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。     

基于相移光纤光栅传感器的碳纤维增强树脂复合材料基体裂纹超声探伤

复合材料内部的微小裂纹常会引起后续严重的破坏,因此需要对其进行检测。然而超声探伤复合材料基体裂纹非常困难。本文搭建了一个具有高灵敏度、大带宽的相移光纤光栅超声传感系统,利用此系统探测了在正交铺层碳纤维增强树脂复合材料板中传播的Lamb波。对Lamb波进行数据处理发现,随着三点弯曲实验产生的基体裂纹个数增加,Lamb波的幅值和频谱峰值线性减少。通过和传统压电传感器比较表明,相移光纤光栅传感器测得的Lamb波信号随复合材料基体裂纹数的增加其幅值具有更高的下降速率,表明相移光纤光栅传感器更适合于复合材料基体裂纹的超声探伤。研究表明,新开发的传感系统能够探测到中心频率为300 kHz的微弱超声信号,并能够对碳纤维增强树脂复合材料板中微小基体裂纹个数进行精确评估。      

弹性半空间山体裂纹对弹性波的散射

利用间接边界元法(IBEM),求解了弹性半空间山体裂纹对弹性波的二维散射问题。以含裂纹的半圆山体为例,分析了不同频率弹性波入射下裂纹角度、位置、数量等因素对散射的影响规律,计算了山体表面及两侧地表的位移幅值。研究表明:裂纹的存在对山体表面位移有明显的缩放效应,随着频率的增大,裂纹角度的影响逐渐减小,裂纹数量的影响逐渐增大。P波垂直入射下,山腰处的放大效应最明显,与无裂纹山体相比,在3～5这一频段内山腰处水平位移峰值约放大2倍;SV波垂直入射下,山脚处变化最为明显,最大峰值达到1.8,比无裂纹山体增加近27%。     

最优时间延迟超声回波补偿的微磁裂纹定量计算研究

微磁裂纹信号幅值依赖于裂纹大小和裂纹深度,二者耦合对裂纹的识别计算带来较大的困难。首先运用超声回波的相位延迟技术进行裂纹的深度精确定位和形状初判,然后以此深度和形状信息对微磁信号有限元模型进行修正,解决微磁计算模型的盲搜索问题,实现裂纹的量化计算,进一步改进微磁三维成像技术,最后通过对某机翼裂纹进行成功的识别和定位,证明本方法的有效性。     

Lamb波的交叉递归分析在金属板损伤量化中的应用EI北大核心CSCD

针对金属板疲劳损伤演变的非线性动力学特性,提出了基于Lamb波交叉递归分析的疲劳裂纹量化检测方法。该方法首先从结构动力学角度采用交叉递归图分析了损伤信号与无损信号在相空间中的非线性相关性,并在此基础上采用了交叉递归量化分析(cross-recurrence quantification analysis, CRQA)特征对Lamb波信号中的裂纹损伤进行表征。接着,结合CRQA特征的状态相关性、单调性、鲁棒性及特征间的关联性进行特征的优化选择,采用支持向量描述模型对优选特征进行了融合,构建了金属板疲劳损伤的统一量化指数。最后,采用铝板随机裂纹仿真试验与铝板弯折试验对该研究提出方法进行了验证。结果表明,基于Lamb波交叉递归分析的损伤评估方法突破了Lamb波的多模态性、散射性、损伤波包的微弱性造成的损伤特征提取困难的问题,不仅能够对金属板疲劳损伤进行有效的量化评估,还具有较好的噪声鲁棒性,在复杂结构疲劳损伤检测与评估领域具有较好的应用前景。     

基于MUSIC及波束成形算法的非线性Lamb波微裂纹成像与评估EI北大核心CSCD

针对板状结构的微裂纹成像和评估问题,使用有限元分析方法在三维铝板中建立了埋藏型微裂纹,并采用对称激励的方式,在板中激励出S模态的Lamb波。利用多信号输入分类(multiple signal classification, MUSIC)算法,对传感器阵列捕捉到的信号进行处理,测算板中位于远场的微裂纹方向角。而后通过设置多组传感器阵列进行交叉定位,从而实现对板状结构中可能存在的微裂纹的大范围、高精度定位成像。以此为基础,对阵列信号进行波束成形算法处理,实现对信号的空间滤波,以减少其他方向的杂波对阵列信号的干扰;通过对处理后的阵列信号进行分析,计算其非线性参数,实现对裂纹损伤几何信息的评估。研究结果表明,该研究所构建的微裂纹定位成像算法在较高的环境噪声干扰下仍具备较好的损伤成像能力,且计算出的非线性参数与微裂纹厚度和宽度密切相关,可以有效评估微裂纹程度。     

基于相控阵激光超声的裂纹衍射增强试验研究

针对超声衍射时差法(TOFD)存在检测精度较差、区域检测可靠性不够和信号信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)低等问题,提出了一种基于光纤皮秒激光器和高速旋转镜的相控阵激光超声裂纹检测方法。利用有限元方法模拟热弹机制,建立二维瞬态激光超声力-固耦合模型产生横波与纵波在缺陷处发生的衍射现象,分析了裂纹尖端不同奇异点、声波不同中心频率和相控阵激励源不同位置对声波衍射的影响,通过衍射信号的信噪比和位移幅值两个计算指标来分析变化规律,并进行了试验验证。结果表明:数值模拟与试验结果有较好的一致性,相控阵激光源较传统单束激光源对衍射信号幅值和信噪比有明显的增强作用,纵波衍射信号信噪比较理想;衍射信号幅值随裂纹尖端奇异点增加和声波中心频率减小而增大;信噪比随尖端奇异点增加而增大,随声波中心频率一定范围增加无明显变化,随激光源距离的增加呈现先增加后减小的趋势;缺陷定量分析时计算出的裂纹长度与实际裂纹的误差均不超过6.8%。     

基于传递阻抗能量的无基准Lamb波裂纹检测

该文提出了一种获取压电陶瓷(PZT)传感器间Lamb波传递阻抗的方法,以实现对板结构裂纹的无基准快速检测。该方法从两组并排的PZT元件间提取包含Lamb波转换模式的损伤特征信号,对特征信号进行分类并求出其传递阻抗,通过比较传递阻抗的能量差异来判断裂纹是否存在。首先通过有限元仿真研究了裂纹导致的Lamb波模式转换现象以及PZT极化特性对各模式之间相对相位的影响,分析了所提出的方法的可行性;进一步通过在铝板上的实验验证了该方法的有效性。研究表明该文所提出的方法无需选择最优的激励频率和采样时间即可实现对裂纹的快速检测,具有较强的鲁棒性和适用性。     

基于谱元法的复合材料裂纹梁Lamb波传播特性研究

基于谱元法提出了一种弹簧元来模拟复合材料梁由于横向裂纹导致的轴弯耦合效应,分析复合材料裂纹梁中Lamb波的传播特性。由断裂力学的相关知识求得弹簧元的刚度,建立复合材料裂纹梁的损伤谱元模型。通过模拟复合材料裂纹梁内Lamb波传播,并和传统的有限元结果进行比较,验证了所提出模型的可行性和有效性。推导了频域内Lamb波各模态的能量计算公式,裂纹处的能量守恒证明了所提出模型的正确性,同时计算表明复合材料梁中裂纹处反射与透射的Lamb波各模态能量随着裂纹深度的变化规律具有单调性,结论可以为定量识别复合材料梁裂纹提供实用依据。     

SV波斜入射下凸起地形地震响应分析

为了分析地震波斜入射下对场地地震的影响,基于显示动力有限元法,采用黏弹性人工边界,以SV波斜入射不同坡度凸起地形,分析了不同入射角下凸起场地震动放大系数和傅里叶谱变化情况。其验证模型解析解和数值解吻合较好。数值模拟结果表明：随着斜坡坡度的增大,地震动放大系数增大,其斜坡上放大系数变化明显。X向放大系数大于Y向放大系数。频率在0.2～1 Hz的傅里叶曲线随着凸起地形坡度增加而增大;30°入射EI-centro波时,在低频段随着入射角的增大,傅里叶谱幅值呈减小趋势,高频段监测点的傅里叶谱幅值随着入射角的增大而增大,在1～10 Hz高频段,幅值变化速率最大。     

碳纤维增强复合材料层合板Lamb波衰减特性研究

为提取适用于碳纤维增强复合材料层合板声发射故障诊断的模态信号,利用三维弹性理论及传递矩阵法获得Lamb波的频散曲线。以碳纤维增强复合材料层合板为研究对象搭建实验平台,改变断铅激励位置从而获得不同声发射信号。对采集的声发射信号进行小波尺度谱分析,结合频散曲线分离出不同模式的Lamb波,分别研究其不同频率的幅度及能量衰减特性。实验结果表明,较其它信号,低频率S0波幅度信号衰减速度较低,对碳纤维增强复合材料层合板的声发射故障诊断研究具有较大优势。     

Tsallis Distribution-Based Fractional Derivative Method for Lamb Wave Signal Recovery

A new fractional derivative method based on the Tsallis distribution function is developed to recover the Lamb wave signals from the noisy Lamb wave signals. After the fractional derivative of the amplitude spectrum of the noisy Lamb signal at different derivative orders, the quartic polynomial function between the peak amplitude and the derivative order as well as that between the peak frequency and the derivative order is proposed based on the Tsallis distribution function. Then, the characteristic parameters of the amplitude spectrum are deduced by using the proposed polynomial relationship. Finally, the noise-free Lamb wave signal is recovered based on the characteristic parameters. Simulated results indicate that the Lamb wave signals can be recovered in the case of the white noise, the transient noise and the sine wave signal. Experimental results confirm the validity of the method. Consequently, the developed method can recover the Lamb wave signals effectively.     

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。     

The scattering of oblique flexural waves of a cracked conducting plate in a uniform magnetic field

Summary Following a classical plate bending theory for magneto-elastic interactions under quasistatic electromagnetic field, we consider the scattering of time harmonic flexural waves by a through crack in a conducting plate under a uniform magnetic field normal to the crack surface. It is assumed that the plate has the finite electric conductivity, and the electric and magnetic permeabilities of the free space. An incident wave giving rise to moments symmetric about the crack plane is applied in an arbitrary direction. Fourier transform method is used to solve the mixed boundary value problem which reduces to a pair of dual integral equations. These dual integral equations are further reduced to a Fredholm integral equation of the second kind. The dynamic moment intensity factor versus frequency for several values of incident angle is computed and the influence of the magnetic field on the normalized values is displayed graphically.     

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。     

薄板钢结构超声检测Lamb波激励与模态分析

运用超声Lamb波对薄板钢结构进行检测,采用斜入射方式实施Lamb波的激励,并对检测信号进行模态分析。经实验发现选择合适的频率/入射角组合可实现对Lamb波模态的选择和控制,实现对检测对象的检测策略,并具有一定的工程应用价值。     

A lamb wave source based on the resonant cavity of phononic-crystal plates

In this paper, we propose a Lamb wave source that is based on the resonant cavity of a phononic-crystal plate. The phononic-crystal plate is composed of tungsten cylinders that form square lattices in a silicon plate, and the resonant cavity is created by arranging defects inside the periodic structure. The dispersion, transmission, and displacement of Lamb waves are analyzed by the finite-difference time-domain (FDTD) method. The eigenmodes inside the cavities of the phononic-crystal plate are identified as resonant modes. The fundamental and higher order resonant modes, which vary with the length of cavities, are calculated. By exciting the specific resonant mode in an asymmetric cavity, the 232.40 MHz flexural Lamb wave has a magnified amplitude of 78 times larger than the normal one. Thus, the cavity on the tungsten/ silicon phononic-crystal plate may serve as a source element in a microscale acoustic wave device.     

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。     

用二维傅里叶变换识别兰姆波模式的研究

本文用二维傅里叶变换信号处理进行了兰姆波模式分析。通过理论计算与实验结果的比较表明,二维傅里叶变换技术能有效地分析识别兰姆波模式。实验中,采用直探用与可变角探头作为超声波换能器做了接收宽带兰姆波信号的对比。     

含表面裂纹板的振动功率流特性研究

从结构噪声的观点研究了在简谐力作用下含有表面裂纹板的振动功率流特性。由于裂纹的存在,导致了板在裂纹两边转角的不连续性,运用断裂力学的理论得到裂纹导致的附加转角。利用力作用处以及裂纹处的连续性条件推导出了含裂纹板中的弯曲波运动并得到输入功率流以及传播功率流。通过对完善板与裂纹板的输入功率流与传递功率流的对比,表明板中裂纹的存在改变了板原有的振动功率流特性,裂纹的特性参数可以通过板的输入功率流和传播功率流来反映。通过构造裂纹板的输入功率流的等值线图给出了识别板中的裂纹的方法。