰姆波在裂纹上的散射特性。结果发现:兰姆波在裂纹上发生了模态转换现象,出现了传播速度较快的兰姆波模态;并随着兰姆波频率的增加,反射兰姆波的能量增强。该研究为板中裂纹的兰姆波检测提供了实验参考。     

基于Lamb波和Hilbert变换的复合材料T型加筋损伤监测

为了监测整体成型复合材料结构的损伤,提出了一种基于Lamb波和Hilbert变换的能量损伤指数。首先,通过应用Hilbert变换提取Lamb波信号的波形包络;然后选取具有最大峰值的波包,将此波包在结构出现损伤后的能量变化值与损伤前的能量之比作为损伤指示;该方法不需要选择特定的Lamb波模式,克服了Lamb波在复合材料结构中存在的频散、多模式及模式转换给信号分析带来的困难;最后在复合材料T型加筋的损伤演化试验中,对该能量损伤指数进行了应用验证研究。研究结果表明：该能量损伤指数可以用于复合材料T型加筋的损伤监测,当能量损伤指数（EDI）值达到0.62时,所研究的复合材料T型加筋确定有损伤产生。