[发明专利]一种板材损伤识别定位方法

权利要求书

1.本发明的技术方案是提供一种板材损伤识别定位方法，其特征在于，测试系统包括：信号发射单元和信号采集单元。信号的发射单元由计算机、可编程任意波形发生器和压电换能器组成；信号的采集和处理单元由压电传感器、数字示波器和计算机组成。所述的压电换能器作为发射换能器，由于压电换能器具有可逆压电效应，同时也可作为接收传感器，其直径为10mm，利用环氧树脂与被测板材结构垂直耦合，采用两列不同中心频率超声兰姆波波信号作为初始声源信号激励被测介质。所述的可编程任意波形发生器的取样频率可达1GS/s，具有8个独立通道，可同时发射8路信号，内部存储标准波形信号可直接作为发射声源，也可以通过计算机软件编程产生波形传至任意波形发生器，本发明采用后者，由计算机软件编写兰姆波激励信号直接加载到压电传感器上。所述的数字示波器具有12个独立通道，每条通道采样速率达5GS/s，可以准确接收来自激光测振仪信号或压电换能器信号，示波器记录长度为10M点，同时还可将数据传给计算机，借助相应的软件程序进行分析。

2.根据权利要求1所述的一种板材损伤识别定位方法，其特征在于，所述的压电换能器即换能器阵列，换能器数目N≥5，换能器均可以作为声源激励的发射换能器，也可以作为接收传感器使用。

3.根据权利要求1所述的一种板材损伤识别定位方法，其特征在于，所述的初始声源信号，是指第一次加载到换能器阵列中任意两个相邻的发射换能器的兰姆波信号，信号中心频率分别为285kHz和95kHz，振幅均为±10V。

4.根据权利要求2所述的一种板材损伤识别定位方法，其特征在于，具体实施方式包括以下步骤：

步骤一、发射换能器激励信号：

在被测板材上布置换能器阵列，将两列不同频率的兰姆波信号同时加载到两个相邻的发射换能器上，作为初始声源激励信号，设初始激励换能器为Q₁、Q₂，各传感元件为R_i＝(i＝1,2,3…)，损伤处为S，可以设定从激励换能器到损伤处的信号传递函数为H_QS(ω)，损伤处到各传感器的传递函数为H_SRi(ω)，激励信号的频谱为Y(ω)，则损伤处的信号S(ω)和各传感器接收到的损伤散射信号R_i(ω)为

S(ω)＝Y(ω)H_QS(ω)

R_i(ω)＝Y(ω)H_QS(ω)H_SRi(ω)

步骤二、信号反时序处理：

传感元件R_i接收步骤一在介质中的响应声波信号R_i(ω)，并进行反时序、归一化处理；

步骤三、获得聚焦信号

将步骤二中反时序后的声波信号再次加载到步骤一中的激励换能器Q₁上，在损伤处可以得到聚焦信号S_t(ω)为

各传感器R_i再次接收到了增强了的损伤散射信号即反时序后的聚焦信号，为

式中：k＝1,2,3…。Y^*(ω)H^*_QS(ω)H^*_SRi(ω)为第i个传感器接收初始激励换能器Q₁、Q₂激励时的损伤散射信号的反时序信号，而H_QS(ω)H_SRi(ω)恰为第i和i+1个压电换能器作为激励元件、第k个压电换能器作为传感器时的损伤散射传感通道的传递函数。

步骤四、聚焦后的损伤信号分析：

根据反时序理论中对波源信号的自适应聚焦特性，步骤三中的S_t(ω)的主波峰能量突出程度将明显高于S(ω)，使得损伤处信号的能量得到聚焦。

根据反时序理论中对波源信号的自适应聚焦特性，步骤三中R_k(ω)中各损伤缺陷散射信号和各自包含的损伤模态信息均来自于同一个波源信号Y^*(ω)H^*_QS(ω)，而其它响应信号如噪声信号和边界反射，由于信号来源不一致，发生的时刻也不尽相同，在反时序加载时也就不存在统一的聚焦点，处理中只是随机叠加而无法增强。所以只需明确各检测通道传递函数，可实现传感信号中损伤散射信号能量的突出增强，从而实现信噪比提高。

步骤五、损伤识别定位计算

损伤的位置(x,y)和损伤散射信号发生的时刻τ₀，根据四点圆弧定位方程，假设损伤信号到达最后一个换能器的时刻为τ₁，选取τ_w>τ₁，以τ_w-τ₀为反时序信号长度，分别截取各换能器信号，在时间窗内将他们进行反时序并得到信号s_n(n＝1,2,3…,N)。根据反时序原理，同时将反时序后的信号加载在其相对应的换能器上，在损伤处也就是二次波源处即可得到波源的重建聚焦信号。设定聚焦时刻τ_s为反时序信号加载结束时刻，设板材为各向同性材料，将板材等间距划分为若干单元，每个单元对应一定的坐标，根据声波传播原理，可以在板材中建立在τ_s时刻的瞬态波动图，每一个单元(i,j)在该时刻的波动幅值S_i,j可以由下式求得

式中：G_n为补偿各换能器因路径不同而造成的信号衰减的修正系数；c为声波在材中的传播速度；L_ijn为该单元(i,j)到对应换能器n的距离。

5.根据权利要求3所述的一种板材损伤识别定位方法，其特征在于，重复以上步骤，建立聚焦信号图像重建区域，可得到重构聚焦损伤信号。