振动声激发超声导波评估皮质骨厚度的研究

利用振动声激发超声导波来评价长骨是一种较新的思路。基于超声轴向传播方法,首先通过三维有限元法对导波在长骨中的传播进行建模仿真,再根据接收波形求解0A导波模式的相速度,最后依据理论相速度频散曲线得出皮质骨厚度。对不同厚度(2~6 mm)的骨板仿真的结果表明,皮质骨厚度估计的平均误差仅为2.61%。所提出的方法能够有效评估皮质骨厚度,对发展超声导波反演长骨的新技术具有一定意义,同时为临床超声导波长骨诊断的研究提供了新的思路。     

管道中T(0,1)模态导波检测技术的发展与应用现状

超声导波具有检测速度快、检测范围广等优点,被广泛应用于各类缺陷的检测。而扭转模态作为超声导波的一种对称模态,具有频散小、能量集中、信号单一且易于分析的特点。综述了近年来扭转模态的发展历程,从T （0,1）扭转导波的传播与检测原理入手,对比各类激励探头的激励原理与效果,并对其进行优缺点分析。通过分析导波模态的选取原则和导波在单层管道、双层管道和充液管道中传播的性质,总结激励频率、液体粘度、液体密度等因素对扭转模态导波在管道中传播的影响,进而明确扭转模态的适用范围及适用的信号处理方法,对于今后扭转模态的发展具有借鉴意义。     

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。     

基于改进时间反转法的超声导波检测系统构建

针对目前国内自主研制超声导波检测设备能力不足以及常规超声导波检测灵敏度较低等问题,构建一种基于改进时间反转法的超声导波检测系统。利用超声导波线性叠加性,单独激励时间反转信号,再线性叠加检测信号,在LabVIEW环境下,开发基于NEXTKIT信号万用仪和NI PXI-6331采集卡的超声导波时间反转检测系统。实验结果表明:纯净的时间反转信号是获得良好聚焦效果的前提,为窗宽选择提供依据,有效提高小缺陷反射回波信号幅值,为设备小型化提供可能。     

基于希尔伯特-黄变换测量超声导波的群速度及材料厚度

采用超声导波的速度评价长骨状况是近年来的一个研究热点。提出了采用希尔伯特黄变换法分析长骨仿体中超声导波模式的群速度,并由群速度得到长骨仿体厚度。研究结果表明,实验测得的厚度与实际厚度相吻合,说明希尔伯特黄变换（HHT）可用于测量超声导波的群速度及其被测材料的厚度。     

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。     

弯曲模式F(1,3)在管材中的位移分布

1引言 由于各种管道的广泛应用,管道的长距离超声导波快速检测研究近年来受到国内外无损检测学者的极大关注[1-3].在实际应用中,很难产生纯粹的轴对称模式,非轴对称导波模式常伴随轴对称导波模式而产生,且有些模式的频散曲线与轴对称模式的非常接近[2];另一方面,管状结构中的缺陷常常是非轴对称的.即使激励了单一模式的超声导波,在边界或其他不连续处,如缺陷处也要发生模式转换.因此,接收到的信号通常包含多个轴对称和非轴对称导波模式[3].这些难度致使超声导波技术在无损检测领域中的应用受到一定的限制.     

利用Lyapunov指数实现超声导波检测的实验研究

利用杜芬方程Lyapunov指数提出了一种敏感的超声导波识别方法,并通过对钢管中导波信号的检测验证了该方法的有效性。首先,对比了输入Hanning窗调制导波信号与纯噪声信号对系统Lyapunov指数的不同影响,给出了利用Lyapunov指数识别弱超声导波信号的基本原理,并确定了检测系统参数。然后,利用压电传感器在3 m长的钢管中激发和接受超声导波,并将实测导波信号输入杜芬检测系统。研究结果表明,Lyapunov指数可以有效地识别出回波信号中是否存在导波信号,而对于噪声信号Lyapunov指数表现出一定的免疫力,该方法有助于提高管道微缺陷识别的灵敏度。同时,利用输入含噪声的实测导波信号与输入实测纯噪声信号后的两个最大Lyapunov指数之比定义损伤指标,当缺陷在一定范围之内时,该指标具有单调递减性,可用于评估缺陷大小。应用本方法,可有效地提高导波检测的灵敏度。     

医学超声内镜中同步编码激励技术的设计与实现

为了提高医学超声内镜系统中的探测深度、分辨率及成像质量,在超声内镜成像系统中采用编码激励技术,首次将普遍用于开关电源电路设计中的"半桥"电路引入超声内镜编码激励电路.在只有正电压电源供电的情况下产生正负高压激励脉冲,利用电机转动的编码信号,设计了基于CPLD的同步编码激励电路,在保证与超声内镜主机FPGA同步的基础上,简化了超声内镜系统内信号的传递.实验中,同步编码激励电路发射的编码激励信号与理论码型一致,通过人体体模实验,获得的回波波形幅度达1.0Vpp,噪声20×10-3VPP~30×10-3Vpp,信噪比高达34 dB,波形与仿真结果一致.     

线性调频信号激励超声换能器的方法研究

针对超声换能器的特性,研究等幅及包络调制线性调频波的换能器激励响应。通过对比激励前后脉冲压缩的主瓣峰值、?3d B主瓣带宽和峰值旁瓣水平,探讨通过换能器后其信噪比和分辨率的性能。理论分析和仿真实验结果表明,两种调频信号通过换能器后信噪比和分辨率都减少,峰值旁瓣有所提高。包络调制线性调频信号激励换能器脉冲压缩的信噪比和分辨率高于等幅线性调频信号,但能量损失比等幅线性调频信号大。     

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。     

火炮身管超声导波频散特性及传感器配置

超声导波检测技术具有检测距离远、效率高的优点,适用于检测火炮身管等圆管类结构,具有突出的军事应用价值和前景。首先对圆管超声导波理论进行推导,并对身管损伤的几种常见类型进行分析研究。采用数值计算的方法绘制频散曲线,通过分析其频散特性对导波检测频率进行优选,初步得到了最佳的检测频率范围;其次着重对传感器种类选择、数量及分布方式与导波传播特性的关系进行研究。实验表明,导波检测的最佳频率范围为0～300 kHz,且导波弯曲模态一般不宜作为检测模态;传感器数量的增加不仅增强了激励信号的强度,还有效抑制了身管中导波的频散。     

温变工况下超定独立成分分析导波监测方法

基于超声导波的结构健康监测技术在实际工程应用中受到变化的环境工况条件的影响,由于独立成分分析方法对于处理时变工况条件下的大量监测导波信号存在局限性,以及对不同程度的损伤表征研究存在不足,提出一种基于超定独立成分分析的导波监测方法并改进了基于k均值聚类的损伤指标。以广泛存在的环境温度作为环境变量,通过主成分分析从大量导波信号组成的观测矩阵中确定独立分量个数,使用独立成分分析将处理后的导波信号分解为独立分量,能够有效地将损伤与环境工况的影响分离到不同的独立分量中。对长期经受环境温度变化的铝板进行了导波监测实验,结果表明该方法能够有效减少独立分量数目并从大量导波信号中排除环境温度的干扰识别出损伤,并且对处于温变条件下的完整和不同损伤程度的铝板进行了损伤识别实验,进一步研究了该方法在排除环境温度干扰的同时表征损伤程度的效果。     

碳纤维复合材料凹槽缺陷空气耦合超声导波检测

传统的超声导波检测需要使用水或油等作为耦合剂,而有些特殊材料由于其自身原因无法使用耦合剂,使得检测受到限制.本文以碳纤维复合材料为研究对象,采用非接触空气耦合超声导波检测方法,选取0.2MHz探头频率,通过分析3种人工划槽缺陷在相同深度、不同宽度下超声回波信号的幅值变化,来研究不同缺陷大小与回波信号幅值的对应关系,为空气耦合导波在复合材料检测中的应用提供实验指导.实验结果证明了空气耦合超声导波检测的可行性和可靠性.     

激光超声导波分频段时域滤波及频率波数域逆时损伤成像

构建了一个激光激励和激光多普勒扫描拾振的完全非接触式超声导波损伤检测实验平台,实现对结构中超声导波场的高分辨率拾取,克服了常规接触式导波换能器致使波场检测空间分辨率低等不足。提出分频段时域滤波的方法,将激光超声宽频带信号分解为多个窄带信号以抑制频散效应,进而在无基准信号的前提下实现对损伤信号的提取;在此基础上应用频率波数域逆时损伤成像方法重构入射波场及损伤散射波场,以确定损伤边界,进而综合各窄带信号的损伤成像结果以获得更为精确的成像。仿真和实验结果表明:结合小波分析分频段时域滤波法与频率波数域逆时损伤成像方法能够实现各向同性板状结构中损伤的非接触检测,在工程实践上具有更广的应用价值。     

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。     

基于超声导波的列车转向架结构损伤定位成像研究

转向架构架为列车重要部件,其健康状况直接关系到列车安全运行,而基于超声导波的无损检测技术能够用于结构健康监测。采用导波反演法获取构架材料的体波波速,结合Lamb波频散方程得到构架的Lamb波频散曲线,进而选择激励信号。载荷和构架边界都会使响应导波信号特征变得复杂,使得损伤定位误差增加。为减少时域信号误差的影响,采用完好结构与检测结构的激励信号与相应导波能量谱相关系数进行分析。通过此系数获取检测结构的损伤指数,经权函数对各导波传播路径加权,从而得到损伤概率密度大小,进行损伤定位诊断成像。在构架中分别沿焊接方向以及承载剪切方向引入切槽损伤进行实验测试。结果表明,该方法能够较准确地实现损伤定位。     

高阶纵向超声导波在钢绞线缺陷检测中的应用研究

为了实现对钢绞线的主动健康监测,采用安装在结构外表面上的磁致伸缩传感器激励和接收高阶纵向超声导波,优化各种参数以用于缺陷的识别和评估.实验选取经Hanning窗调制的正弦脉冲信号在7芯钢绞线中激励中心频率0.86MHz的高阶纵向超声导波L(0,2)模态,用于在两根钢绞线外围钢丝和中心钢丝中人工缺陷的检测.实验分析了L(...     

基于超声导波的钢梁结构损伤大小识别研究

本研究探讨了应用超声导波检测技术在较厚结构中对结构损伤大小识别的可行性。基于优化的激励波形和PZT换能器布局,应用商业有限元软件Abaqus对导波在结构中的传播进行了仿真;同时对无损伤及有损伤的仿真模型进行了实验验证,实验信号与仿真波形具有很好的吻合度。仿真结果表明：随损伤深度或者损伤厚度的增加,损伤反射波波包、透射波波包的到达时间和信号幅值都会随之呈现一定规律的变化,从中提取变化较大的信号特征可用于损伤大小的识别。     

用超声导波幅度谱方法评价复合材料板材疲劳损伤的数值研究

基于超声导波的频散方程及位移场表达式, 对单向碳纤维/ 环氧复合板中传播的超声导波的幅度谱进行了数值研究, 得到了能全面、直观反映复合材料板材疲劳损伤程度的超声导波幅度谱的灰度图。数值分析表明,当复合材料板材承受拉伸或弯曲载荷时, 其等效杨氏模量或等效剪切模量的变化率, 与超声导波幅度谱的灰度平均值之间存在单调的对应关系。采用超声导波的幅度谱方法可望能有效定征复合材料板材的初期疲劳损伤。