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。     

聚焦超声声场中的散射体成像方法

在实验室条件下,研究了聚焦超声声场中的散射体成像问题。将一个纽扣作为散射体置于一聚焦换能器所产生的声场中,以频率为1.17MHz的脉冲信号经功率放大后激励聚焦换能器,声波作用于纽扣后发生散射,借助于三维自动扫描系统和PVDF膜片水听器,测量得到了散射声场中前三次谐波的声场分布,膜片水听器敏感元件有效尺寸为1mm。利用角谱法反演了散射体所在处的声场,通过与散射体实际的形状特征进行比较,发现反演的结果与散射体特征吻合良好,由此得出结论,在信噪比足够大的情况下,利用聚焦声场所产生出的高次谐波,可以得到分辨率较高的成像效果。     

相控聚焦超声与圆孔交互作用的散射特性研究

相较于传统超声检测,相控阵技术的声束聚焦控制能力使得相控超声检测的分辨率、信噪比和灵敏度等性能得到有效提升。但针对相控超声与缺陷的交互作用认识不足,导致目前检测技术无法对缺陷进行准确定性和精确定量。为此,建立了一维线阵相控超声检测圆孔缺陷的有限元模型,重点研究相控聚焦波束与圆孔缺陷交互作用的声场散射特性。结果表明,圆孔散射L模态的能量主要集中于正反射区和正透射区,且在透射区的能量大于反射区的能量,而在与入射声束垂直的方向上能量极其微弱,几乎没有散射能量;散射L模态沿入射方向呈轴对称分布;对于不同直径的圆孔缺陷,直径越大,在相同方向上散射波的能量越大;对于相同直径的圆孔,聚焦波与平面波入射时,散射波的分布规律相同,但聚焦波散射的能量明显高于平面波入射时散射的能量。     

多阵元合成孔径聚焦超声成像研究

对多阵元合成孔径聚焦超声成像进行了全面的研究.根据声场的辐射理论推导了多阵元孔径的声压分布,并分别对单阵元、多阵元聚焦和多阵元非聚焦的声场和缺陷响应进行了仿真,发现多阵元非聚焦的声场更适合于合成孔径聚焦超声成像,并根据这个原则进行了成像实验,结果表明在远场情况下,多阵元合成孔径聚焦超声成像可以获得比单阵元合成孔径聚焦成像更高的成像质量和分辨力.     

缺陷形貌的超声成像方法

传统超声成像方法如合成孔径聚焦技术、超声衍射时差法,只能确定缺陷的位置,无法对整个缺陷形貌进行成像。逆时偏移方法基于波动方程、有限元或有限差分等方法计算声源的正延拓声场分布和接收回波的逆时延拓声场分布,并对其采用互相关等成像条件,可以成像缺陷的形貌。针对平底狭缝铝块试样,采用多阵元超声换能器扫描,将接收数据用于成像,并与合成孔径聚焦技术的成像比较,结果很好验证了逆时偏移成像方法的优越性。     

时间反转镜DOA-AT成像算法

超声成像中广泛应用的DOA算法容易受到介质的不均匀性和多途效应的影响,纵坐标分辨率较差。在时间反转法理论的基础上,提出在随机媒质中采用时间反转镜超声成像的DOA-AT新算法。新算法通过对散射中接收信号的到达时间和响应矩阵频域奇异值进行分解,将时域内目标函数DOA估计与到达时间估计结合起来,使成像目标的纵坐标估计得到明显改善,对目标检测能力增强。     

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。     

基于统计法纹理描绘子的超声图像分割算法

超声C扫描成像中经常存在成像对比度低边缘模糊不清等现象,从而导致图像分割不完整。针对该问题,提出基于统计法纹理描绘子的图像分割算法。基于单晶探头C扫描成像中采样点之间声束重叠的特点,首先进行超声声束分析并且选取声束重叠数据;然后采用区域描绘子的相关纹理测度替代传统的幅值特征值,对采样区域中缺陷的特征信息进行描述,从而提高超声成像分辨率和对比度;最后采用数学形态学进行滤波,进一步提高缺陷的识别度。通过304不锈钢标准试块底面圆形盲孔C扫成像试验进行验证并与自适应阈值分割算法比较,实验结果显示该文算法可以得到清晰完整的缺陷分割区域,并且比自适应阈值分割算法更为有效可靠,尤其对于易忽略的小尺寸缺陷同样得到良好的分割效果。     

复合材料板脱层损伤的时间反转成像监测

基于时间反转理论,对主动Lamb波复合材料结构脱层损伤成像监测技术进行了研究。分析了时间反转方法的理论基础以及对波源的信号聚焦过程。根据信号传播自身的特性,研究采用时间反转聚焦方法使损伤散射信号能量叠加放大,从而提高信号的信噪比,分析给出了具体的损伤信号时间反转聚焦增强过程;利用时间反转法对波源的自适应聚焦能力,重建信号传播波动图,通过信号聚焦显示损伤位置和区域。在玻璃纤维复合材料板上的真实损伤实验结果表明,该方法能有效提高损伤散射信号的能量,较为准确地监测出损伤的位置、大致范围等特征。     

基于阵列探测方式的时域光声成像系统

将阵列超声探头和超声相控技术与光声成像相结合的成像系统，与采用水听器的单探头旋转扫描光声成像系统相比，避免了机械旋转机构给光声信号采集所带来的不稳定性，提高了数据采集速度．时域光声信号由64阵元线阵超声探头以电子相控聚焦的方式进行线性扫描采集，然后通过时域后向投影算法进行光声图像的重建．采用波长532nm、重复频率10Hz的脉冲激光，系统可快速重建样品内部光学吸收分部的二维图像，单帧图像数据采集时间小于200s，成像横向分辨率小于2mm．实验结果表明，采用此方法可显著提高系统对光声信号的扫描稳定性和成像效率，该系统是一种有潜在临床应用价值的光声成像系统．     

层状无砟轨道结构脱层缺陷超声成像

无砟轨道是典型的层状混凝土结构,脱层缺陷是其最常见的损伤形式,影响着高速列车的安全运行。传统的合成孔径聚焦成像方法是基于恒定声速的超声检测方法,忽略层间的声阻抗差异以及声波在层间界面处的折射,导致声束难以在缺陷处聚焦,声波在层状结构中传播的时间误差较大。鉴于此,提出了一种多层结构合成孔径聚焦成像方法,充分考虑多层结构中的层间声速差异,采用射线追踪方法准确获取声波在多层结构中的传播时间。在此基础上,分析了不同入射波模式以及不同激发频率对多层结构合成孔径聚焦成像结果的影响。结果表明：采用多层结构合成孔径聚焦成像方法,使用频率为50 kHz的横波入射成像分辨率更高,对无砟轨道脱层缺陷检测效果更好。该研究为该类缺陷检测提供了理论支撑。     

The scattering of ultrasonic third sound from substrate surface defects

The interaction of third sound with isolated surface defects is examined. Phase-inverted reflections are observed to occur at surface defects even when the wavelength of the third sound is much greater than the dimensions of the defect. The origin of the scattering mechanism is believed to be due to the change in the helium film thickness in the vicinity of the topological variations introduced by the presence of the surface defects. Data are obtained for ultrasonic frequencies in the 20–200 kHz range.     

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。     

The Use of Ultrasonic Arrays to Characterize Crack-Like Defects

The use of ultrasonic arrays to image and size crack-like defects is an important area in non-destructive evaluation. In this paper, two approaches are considered for extracting the key parameters of crack length and orientation angle. The parameters for small cracks are inferred from the scattering matrix. For larger cracks, the parameters are extracted directly from a high resolution image. The performance of both techniques is first assessed using a hybrid model to generate the full matrix of array data for a specified inspection configuration. The model combines a ray-based propagation model with scattering matrices to describe wave interaction with a defect. Good agreement is achieved between simulated and experimental results, hence validating this model-based approach. This model is then used to assess the impact of time-domain noise on the characterisation of crack-like defects. For the low-noise case, the scattering matrix approach shows good performance if the crack length is greater than 0.2 wavelengths and the image-based approach is good for crack lengths greater than 0.5 wavelengths. The scattering-matrix-based approach is found to be more sensitive to the addition of noise than the image-based approach. Finally, both techniques are demonstrated experimentally on samples containing more realistic defects.     

Signal Quality Improvement Using a New TMSSE Algorithm: Application in Delamination Detection in Composite Materials

This paper introduces a novel method to improve the quality of ultrasonic phased array signals for localizing with accuracy delamination defects. The improvement is achieved by the introduction of a new threshold for the Shannon energy. In first, we have applied the threshold modified S-transform algorithm (TMST) in the case of ultrasound B-scan. Thereafter, we have adapted and applied the S-transform Shannon energy (SSE) algorithm in the field of ultrasonic testing. At last, we have proposed a novel algorithm based on threshold modified S-transform and Shannon energy (TMSSE) to increase the improvement of the ultrasound B-scan. A simulation study has been carried out simulating a composite material containing three defects in different positions in order to highlight the phenomenon of delamination. Experimental tests were performed on a sample of carbon fiber reinforced polymer composite material (CFRP) with a delamination defect close to the front face. Both experimental and simulated results show that the proposed method can improve the quality of ultrasound B-scan which enhances the localization of delamination defects.     

基于空耦换能器的碳纤维增强环氧树脂编织复合材料激光超声检测技术

激光超声技术具有无需耦合剂、快速及高分辨等特点,适用于各向异性碳纤维增强树脂编织复合材料的缺陷检测。运用有限元法分析了激励位置和编织结构对激光点源激发超声波信号的影响,获得了弹性波在材料内部的传播规律以及能量分布特征,并采用1 MHz空气耦合换能器搭建了一套小型化、低成本的非接触激光超声C扫描成像系统,开展了斜纹和缎纹碳纤维增强树脂编织复合材料的近表微结构和内部缺陷检测实验。结果表明,基于空气耦合换能器的激光超声成像可以高精度地再现碳纤维增强树脂编织复合材料的近表树脂囊、碳纤维束形状、取向、尺寸及其内部缺陷等空间分布特征,有望为航空复合材料提供一种原位的微结构表征和缺陷检测方法。