基于Lamb波频散特性的垢层厚度的检测方法

对于工业用锅炉附着污垢厚度的检测问题,提出一种基于Lamb波在双层介质中传播的频散特点对污垢厚度检测的方法。首先建立Lamb波的波动模型以及"铝板—污垢层"模型,利用数学手段求解Lamb波在双层介质中传播的特征方程,从而得出Lamb波传播的频散规律曲线,接着激发Lamb波A0模态下的超声波,并采集其传播特性,基于上述条件,最后利用电磁超声换能器激发A0状态下的超声波对垢层厚度进行检测。通过理论分析及对仿真结果观察发现,低频时,A0模态的群速度随着垢层厚度的增长而减小,高频时,A0模态的群速度随着垢层厚度的增长而增加,最后通过实验结果表明,可利用A0模态Lamb波频散特性变化的方法对锅炉垢层厚度进行检测。     

利用Lamb波检测垢层厚度的数值分析

针对锅炉垢层厚度检测的问题,提出一种通过Lamb波的频散特性检测垢层厚度的方法。首先,建立Lamb波在铝板-垢层双层弹性结构中的波动模型,利用半解析有限元法求解Lamb波的特征方程,绘制Lamb波的频散曲线。其次,建立铝板-垢层二维电磁超声仿真模型,通过电磁超声换能器在铝板中激发S0模态的Lamb波,得到不同采集点下的波形曲线。最后,通过对频散曲线和波形曲线的分析得知,随着垢层厚度的增加,低频S0模态Lamb波群速度变慢,高频S0模态Lamb波群速度变快,信号波群的幅值减小。结果表明,可利用S0模态Lamb波群速度变化及幅值变化进行锅炉垢层厚度检测。     

利用Lamb波的铝板损伤识别实验研究

由于各种外界以及内在因素,薄板结构在使用过程中会随着时间的积累发生各种类型的损伤。如何准确的找出薄板中损伤存在的位置以及判断薄板损伤的类型是个重要的课题。以纯铝板作为实验对象,以压电陶瓷作为Lamb波的发射端与接收端,采用同步触发装置以及小波变换法确定信号到达接收端PZT的时间,通过Lamb波的频散曲线来确定Lamb波的群速度,然后对采集到的信号进行小波变换滤波处理,通过健康状态、凹槽损伤状态、圆孔损伤状态响应信号时域图的对比分析来判断出薄板的损伤模式。实验结果表明应用Lamb波的主动检测技术能够有效的监测出铝板的损伤状态。     

变厚度板中水平剪切波的传播特性分析

为研究超声导波在储罐壁板等变壁厚结构中的传播特性,建立了SH波在空间自由边界中的传播模型,基于各向同性弹性介质Navier-Stokes方程,推导了变厚度板中SH波的频散方程,分析了变厚度板中水平剪切波走时t与倾斜角θ间的相互作用关系;通过简谐点源的远场响应并引入板厚与传播位移的非线性关系,得出了变厚度板中SH波的远场响应方程。在此基础上,仿真分析和实验验证了水平剪切波在不同倾斜角变厚度板中的传播特性,结果表明：在变厚度板的薄端激励水平剪切波并沿结构表面传播时,无频散现象,且无波包分离现象;但随着变厚度板倾斜角θ增大,水平剪切波的走时和接收信号幅值均逐渐递减,且呈非线性关系。     

板中Lamb波激励响应计算方法

采用基于半解析有限元的激励响应计算方法来求解薄板中Lamb波的激励响应结果,替代常规的实验方法,实现对薄板中Lamb波传播特性的仿真分析。与三维有限元仿真方法相比,采用激励响应计算方法仿真导波在波导介质中的传播过程可以节省计算量,提高效率。通过求解薄板中Lamb波的一般均质方程,基于频谱叠加原理,可以计算薄板中Lamb波激励响应结果。分别提取激励响应计算结果和实验测量数据,通过小波分析计算两种数据的Lamb波群速度。经验证,激励响应仿真计算结果与实验数据有很好的一致性,通过群速度频散曲线对比两种方法获取的数据,模态分析结论一致。激励响应计算方法还可以仿真计算任意截面波导介质中导波的传播过程,具有较好的通用性。     

基于Lamb波的金属材料涂层厚度测量

针对金属板材的涂层厚度检测问题,提出利用双层介质中Lamb波的频散效应对表层厚度变化敏感的特性,通过测量特定模态波速的变化进而实现对涂层厚度的无损检测。推导了双层结构中超声Lamb波的频散方程,得出了铝板-聚氨酯双层介质中不同涂层厚度下的导波频散曲线,分析了不同模态Lamb波群速度对涂层厚度变化的敏感程度,建立了涂层厚度与导波波速的规律性关系。最后通过对铝板上不同厚度的聚氨酯涂层进行超声导波检测实验,基于A0模态群速度与涂层厚度的线性关系计算出了涂层的厚度,误差在10μm以下,满足工程的需要。     

二维傅立叶变换在Lamb波模式识别研究中的应用

用二维傅立叶变换对实验测定的Lamb波信号进行分析。该方法是在波的传播路径方向上,对一系列等间距位置接收到的时间信号进行二维傅立叶变换。给出了各向同性和各向异性媒质中传播的Lamb波频散曲线的数值和实验结果。研究表明,二维傅立叶变换能有效地识别Lamb波模式。     

Lamb波时间反转分解损伤识别方法研究

基于主动Lamb波的结构健康监测和损伤检测是目前研究的热点之一。时间反转分解方法利用发射-接收阵列可以选择性地分别聚焦定位各个散射体.由于Lamb波传播的频散和多模式特性,导致了Lamb波时间反转传递矩阵的不对称性。基于压电激励Lamb波传播过程,分析研究了Lamb波时间反转传递矩阵显著特征值数目与散射体数目的关系,进行了Lamb波传播与损伤检测的实验研究,利用Lamb波A0和S0模式传播解析解数值反向传播,定位板中各个散射体。实验结果表明了Lamb波时间反转分解损伤识别方法的有效性,能够有效识别并定位结构损伤。     

Lamb波时间反转分解损伤识别方法研究

基于主动Lamb波的结构健康监测和损伤检测是目前研究的热点之一。时间反转分解方法利用发射-接收阵列可以选择性地分别聚焦定位各个散射体.由于Lamb波传播的频散和多模式特性,导致了Lamb波时间反转传递矩阵的不对称性。基于压电激励Lamb波传播过程,分析研究了Lamb波时间反转传递矩阵显著特征值数目与散射体数目的关系,进行了Lamb波传播与损伤检测的实验研究,利用Lamb波A0和S0模式传播解析解数值反向传播,定位板中各个散射体。实验结果表明了Lamb波时间反转分解损伤识别方法的有效性,能够有效识别并定位结构损伤。     

基于相对测量波数的线性频散信号构建方法

Lamb波损伤成像是结构健康监测领域的研究热点之一,然而由于Lamb波的频散特性,当传播距离增大时,Lamb波包很容易发生扩展和变形,从而严重影响成像结果的分辨率,因此,频散补偿是Lamb波损伤成像中急需解决的一个重要问题.本文针对传统频散补偿方法需要结构材料参数计算理论波数的局限性,提出了一种可利用较容易测得的相对波数的线性频散信号构建(LD-SC)方法.首先研究了LD-SC方法的原理和实现途径,给出了相对波数的测量过程并从理论上证明了基于相对测量波数的LD-SC可行性,然后在材料参数未知的玻璃纤维复合材料板中进行了验证实验,结果表明基于现场测得相对波数的LD-SC方法可有效消除Lamb波的频散效应,从而提高多损伤成像分辨率.     

基于波数分析的激光Lamb波缺陷检测试验研究

Lamb波的频散和多模态特性,使得利用Lamb波信号的时域或频域特征实现缺陷的定量检测具有一定的困难。基于全光学型激光超声检测系统,采用波数分析方法对铝板中缺陷开展定量检测研究。脉冲激光在固定位置激励,连续激光一维线扫描接收,获得时间-空间波场信号,Lamb波信号的传播特征以及Lamb波与缺陷之间的作用规律被直观的展现。采用二维傅里叶变换将波场信号从时间-空间域转换到频率-波数域,信号中包含的各模态可很好的识别出来。为保留空间信息,借鉴短时傅里叶变换的思想,采用短空间二维傅里叶变换得到沿扫描路径上波数的分布,从中可直观看出缺陷的位置和尺寸。进一步根据波数和频厚积之间的关系,可计算得到缺陷处铝板的厚度。试验结果表明:该方法有效实现了缺陷位置、大小以及深度的评估。     

基于激光激励技术的结构损伤成像

采用了一种新型的损伤检测技术,利用激光脉冲在板类结构中产生热弹效应,激发出板中的导波（Lamb波）。通过分析Lamb波的传播状态与损伤之间的关系,并利用Morlet复数小波变换和频散补偿能量聚焦的方法,从两个不同的角度分析信号并提取信号特征,实现了对平板结构的快速、大面积检测。实验结果表明,该系统具有较高的测量精度,能较好地检测结构缺陷。     

采用超声导波的储罐罐顶腐蚀深度检测方法

目的:目前对石油储罐的检测评估主要是针对罐底、罐壁等部位,但是对储罐罐顶的检测还没有受到足够重视。然而,储罐罐顶结构复杂,工作环境特殊易发生腐蚀,严重时会引起火灾等重大安全事故,因此,对储罐罐顶腐蚀缺陷的检测具有十分重要的意义。方法:提出基于Lamb波的反射/透射信号幅值比系数法,用于储罐罐顶腐蚀深度程度评估。通过分析腐蚀缺陷对导波的调制机理,研究了腐蚀深度与反射波和透射波信号幅值间的关系,进而推导了基于导波传播衰减特性的反射/透射信号幅值比系数理论表达式,通过数值分析和电化学腐蚀深度实验验证了腐蚀深度与幅值比系数间的关系。结果实验结果表明:导波传播衰减因子β为0.5~(1/2),1和2~(1/2)时,均能对3 mm板厚的腐蚀缺陷进行深度等级的划分;在某石化基地进行了实际测试,成功将罐顶腐蚀程度划分为了轻微、中等和严重腐蚀三个等级。结论该方法有效实现了腐蚀缺陷深度评估,可为板状结构的腐蚀缺陷程度评估提供指导。     

水平剪切波在板表面附着物厚度检测中的应用

针对板表面附着物厚度检测的问题,提出一种基于水平剪切(Shear horizontal,SH)波的检测方法,该方法利用SH波的频散效应对板表面附着物厚度变化敏感的特性,实现对表面附着物的厚度进行无损检测。建立SH波在双层结构中的波动模型,并求解出双层弹性介质中SH波的波动方程。针对工业中出现的水垢等多种附着物厚度检测实例,绘制SH波群速度随附着物厚度变化的曲线,并进一步提出SH波检测板表面附着物厚度的具体实施方法。利用该检测方法,对钢板—石灰膏涂层模拟的锅炉水垢试样进行试验研究。结论表明,通过测定低频段和高频段的SH0模态的群速度,可以分别对较厚附着层和薄厚度附着层的厚度进行检测。     

考虑波形修正的Lamb波时间-距离域映射方法

针对传统时间-距离域变换方法容易使频散补偿后的Lamb波信号波形发生畸变的问题,提出一种考虑波形修正的时间-距离域映射(TDDM)方法并用于Lamb波高分辨率多损伤成像中.首先分析了Lamb波频散特性对传感信号的影响,然后研究了TDDM方法的频散补偿原理,并对TDDM的实现进行了讨论,在讨论中给出了时间-距离域变换方法扰乱信号波形的原因.提出了基于TDDM的Lamb波高分辨率多损伤成像方法.并通过实验证明了所提方法的有效性.     

基于Lamb波的复合材料结构损伤成像研究

本文基于Lamb波和时频分析方法，提出了一种损伤成像方法，对复合材料结构进行在线的连续监测。首先通过高阶板理论建立了Lamb波在各向异性复合材料层板中随传播角度变化的频散关系，得到Lamb波的理论速度分布，为损伤成像提供基准信息；然后采用小波变换对由压电传感元件激励和接收的Lamb波信号在时频域进行分析，提取特征信息，得到散射波的能量分布；在此基础上通过考虑各向异性对Lamb波传播速度的影响，将散射波的能量分布与各个像素点的对比度关联起来，得到损伤的图像，将损伤的情况可视化。同时建立了原型结构健康监测系统，实验研究表明了本文所提出方法的可应用性和有效性。     

基于谱元法的板结构中导波传播机理与损伤识别

建立板结构的三维谱元法模型和结构-压电晶片耦合模型,对铝合金板中Lamb波的传播机理和与损伤作用规律进行研究。以单点激励力模型研究了板中Lamb波的频散关系,从理论上对所建立的模型进行了验证;基于压电晶片模型研究了在施加电压激励条件下导波的传播规律;研究单一压电晶片、板中上下表面施加同相位或反相位激励电压的两个压电晶片三种情况下结构的响应;对板中传播Lamb波的幅值与传播距离的关系进行分析;采用减小结构单元刚度的方法模拟结构中的裂纹损伤,研究Lamb波与损伤的作用;结合试验分析,验证所仿真结果结论的正确性。相对二维谱元法模型,所建立的板结构三维谱元法模型能更真实地模拟结构中导波的激励与接收以及波的传播。     

基于声-超声技术的Lamb波特性实验研究

声-超声技术是近几年发展起来的评估材料缺陷和损伤的新技术,相对于声发射技术,因其为一种主动检测技术而具有明显的优越性.对于薄板,声一超声技术是以Lamb波为其检测介质.因此,文中基于声-超声技术,以航空铝板为检测对象,对板中Lamb波的特性进行实验研究,主要利用短时均方根分析(short-time-root-mean-square,STRMS)和小波再分配尺度谱对Lamb波在铝板中的传播特性、时频特性和模态特性进行深入探讨,得到一些有价值的结论,为将声-超声技术应用于航空铝板损伤检测奠定基础.     

超声导波在圆管结构损伤定位中的应用

针对结构损伤会影响超声导波传播,提出基于超声导波无损检测的结构健康监测方法。以内径为174mm、外径为194mm、材料为20~#碳钢的圆管结构为例,根据频散方程利用数值法求解其纵向模态以及周向Lamb波频散曲线。同时考虑其频散曲线和波的结构,确定激励频率中心频率为80kHz。在此基础上进行有限元仿真,验证圆管中导波的传播机理及特征。针对此频率圆管纵向模态导波以及周向Lamb波的频散特性、波的结构比较接近,且都与板中的Lamb波相似,从而提出了单点激励、多点接收,并采用椭圆定位的方法,实现圆管结构损伤定位。通过仿真和实验验证该方法对切槽、圆孔等损伤的识别效果,并对损伤定位误差的影响因素进行了分析。     

基于PZT结Lamb波方向算法的损伤定位方法

基于Lamb波在板中的传播特性,针对复合材料的损伤检测,提出一种新型的损伤定位方法。该方法采用3个压电陶瓷片( piezoelectric transducers,简称PZT)组成PZT结,通过从各PZT中提取出损伤散射信号,找到其损伤波包到达的时间差,并依据Lamb波的传播速度得到位移差。首先,结合PZT结中各PZT的几何位置,具体推导出损伤方向算法,运用方向算法找到Lamb波在损伤位置发生散射后的其中一个传播方向,通过传播方向的交点来实现损伤位置的判定;其次,分析了互相关理论的基本原理,并运用互相关算法提取出损伤散射信号;最后,在碳纤维增强树脂基复合材料薄板上对该算法进行实验验证,求出了损伤方向以及损伤位置。验证结果表明,该方法能够对复合材料损伤进行有效的定位。