Lamb波相位谱线性重构及阵列波束成形损伤成像——超声Lamb波损伤精确成像方法

摘要

超声Lamb波以其传播和探测距离远，对微小损伤敏感等优势，常被用于对板壳结构的无损检测。然而Lamb波的频散效应会使得信号发生扩展和畸变，信噪比降低，无法准确获取其信号的传播时间，从而降低了结构损伤的定位及成像精度。针对现有导波信号频散去除方法需预先已知材料频散关系等不足，本文提出基于实测信号相位谱线性重构方法，用中心频率处线性化的相位谱代替Lamb波非线性相位谱，从而实现在无需材料频散关系的前提下去除频散效应。采用数值模拟的手段验证了相位谱线性重构法去除频散的效果，进而利用波束成形理论对损伤散射信号进行延时叠加处理，实施了在不同方位线性阵列对金属板中的损伤成像；实验研究了相位谱线性重构法在各向同性金属板及单向碳纤维复合材料板（CFRP)中对含损伤散射信号的频散去除效果，验证了相位谱线性重构法能够提高含损伤散射信号有效幅值的能力；将实测数据经频散去除后用阵列波束成形损伤成像方法实施损伤成像；经对不同方位阵列成像结果作逻辑“与” 运算，其损伤成像效果和精度更佳。数值模拟和实验研究结果得以相互验证，表明本文所采取的频散去除方法和阵列波束成形损伤成像方法有望在工程实际板状结构损伤的阵列成像检测中得到应用，为各类结构长期稳定工作提供理论指导。 本文主要开展了以下研究工作： 第一章，分析了板状构件中常规的损伤检测方法的各自优缺点及适用性，讨论了超声Lamb波检测技术的发展趋势以及去除/补偿Lamb波频散的各种信号处理方法，确定了本文的研究思路和方法。 第二章，基于超声Lamb波理论，分析了各向同性板和横观各向同性板结构中Lamb波频散特性以及在横观各向同性板结构中导波的频散与传播方向之间的关系。探究了阵列波束成形损伤成像方法的原理，并采用不同方位排布的阵列实现了对损伤的成像。综合不同方位排列的阵列成像结果，引入逻辑“与” 运算以提高损伤成像的质量和精度。 第三章，阐明了Lamb波所具有的频散特性对结构损伤成像精度的影响，说明了频散去除对提升成像精度的必要性。分析比较了线性映射法和相位谱线性重构法处理频散Lamb波信号的优势和不足，阐述相位谱线性重构法去除频散的原理，为后续阵列对损伤精确成像奠定了基础。 第四章，建立了无损板有限元数值模型，验证所提出的相位谱线性重构法去除频散的有效性，进而基于导波阵列波束成形损伤成像方法分析了阵列损伤成像的精度。讨论了线性阵列和不同方位阵列对损伤成像的影响，不同方位阵列成像结果作逻辑“与”融合运算，其损伤成像效果和精度更佳。在此基础上，构建超声Lamb波损伤检测实验平台，应用所构建的频散去除算法和阵列波束成形损伤成像方法，对预置损伤进行快速精确成像，讨论了该方法在实际工程结构损伤检测中的应用前景。 第五章，对本文的工作做出总结，并指出下一步工作的方向。

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