基于十字形阵列和2D-MUSIC算法的Lamb波检测

采用由压电传感器组成的十字形阵列进行Lamb波信号的激励和接收,提出一种二维多重信号分类（2D-MUSIC）方法对铝板中的缺陷进行定位检测。选用合适的频率激励产生单一模态信号,可避免多模态的影响,降低Lamb波的频散;利用2D-MUSIC算法对接收信号进行分段处理,并结合反射信号和二维导向矢量对铝板中的缺陷进行定位。结果表明,提出的2D-MUSIC算法对铝板中的缺陷定位比传统MUSIC算法更精准。     

基于全向型S_0模态磁致伸缩传感器的无参考缺陷成像方法研究

Lamb波具有传播距离远、衰减小等优点,能在板结构中实现大范围、高效率的损伤检测和监测,在无损检测和结构健康监测领域具有极大的应用潜力。针对板结构大范围健康监测问题,为了能周向一致地激励出模态单一Lamb波S0模态,提高缺陷成像能力,基于磁致伸缩效应,设计并制作一种全向型S0模态磁致伸缩传感器,由印刷电路板线圈,圆柱磁铁,圆形镍片组成。试验验证研制的传感器能够在铝板中有效激励出单一的S0模态,并测试其频率响应特性以及全向性,结果表明设计传感器中心频率为365 k Hz,并具有较好的全向性。进一步利用研制的全向型S0模态磁致伸缩型传感器组成稀疏传感器阵列。采用自激自收的方式对铝板结构中缺陷进行检测。利用离散圆弧成像与数据融合算法相结合的方法对多组数据进行处理,消除常规的稀疏传感器阵列成像时对结构健康状况下的信号依赖,无需健康状况下的信号作为参考,实现了在板结构中缺陷的定位和成像。     

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。     

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.     

基于单方向周向兰姆波超声换能器铝管的缺陷定位

用于管道周向超声检测时,管材的对称结构和传统的电磁超声换能器(Electromagnetic Acoustic Transducer,EMAT)的多方向发射特性、以及缺陷两侧可同时产生反射等使得采集的回波信号十分复杂,并且难以保证回波信号和缺陷位置对应关系的唯一性。设计了用于管道周向检测的单方向EMAT,建立了有限元模型,仿真实现了周向Lamb波的单方向激励和传播过程,分析了单方向周向Lamb波在管道内的传播规律;在此基础上,研究了换能器位置、缺陷位置与超声传播路径之间的关系,得到了一种用于管材缺陷的定位方法,回波信号对应唯一缺陷位置。最后,对铝管管道上各位置缺陷进行了仿真、实验研究,证明了本方法的正确性和可行性。     

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。     

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。     

Lamb波与缺陷相互作用的散射特性研究

结构健康监测和无损检测目的是缺陷的识别和定位分析。对于超声导波缺陷检测,关键是要探讨导波与缺陷之间相互作用时的散射特性。利用边界元和模态扩展相结合的方法(BEM-NEMT),本文探讨Lamb波与不同类型缺陷间相互作用的散射特性。在此基础上,详细讨论了分析模型缺陷的尺寸和锐度、不同激发频率和入射模态、缺陷的几何对称性等对Lamb波散射特性的影响,分析结果可为各零部件(如内燃机)缺陷的识别、检测模态和频率的选取提供依据,降低研制周期和成本,从而提高产品性能、功能得到一定的价值效果。     

空气耦合Lamb波在单晶硅中的传播特性和缺陷检测研究

单晶硅是制造硅太阳能电池的主要材料之一,但其中的各类缺陷对其光电转换效率影响颇大。针对这些问题,采用空气耦合Lamb波检测方法对单晶硅产品的质量进行快速评价。理论计算Lamb波在各向异性的单晶硅中的频散曲线,得到Lamb波在不同方向上的理论速度分布;利用空气耦合超声传感器在(001)晶面的单晶硅中激励出A0模态的Lamb波,研究200 k Hz频率下Lamb波的入射角度与信号幅值的关系,确定最优入射角度为13°。采用相位谱的方法计算A0模态的相速度,试验结果与理论值吻合良好。利用波包幅值法和相关函数法分别计算A0模态的群速度,结果说明相关函数法测得的群速度与理论值误差更小;采用扫描方法对单晶硅进行缺陷检测,通过计算接收信号与参考信号的相关系数,确定出缺陷的位置和大小。     

基于电磁超声换能器阵列的管道螺旋导波传播规律研究

螺旋导波因在管道超声导波层析成像中的巨大应用价值,近年来受到研究者们的重视。阐述管道螺旋导波的激发/接收条件、传播路径和波前形状等规律。建立FE模型,研究由圆环波前S₀模态兰姆波在管道上形成螺旋导波的过程。组建了双环24阵元的电磁超声换能器阵列及试验系统,170 kHz下激发圆环波前S₀模态兰姆波在管道中产生螺旋导波,试验研究了激励源所在圆周及管段上的波动场信号特征。仿真和试验结果表明,管道螺旋导波实质上是兰姆波在曲面上的传播形态,可由管道某处点源激发兰姆波产生,主要存在于波动场的近场。由于管道结构的封闭性,兰姆波的波前在管道上反复交叉前行,形成了螺旋传播路径。从波源到管道上任意一点的螺旋导波传播路径有无数条,各阶螺旋角不连续。利用螺旋导波进行管段检测提供了缺陷的多角度入射信息,对缺陷高分辨率检测具有重要意义。     

基于编码压缩的钢板电磁超声 Lamb 波检测方法研究

针对大型金属板材构件导波检测中EMAT分辨率低、SNR差,难以用于小裂纹检测等难题,建立了基于Barker码脉冲压缩技术的Lamb波EMAT检测过程多物理场有限元模型,以含预制裂纹的5.6 mm厚钢板为检测对象,仿真和实验相结合,研究了永磁体宽度和高度、曲折线圈匝数、Barker码序列长度和码元长度等参数对EMAT检测回波的影响,验证了脉冲压缩技术在Lamb波EMAT检测中的有益效果。结果表明,基于脉冲压缩技术的EMAT经优化后,SNR比传统tone-burst激励方式高出了9.69 dB,可检出10 mm长和0.5 mm深的小裂纹,缺陷波SNR为23.47 dB。当Barker码码元中心频率为1 MHz时,脉冲压缩后的Lamb波包发生模态分离,但A₀模态的缺陷波SNR仍可达35.23 dB,这对提升Lamb波EMAT检测能力具有重要的工程应用价值。     

FOULING DETECTION IN FOOD VESSELS USING INTERDIGITAL LAMB WAVE TRANSDUCER

Lamb waves are used to detect fouling in food vessels. The propagation of the Lamb waves in plates exhibits many modes and dispersion characteristics, which have great influence on fouling detection. The relative distribution of the in-plane and out-of-plane displacement of the mode across the thickness of the plate will determine the sensitivity of the mode to a particular loading condition. By considering the dispersion and multi-mode characteristics of guided waves, an interdigital polyvinylidene fluoride (PVDF) transducer is designed to realize the mode selection of guided waves, and a single a0 mode is used for guided wave detection. Fouling detection experiments are conducted in the laboratory using epoxy adhesive on a thin plate. Using the interdigital PVDF transducer, three fouled areas are detected. Using one of the time-frequency analysis methods, the waveforms are further processed. This also demonstrates the validity of this method of fouling detection.     

A Stoneley wave method to detect interlaminar damage of metal layer composite pipe

The interlaminar defect is a major form of damage in metal layer composite pipes which are widely used in petroleum and chemical industry. In this paper, a Stoneley wave method is presented to detect interlaminar damage in laminated pipe structure. Stoneley wave possesses some good characteristics, such as high energy and large displacement at the interface and non-dispersive in the high-frequency, so the sensitivity of detecting interlaminar damage can be improved and the higher frequency can be used in damage detection compared with Lamb waves. Additionally, as the frequency increases, the wavelength of the Stoneley wave reduces. Thus, its ability to detect small defects at the interface is enhanced. Finite element model of metal layer composite pipe with interlaminar damage is used to simulate wave propagation of Lamb waves and Stoneley wave, respectively. The damage location is calculated by using the Stoneley wave signal obtained from finite element model, and then the results are compared with the actual damage locations. The simulation examples demonstrate that the Stoneley wave method can better identify the interlaminar damage in laminated pipe structure compared with Lamb waves.     

基于Lamb波传播路径分析的复合材料板中缺陷成像*

板型波导结构中的缺陷对Lamb波的传播会产生干扰,接收信号受干扰程度与缺陷和激励、接收传感器路径间的相对距离有关。提出一种基于Lamb波传播路径分析的多频率数据融合缺陷检测方法,对复合材料板中缺陷区域进行成像。采用压电传感器进行Chirp信号激励,由Chirp激励响应计算出具有不同中心频率的Tone burst信号,为成像算法提供多频率缺陷信息。对各信号中首次抵达波的包络峰值进行分析,确定缺陷所在位置同激励接收路径间的关系。选择同缺陷所在路径具有相近Lamb波传播速度的路径作为关注路径,结合椭圆成像算法和该路径中的缺陷散射信号信息计算出缺陷所在的椭圆轨迹。引入椭圆轨迹计算误差容限,对计算得到的不同频率下的椭圆轨迹进行筛选,将筛选后的椭圆轨迹进行融合实现缺陷区域成像。通过对复合材料板中缺陷区域的试验检测,验证了所提算法的可行性。     

基于密集阵列的参数化Lamb波检测技术研究

Lamb波具有衰减慢、模态多、对结构几何特性和材料属性变化敏感等特点,在大型板壳结构的远距离、大范围快速检测技术研究领域得到了众多的关注。传统Lamb波成像算法将多组散射信号时间相关参数映射到结构每一个离散空间网格上实现缺陷信息的可视化。该类算法的执行效率低,且无法直接提供缺陷位置参数信息。将缺陷成像问题转换为散射信号源点求解问题进行分析,提出一种基于十字形密集阵列的参数化Lamb波检测技术。首先基于时飞原理建立散射信号源点求解函数模型;并提出一种融合烟火算法和统计分析技术的信号源点求解函数模型分析算法,实现缺陷空间位置的参数化分析。最后通过有限元模型和试验验证了所提出的检测技术对不同角度裂纹缺陷检测的有效性,并分析了模型参数设置对检测效果的影响。     

基于压电纤维传感器的Lamb波传播方向识别

利用压电纤维对Lamb波传感的良好方向性,将3根压电纤维按0°,45°和90°布置并固化在聚合物基体中,制成压电纤维传感器用于检测Lamb波传播方向。理论推导了窄带激励下压电纤维对Lamb波的方向传感响应特性,通过压电耦合仿真分析和实验测试研究了不同频率下压电纤维的方向传感特性,提出了一种基于误差函数的主应变方向估计方法,分析对比了直角三角形(0°,45°,90°)、Y形(0°,120°,240°)和等边三角形(0°,60°,120°)3种压电纤维布置方案下主应变方向识别结果。研究结果表明,压电纤维传感器具有良好的Lamb波传播方向检测性能,可为无需Lamb波波速的缺陷识别方法提供传感技术支持。     

板结构裂纹兰姆波阵列复合成像方法研究

针对板结构中裂纹方向识别及定量检测问题,提出了一种板结构兰姆波阵列复合成像方法。利用超声阵列采集的单模态兰姆波全矩阵数据,分别提取其幅值信息和极性信息,进行全聚焦成像和极性一致成像,并利用极性一致成像对全聚焦成像进行了加权处理;对全阵列进行子阵列划分,计算出各子阵列的特征矢量,并进行加权合成,得到矢量全聚焦成像;利用全聚焦成像的强度信息和矢量全聚焦成像的方向信息,综合得到兰姆波阵列的复合成像,并从中提取出缺陷的方向及空间分布范围等信息。实验结果表明,提出的兰姆波阵列复合成像方法可以很好地实现板中多个裂纹方向识别,其角度测量误差在20%以内。本文工作为裂纹缺陷识别及定量检测做了有益探索。     

复合材料板Chirp激励的Lamb波成像技术研究

作为一种快速、高效的无损检测方法,Lamb波技术在结构健康监测领域具有巨大的应用潜力并受到广泛关注。采用线性宽带Chirp信号作为激励信号,替代传统的窄带Tone burst信号。响应信号经过后处理可以解调出其带宽范围内任意中心频率的等效Tone burst响应信号。优化设计一种压电传感器,能够在低频段激励和接收纯净的A0模态。由于A0模态对板中缺陷非常敏感,使信号更便于分析。将这种传感器按照稀疏阵列的形式布置于准各向同性复合材料板上,对模拟缺陷进行检测。通过实验所得Chirp信号的检测数据解调出多个中心频率下的响应信号,结合椭圆成像技术和数据融合方法进行缺陷成像,实现了板中缺陷定位,并且多个频率下响应信号融合后的成像结果具有更高的分辨率、对比度和定位精度。