基于神经网络的超声导波钢杆缺陷识别

利用基于BP神经网络的缺陷识别算法,从不同实验条件下获得的信号样本中抽取特征量,对钢杆中不同深度和位置的径向裂纹进行了识别。首先,采用频率为235kHz激励轴对称纵向模态导波对钢杆中的径向裂纹进行了检测。实验表明,在235kHz时获得的超声导波信号含较单一的L(0,2)模态,避免了用L(0,1)模态检测小尺寸缺陷时检测能力较弱的问题,又减少了用轴对称纵向高阶模态检测缺陷时模态较多不易分辨缺陷回波的现象。其次,利用算法对钢杆中的径向裂纹进行识别。结果表明,在已有实验样本数下,缺陷识别算法从整体上很好地识别不同深度和位置的裂纹,识别正确率稳定在87%。     

锚固条件下矿用锚索中纵向导波传播特性的实验研究

实验研究了矿用锚索的锚固段长度对纵向超声导波L(0,1)模态的衰减与群速度的影响。首先,通过简化为细直杆的钢丝中纵向超声导波的频散曲线分析了无锚固矿用锚索中该模态的传播特性。然后采用厚度振动型压电陶瓷片在水泥锚固条件下的矿用锚索中进行穿透法的实验,得出频段20-500 kHz内L(0,1)模态的幅值,确定了该压电陶瓷片对水泥锚固条件下的锚固矿用锚索的最佳导波检测频率为280 kHz。在此基础上,研究了280 kHz附近频率点下L(0,1)模态的幅值与群速度随水泥锚固段长度增加的变化规律。最后,对矿用树脂锚固条件下的矿用锚索进行了穿透法的实验,该实验结果与水泥锚固条件下的锚固矿用锚索的实验结果相符合。这些实验为利用纵向超声导波测量锚固条件下矿用锚索的长度奠定了基础。     

悬索桥缆索钢丝损伤超声导波检测数值模拟

为了实现对大跨悬索桥缆索钢丝损伤的有效检测,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,对超声导波无损检测技术进行研究。通过理论求解钢丝中导波的频散曲线,分析频散特性和波结构,选取中心频率为200 kHz的L(0,1)模态进行钢丝断丝损伤检测;利用有限元软件,研究了钢丝中导波的频散特性和波结构,通过二维傅里叶变换技术对钢丝中的低阶导波模态进行识别,进一步分析了缺陷尺寸和角度对L(0,1)模态缺陷反射系数的影响;最后,对L(0,1)模态在两根钢丝和七根钢丝的断丝处的缺陷回波进行了数值模拟。数值模拟与理论分析结果相吻合,说明低频L(0,1)模态可以有效地对缆索钢丝断丝损伤进行远距离检测。     

超声导波混频表征和定位早期局部损伤的研究进展

超声导波具有远距离传输的特性，能够快速、有效地大范围检出薄板中的损伤或缺陷。非线性超声导波相较于传统超声导波，主要研究基波与材料中微观组织演化相互作用而产生的高阶谐波，对尺寸远小于基波波长的损伤或缺陷比较敏感。其中，超声导波的二次谐波相对容易激发，已被用于定量评估早期损伤。但是，超声导波的二次谐波容易受到测量系统非线性的干扰，并且无法定位材料中的局部损伤。超声导波混频在频率、模式、传播方向的选择上具有一定的灵活性，克服了二次谐波的缺点。目前，超声导波混频在理论、模拟和实验上取得了一定的进展，已被用于表征和定位金属材料中处于早期阶段的疲劳、热老化、微裂纹、冲击损伤和局部塑性变形等。高频段超声导波混频、兰姆波相向混频和非共线混频中差频谐波或和频谐波的传播性，以及更多类型损伤的定位和表征仍有待进一步研究。     

基于Lyapunov指数的管道超声导波小缺陷定位实验研究

为了提高超声导波检测长距离管道中小缺陷的检测灵敏度,提出了基于杜芬方程最大Lyapunov指数的超声导波损伤定位方法。依据管道超声导波实测信号的采样频率、中心频率以及杜芬方程特性,设置检测系统参数,将待测信号作为杜芬方程外策动力扰动项输入杜芬方程中。通过比较杜芬系统在无信号输入和输入实测导波信号后,最大Lyapunov指数随策动力幅值F的变化,确定可用于识别导波信号的F值。利用移动窗函数给出了缺陷超声导波的波到时刻识别方法,从而给出了缺陷定位方法。实验研究表明,利用最大Lyapunov指数可有效提高超声导波的检测灵敏度。     

水下带粘弹性层输油管道中纵向导波的传播特性

采用超声导波法对海底管道进行健康监测和缺陷检测,需要研究导波在深水环境下的海底管道结构中的传播特性。该文采用全局矩阵法计算纵向导波在水下带粘弹性层输油管道中的传播位移和应力,得到频散曲线和个别模态(如α 模态与L(0,4)模态)的波结构。通过对纵向导波频散曲线和波结构的详细分析,阐述了纵向导波在水下带粘弹性层输油管道中的传播规律。这既有益于加深对导波在深水环境下的海底管道结构中传播机理的理解,也可为设计采用纵向导波进行海底输油管道损伤检测系统提供技术支撑。     

基于Lorenz系统Lyapunov指数的管道超声导波检测

为了提高长距离管道超声导波检测中弱导波信号的识别精度,提出了基于Lorenz系统Lyapunov指数的管道超声导波检测方法。基于非共振周期信号的参数激励实现Lorenz系统的混沌控制,将待测的导波信号作为参数激励的扰动项输入Lorenz检测系统中,通过对比有无导波信号输入后Lorenz系统最大Lyapunov指数的不同响应,确定适合导波信号检测的参数激励幅值;然后利用ANSYS软件和搭建的超声导波试验平台分别进行数值模拟和实验,获得超声导波在含有不同损伤个数、大小的6 m长管道中传播的数值模拟信号和试验信号,利用Lorenz检测系统识别数值模拟与实验信号;基于二分法对导波信号进行分段识别,通过定位出回波信号的时间段实现损伤定位。检测结果表明,Lorenz系统能够有效地免疫噪声并识别管道的缺陷,并且提高了管道超声导波检测的灵敏度。     

基于导波能量谱的钢绞线腐蚀损伤识别研究

通过在不同腐蚀程度钢绞线上进行超声导波试验,构建以导波的小波包能量谱作为特征向量的腐蚀指标。结果表明:随腐蚀程度增加,实测导波的小波包能量谱出现明显变化,基于小波包能量谱的腐蚀指标值随腐蚀程度增加线性增长;采用钢绞线侧面激励导波进行腐蚀状态识别,其敏感性优于钢绞线端面激励,端面激励敏感性系数K值仅为侧面激励的51. 35%,确定系数降低了6. 4%;腐蚀指标抗噪性能良好,当信噪比达到10 d B时,P1测点敏感性系数K值仅下降了5. 97%,信噪比达到0 d B的强噪声环境下,K值仍达到0. 51,较未加入噪声时相比,降幅为23. 88%;腐蚀指标受导波传播距离影响,当距离增加时,腐蚀指标的敏感性略有降低,且在低腐蚀状态下波动较大。     

混凝土分层缺陷的超声检测方法研究

为解决混凝土结构中分层缺陷的在线非接触检测难题,论文提出了利用空气耦合(简称:空耦)超声导波定量检测混凝土结构中分层缺陷的新方法。首先研究了空耦超声导波在混凝土结构中的传播特性,理论分析和实验表明,利用空耦超声波以入射角8.7°入射厚度为50 mm的混凝土板时,可以激发以A0模态为主的导波。然后构建了空耦超声导波扫查实验系统,在混凝土结构单侧利用一对倾斜8.7°的空耦探头激励和接收导波信号,通过分析发现A0模态对分层缺陷敏感,且其幅度与扫查路径中的分层缺陷尺寸存在单调变化关系;在此基础上,对检测区域进行扫查,利用不同位置处的导波信号幅度实现分层缺陷的二维成像。实验结果表明,该方法不仅可以避免耦合剂对检测结果的影响,同时可实现对服役状态下混凝土结构中分层位置及尺寸的定量检测。     

管结构导波频散曲线绘制与试验验证

从理论上分析了管道结构中三种模态簇导波的传播特性。根据推导出导波的频散方程,通过数值方法绘制出了导波的频散曲线。利用试验验证了所建立的频散曲线的有效性。在两种不同截面尺寸的管道中进行激励70kHz-200kHz范围内的纵向模态试验,结果表明L(0,2)在管结构中传播速度与理论值较吻合,对利用超声导波对管道进行无损检测具有一定实际指导意义。     

钢花管中低频纵向超声导波传播特性的试验研究

钢花管是管棚支护结构中的核心承力构件。将超声导波技术应用于钢花管的无损检测显得十分重要。首先优化选取了适用于钢花管检测的压电陶瓷片尺寸以及激励频率为30kHz的L(0,2)模态。为研究钢花管管体上的孔对低频纵向超声导波检测能力的影响,试验研究了钢花管孔数与检测信号特征之间的变化关系。结果表明:钢花管孔数的增加对频率为30kHz的L(0,2)模态回波信号幅值几乎没有影响,表明低频纵向超声导波具有对长距离钢花管无损检测的潜力;而频率为30kHz的L(0,2)模态的群速度随钢花管管体中孔的增加呈线性下降的趋势。该研究结果为基于低频超声导波技术的钢花管无损检测奠定了一定的基础。     

激光增材制造合金钢力学性能超声纵波定量无损评价

目的研究采用超声无损检测方法定量评价激光增材制造合金钢的布氏硬度和抗拉强度。方法通过搭建高精度超声纵波声时测量系统,采用脉冲反射回波法测量不同热处理状态激光增材制造24CrNiMo合金钢标定试件的超声纵波传播声时,计算超声纵波声速;在考虑激光增材制造合金钢各向异性和成形界面对超声纵波传播特性影响的基础上,研究标定试件微观组织对超声纵波声速的影响,建立标定试件激光扫描方向布氏硬度、抗拉强度、微观组织与超声纵波声速之间的映射关系。结果建立了超声纵波评价硬度及抗拉强度的标定模型,并对标定模型预测误差进行验证,硬度及抗拉强度标定模型预测误差均小于10%,满足工程应用误差指标要求。结论采用超声纵波声速可以实现激光增材制造合金钢硬度及抗拉强度的定量评价与表征。     

基于超声导波检测的角钢型材缺陷特性分析

输电线路铁塔长期暴露在大气环境之中受到腐蚀,会造成角钢型材不同位置出现壁厚减小的情况,严重时可能导致铁塔断裂倒塌.为此,对角钢型材内壁锈蚀情况的检测技术进行探究.首先,对超声兰姆波的传播机理进行分析,确定角钢型材超声兰姆波的检测模态;然后,基于有限元理论对角钢型材进行三维数值建模,通过数值模拟探究了导波在钢材中的传播特...     

SH导波在钢板缺陷检测中的传播特性

水平剪切(Shear Horizontal,SH)导波在传播的过程中有对称模式和反对称模式,其相速度和群速度主要取决于试件的厚度和频率之积(频厚积)。利用COMSOL有限元分析软件,建立了钢板缺陷的3-D模型,仿真分析了SH0导波在钢板中的传播特性。仿真结果表明SH波在传播过程中很少发生波束方向的改变,无频散和模式转换,信噪比高。利用电磁超声方法激励SH波,对钢板中的裂纹和焊缝缺陷进行了实验,验证了仿真结果的正确性及可行性,为超声导波在板材缺陷检测中的应用提供基础。     

基于干耦合横波超声换能器的钢丝长度检测及缺陷定位

在特定工况下会出现无法将超声换能器放置在杆状构件底面完成常规检测的问题，如服役桥梁的平行钢丝构件、装配式建筑中灌浆套筒内的插入钢筋。为了提高超声导波技术的适用性，提出了将频率为50 kHz的自发自收式干耦合横波超声换能器置于杆状钢丝侧面进行长度检测及缺陷定位的方法。结合理论分析、仿真模拟和试验验证开展研究，结果表明：干耦合横波超声换能器的最优激发角度为90°，即激发方向垂直钢丝轴向；对于不同长度和不同缺陷位置的钢丝，长度检测和缺陷定位的仿真及试验结果的预测相对误差均小于2%。     

Guided acoustic wave propagation for porcelain coatingcharacterization

In this paper a measurement technique to obtain dispersion curves for guided acoustic modes in porcelain-coated steel is described. The measurement is performed with two angled ultrasonic longitudinal transducers in a pitch catch configuration by employing an immersion technique. Phase velocities for the guided modes are selected through the variation of the angle formed by the transmitter beam with the surface normal vector. The excitation signal of the transmitting transducer is a narrow band pulse. For each phase velocity, the guided mode frequencies are recovered by evaluating the frequency minima of the reflection coefficient     

基于频域合成孔径聚焦的输电线路钢管杆超声导波成像检测

输电线路钢管杆结构是一种带有拔梢斜度的大口径薄壁管,超声导波周向B扫描检测传感器激发的超声导波在钢管杆传播过程中存在波束扩散现象。为了解决钢管杆超声导波检测过程中波束扩散导致周向检测分辨率降低的问题,提出了一种钢管杆超声导波频域合成孔径聚焦方法(Synthetic Aperture Focusing Technique, SAFT)。采用文中构建的超声导波合成孔径成像检测装置对直径为608 mm 的钢管杆进行超声导波扫查,可获得周B扫描图像和频域合成孔径聚焦图像。对比钢管杆周向B扫描图像和频域合成孔径聚焦图像,频域合成孔径聚焦图像中散射体和通孔的周向检测分辨率明显优于B扫描图像,文章提出的钢管杆超声导波频域合成孔径聚焦方法能够显著改善超声导波周向检测分辨率。     

Guided wave propagation in an elastic hollow cylinder coated with a viscoelastic material

The propagation of ultrasonic guided waves in an elastic hollow cylinder with a viscoelastic coating is studied. The principle motivation is to provide tools for performing a guided wave, nondestructive inspection of piping and tubing with viscoelastic coatings. The theoretical boundary value problem is solved that describes the guided wave propagation in these structures for the purpose of finding the guided wave modes that propagate with little or no attenuation. The model uses the global matrix technique to generate the dispersion equation for the longitudinal modes of a system of an arbitrary number of perfectly bonded hollow cylinders with traction-free outer surfaces. A numerical solution of the dispersion equation produces the phase velocity and attenuation dispersion curves that describe the nature of the guided wave propagation. The attenuation dispersion curves show some guided wave modes that propagate with little or no attenuation in the coated structures of interest. The wave structure is examined for two of the modes to verify that the boundary conditions are satisfied and to explain their attenuation behavior. Experimental results are produced using an array of transducers positioned circumferentially around the pipe to evaluate the accuracy of the numerical solution.