本發(fā)明專利涉及無損檢測及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域，特別是一種基于聲-超聲的大型構(gòu)件損傷概率成像定位方法。

背景技術(shù)：

大型構(gòu)件如航空航天結(jié)構(gòu)件、壓力容器、風(fēng)電葉片等在服役運(yùn)行過程中，常因工作載荷、沖擊、振動、及環(huán)境變化等產(chǎn)生疲勞裂紋、腐蝕、沖擊損傷等近表面損傷。為避免出現(xiàn)重大故障乃至安全事故，對這些構(gòu)件進(jìn)行損傷定位和監(jiān)測是非常必要的。損傷定位有助于獲取大型構(gòu)件的損傷分布情況，進(jìn)而評估構(gòu)件安全狀態(tài)或通過局部檢測手段進(jìn)一步探知損傷特性，對于保障大型構(gòu)件的運(yùn)行安全具有重要意義。

目前通過常規(guī)超聲檢測手段進(jìn)行逐點掃查可獲得較準(zhǔn)確的損傷位置，但檢測費(fèi)時，不適用于大型構(gòu)件。超聲相控陣檢測法在檢測效率上有較大提高，但仍需要進(jìn)行掃查檢測，獲取的大量數(shù)據(jù)所需處理時間長，且損傷定位效率仍不高。聲發(fā)射定位是一種高效的損傷定位方法，適用于大型構(gòu)件，但聲發(fā)射檢測需要對構(gòu)件加載使其內(nèi)部裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生聲發(fā)射信號，易對被測構(gòu)件造成破壞。聲-超聲由于波傳播過程中無頻散，模式單一，且對工件近表面損傷敏感的特點，比較適用于大型構(gòu)件的檢測。

在大型構(gòu)件損傷定位的算法方面，申請公開號cn102998369a，申請公開日2013年3月27日的專利文獻(xiàn)公布了一種二維損傷定量化檢測方法，采用渡越時間的定位方法對損傷進(jìn)行定位，但由于需要用到無損傷情況下構(gòu)建的檢測數(shù)據(jù)，實際操作受到一定限制，且該法對測量噪聲、渡越時間的測量誤差及不確定因素的抗干擾能力不強(qiáng)，難以獲得良好定位效果；申請公開號cn104343043a，申請公開日2016年2月24日的專利公布了一種基于abaqus的金屬薄板微裂紋時間反轉(zhuǎn)定位方法，采用基于時間反轉(zhuǎn)的損傷定位方法，用時反特征信號對仿真構(gòu)件重新激勵，在時間和空間上的聚焦進(jìn)行損傷定位，但需要理想的時反函數(shù)才能還原構(gòu)件中的能量空間分布，且仿真構(gòu)件模型與實際構(gòu)件材料結(jié)構(gòu)上的偏差，往往不能很好地聚焦定位。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有大型構(gòu)件損傷定位方法需要獲得構(gòu)件無損傷時的檢測信號，檢測效率不高的問題，提出一種基于聲-超聲的大型構(gòu)件損傷概率成像定位方法，實現(xiàn)大型構(gòu)件損傷的高效檢測和快速定位。

為了實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種基于聲-超聲的大型構(gòu)件損傷概率成像定位方法，包括以下步驟：

步驟一、構(gòu)建監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，在構(gòu)件圓形被測區(qū)域邊緣均勻布置n個壓電晶片換能器，標(biāo)記為1,2,...,n，以圓形幾何中心為原點建立平面直角坐標(biāo)系xoy，并分別獲取發(fā)射換能器中心與損傷邊界、損傷邊界與接收換能器中心、發(fā)射換能器中心與接收換能器中心之間的距離

步驟二、超聲信號激勵，采用兩種激勵方式激勵壓電換能器ai(xi,yi)(i＝1,2,...,n)產(chǎn)生超聲信號，在構(gòu)件表面產(chǎn)生聲-超聲信號，其中一種激勵方式采用任意信號發(fā)生器產(chǎn)生漢寧窗調(diào)制的高、低幅值正弦信號，并經(jīng)射頻功率放大器后激勵超聲換能器，另一種激勵方式采用超聲脈沖發(fā)生接收儀產(chǎn)生脈沖信號激勵超聲換能器；

步驟三、回波信號采集，采集上述步驟二中高、低幅正弦信號激勵的由其他壓電換能器rj(xj,yj)(j＝1,2,...,n,j≠i)直接接收到的聲-超聲信號，記為si-j，同時采集上述步驟二中脈沖信號激勵的經(jīng)損傷邊界反射后由其他壓電換能器rj(xj,yj)(j＝1,2,...,n,j≠i)接收的聲-超聲信號，記為ei-j；

步驟四、損傷概率值計算，分別同時對上述步驟三的直接接收信號si-j進(jìn)行基于信號能量的相異系數(shù)損傷概率成像算法，得到損傷存在概率源值p'i-j(x,y)和損傷存在概率源圖ⅰ，對上述步驟三的信號ei-j進(jìn)行基于渡越時間的橢圓環(huán)相交損傷概率成像算法，得到損傷存在概率源值p”i-j(x,y)和損傷存在概率源圖ⅱ；步驟五、損傷概率值的融合，將上述步驟四所得的損傷存在概率源值p'i-j(x,y)和p”i-j(x,y)按公式進(jìn)行并集、求和、平均等計算，得到待檢測點(x,y)處的損傷存在概率值p(x,y)；

步驟六、構(gòu)件損傷概率成像，將所述步驟五所得的p(x,y)值作為直角坐標(biāo)系坐標(biāo)點(x,y)的像素值；

步驟七、構(gòu)件損傷概率定位，在所述步驟六的成像結(jié)果中，像素值越大的區(qū)域表示該處損傷存在的可能性越大，即為損傷的位置。

所述的一種基于聲-超聲的大型構(gòu)件損傷概率成像定位方法，所述的步驟四中，對直接接收信號si-j進(jìn)行基于信號能量的相異系數(shù)損傷概率成像算法，具體按以下步驟進(jìn)行處理：

步驟1、對低幅激勵后接收的直接接收信號si-j進(jìn)行傅里葉變換，獲取中心頻率上聲-超聲波的時間-能量波形分布曲線，記為低幅信號g0；

步驟2、對相同上述檢測條件高幅激勵后接收的直接接收信號si-j重復(fù)上述步驟1，記為高幅信號g'；

步驟3、定義幅比系數(shù)λ為高幅激勵信號振幅a'與低幅激勵信號的振幅a0之比，即根據(jù)上述步驟2所得結(jié)果，再根據(jù)公式計算ai-rj換能器對的高幅信號與低幅信號的相異系數(shù)q；

步驟4、定義縮放系數(shù)δ＝1.06，距離比系數(shù)根據(jù)公式i'i-j(x,y)＝q×ψ(x,y)，計算得到ai-rj檢測路線確定的檢測范圍內(nèi)的損傷存在概率值i'i-j(x,y)，式中，

步驟5、對其他ai-rj換能器對重復(fù)進(jìn)行上述步驟1-4的處理；

步驟6、定義增強(qiáng)因子β為1.03，將步驟5得到的損傷存在概率值i'i-j(x,y)根據(jù)對應(yīng)坐標(biāo)點(x,y)按公式進(jìn)行累加，重建直接接收模式所有ai-rj檢測路線的損傷存在概率源值p'i-j(x,y)和損傷存在概率源圖i。

所述的一種基于聲-超聲的大型構(gòu)件損傷概率成像定位方法，所述步驟四中，對反射回波模式的信號ei-j進(jìn)行基于渡越時間的橢圓環(huán)相交損傷概率成像算法，具體按以下步驟進(jìn)行處理：

步驟1、對于換能器對ai-rj的信號ei-j，設(shè)激勵時刻為ti，接收時刻為tj，從激勵時刻起，經(jīng)損傷邊界反射到接收時刻止，表面波信號經(jīng)歷的渡越時間為t”i-j，路程為統(tǒng)計所有ai-rj檢測路線的反射回波信號峰值時刻t的方差σ，將反射回波信號時刻tj的瞬時值按正態(tài)分布處理，取接收回波信號98％能量部分對應(yīng)的時間區(qū)間(ti-j,t'i-j)，將接收時間區(qū)間減去激勵時刻，得到渡越時間區(qū)間(ti-j,t'i-j)，由公式繪得橢圓環(huán)檢測區(qū)；

步驟2、由上述步驟1確定的不同渡越時間t”i-j值，其所占整個渡越時間區(qū)間(ti-j,t'i-j)的權(quán)重為一條ai-rj檢測路線確定的定位橢圓環(huán)檢測區(qū)內(nèi)檢測點(x,y)處的損傷存在概率值步驟3、對其他換能器對ai-rj重復(fù)進(jìn)行上述步驟1-2的處理；

步驟4、將上述步驟3所得的所有ai-rj檢測路線確定的定位橢圓環(huán)檢測區(qū)包含的檢測點(x,y)的損傷存在概率值i”i-j(x,y)，對應(yīng)到被測工件表面坐標(biāo)系上，按公式進(jìn)行累加計算，得到反射回波模式所有ai-rj檢測路線的損傷存在概率源值p”i-j(x,y)和損傷存在概率源圖ⅱ。

所述的一種基于聲-超聲的大型構(gòu)件損傷概率成像定位方法，所述步驟四中對直接接收模式的信號si-j進(jìn)行基于信號能量的相異系數(shù)損傷概率成像算法，該算法不需要獲取無損傷存在時構(gòu)件的聲-超聲檢測數(shù)據(jù)，只需獲得當(dāng)前有損傷構(gòu)件的聲-超聲檢測數(shù)據(jù)。

本發(fā)明的技術(shù)效果在于，針對大型構(gòu)件大面積的損傷檢測，采用聲-超聲檢測網(wǎng)絡(luò)，使用高、低幅值激勵損傷概率成像法和橢圓環(huán)相交損傷概率成像法的組合概率成像方法，實現(xiàn)了大型構(gòu)件損傷的無基準(zhǔn)檢測及快速定位。

附圖說明

圖1為本發(fā)明聲-超聲損傷概率成像定位法流程圖

圖2為本發(fā)明壓電換能器布置及直接接收模式路線示意圖

圖3為本發(fā)明壓電換能器2和壓電換能器7的直接接收信號s2-7和反射回波信號e2-7示意圖

圖4為本發(fā)明壓電換能器2和壓電換能器7直接接收模式損傷檢測示意圖

圖5為本發(fā)明壓電換能器2和壓電換能器7反射回波模式損傷檢測示意圖

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

本發(fā)明具體實施方式以大型鋁板損傷的聲-超聲檢測定位為例，鋁板尺寸為1200mm×1000mm，待測成像區(qū)設(shè)為直徑為200mm的圓形區(qū)域,對待測成像區(qū)進(jìn)行聲-超聲損傷概率成像的步驟包括：

步驟一、構(gòu)建監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示在鋁板被測的圓形區(qū)域邊緣均勻布置16個壓電換能器，標(biāo)記為1,2,...,16，以圓形幾何中心為原點建立平面直角坐標(biāo)系xoy，每個壓電換能器同時發(fā)射和接收回波信號，當(dāng)作為發(fā)射壓電換能器時標(biāo)記為ai(xi,yi)(i＝1,2,...,16)，作為接收壓電換能器時標(biāo)記為rj(xj,yj)(j＝1,2,...,16,j≠i)，分別獲取發(fā)射換能器中心與損傷邊界、損傷邊界與接收換能器中心、發(fā)射換能器中心與接收換能器中心之間的直角坐標(biāo)系距離

步驟二、超聲信號激勵，采用兩種激勵方式激勵壓電換能器ai(xi,yi)(i＝1,2,...,n)產(chǎn)生超聲信號，在構(gòu)件表面產(chǎn)生聲-超聲信號，其中一種激勵方式采用tektronixafg2021任意信號發(fā)生器，分別以900mv和100mv的輸出電壓，產(chǎn)生漢寧窗的高、低幅值正弦信號，并經(jīng)rfpower2100l射頻功率放大器放大后激勵超聲換能器，另一種激勵方式采用olympus5072pr超聲脈沖發(fā)生接收儀產(chǎn)生脈沖信號激勵超聲換能器；

步驟三、回波信號采集，使用凌華pci-9820高速采集卡采集上述步驟二中高、低幅激勵的由其他壓電換能器rj(xj,yj)(j＝1,2,...,n,j≠i)直接接收到的聲-超聲信號，記為si-j，同時通過凌華pci-9820高速采集卡采集上述步驟二中脈沖信號激勵的經(jīng)損傷邊界反射后由其他壓電換能器rj(xj,yj)(j＝1,2,...,n,j≠i)接收的聲-超聲信號，記為反射回波信號ei-j，如圖3為直接接收信號si-j和反射回波信號ei-j的示意圖；

步驟四、損傷概率值計算，分別同時對上述步驟三的直接接收信號si-j進(jìn)行基于信號能量的相異系數(shù)損傷概率成像算法，對反射回?fù)苄盘杄i-j進(jìn)行基于渡越時間的橢圓環(huán)相交損傷概率成像算法：

(1)對直接接收信號si-j進(jìn)行基于信號能量的相異系數(shù)損傷概率成像算法，具體按以下步驟進(jìn)行處理：

步驟1、如圖4以壓電換能器2和壓電換能器7為例，對低幅激勵后接收的直接接收信號s2-7進(jìn)行傅里葉變換，獲取中心頻率上聲-超聲波的時間-能量波形分布曲線，記為低幅信號g0；

步驟2、對相同上述檢測條件高幅激勵后接收的直接接收信號s2-7重復(fù)上述步驟1，記為高幅信號g'；

步驟3、定義幅比系數(shù)λ為高幅激勵信號振幅a'與低幅激勵信號的振幅a0之比，即根據(jù)上述步驟2所得結(jié)果，再根據(jù)公式計算a2-r7換能器對的高幅信號與低幅信號的相異系數(shù)q；

步驟4、定義縮放系數(shù)δ＝1.06，距離比系數(shù)根據(jù)公式i'2-7(x,y)＝q×ψ(x,y)，計算得到a2-r7檢測路線確定的檢測范圍內(nèi)的損傷存在概率值i'2-7(x,y)，式中，

步驟5、對其他ai-rj換能器對重復(fù)進(jìn)行上述步驟1-4的處理；

步驟6、定義增強(qiáng)因子β為1.03，將步驟5得到的損傷存在概率值i'i-j(x,y)根據(jù)對應(yīng)坐標(biāo)點(x,y)按公式進(jìn)行累加，重建直接接收模式所有ai-rj檢測路線的損傷存在概率源值p'i-j(x,y)和損傷存在概率源圖i。

(2)對上述步驟四中的反射回波信號ei-j進(jìn)行基于渡越時間的橢圓環(huán)相交損傷概率成像算法，具體按以下步驟進(jìn)行處理：

步驟1、如圖5以壓電換能器2和壓電換能器7為例，對于換能器對a2-r7的反射回波信號e2-7，設(shè)激勵時刻為t2，接收時刻為t7，從激勵時刻起，經(jīng)損傷邊界反射到接收時刻止，表面波信號經(jīng)歷的渡越時間為t”2-7，路程為統(tǒng)計所有a2-r7檢測路線的反射回波信號峰值時刻t的方差σ，將反射回波信號時刻tj的瞬時值按正態(tài)分布處理，取接收回波信號98％能量部分對應(yīng)的時間區(qū)間(t2-7,t'2-7)，將接收時間區(qū)間減去激勵時刻，得到渡越時間區(qū)間(t2-7,t'2-7)，由公式繪得橢圓環(huán)檢測區(qū)；

步驟2、由上述步驟1確定的不同渡越時間t”2-7值所占整個渡越時間區(qū)間(t2-7,t'2-7)的權(quán)重為a2-r7檢測路線確定的定位橢圓環(huán)檢測區(qū)內(nèi)檢測點(x,y)處的損傷存在概率值

步驟3、對其他換能器對ai-rj重復(fù)進(jìn)行上述步驟1-2的處理；

步驟4、將上述步驟3所得的條檢測路線確定的定位橢圓環(huán)檢測區(qū)包含的檢測點(x,y)的損傷存在概率值i”i-j(x,y)，對應(yīng)到被測工件表面坐標(biāo)系上，按公式進(jìn)行累加計算，得到反射回波模式所有ai-rj檢測路線的損傷存在概率源值p”i-j(x,y)和損傷存在概率源圖ⅱ。

步驟五、損傷概率值的融合，將上述步驟四所得的損傷存在概率源值p’i-j(x,y)和p”i-j(x,y)按公式進(jìn)行并集、求和、平均等計算，得到待檢測點(x,y)處的損傷存在概率值p(x,y)；

步驟六、構(gòu)件損傷概率成像，將所述步驟五所得的p(x,y)值作為直角坐標(biāo)系坐標(biāo)點(x,y)的像素值；

步驟七、構(gòu)件損傷概率定位，在所述步驟六的成像結(jié)果中，像素值越大的區(qū)域表示該處損傷存在的可能性越大，即為損傷的位置。