[发明专利]基于小波的非线性超声异侧激励混频的微裂纹定位方法

说明书

本发明公开了一种基于小波的非线性超声异侧激励混频的微裂纹定位方法，包括：将第一传感器和第二传感器分别设置在被测试件的两侧，构成了非线性lamb波异侧激励；采集由被测试件中存在的疲劳裂纹在异侧激励作用下产生的混频信号；通过小波变换对混频信号进行时频分析，提取特征频率、以及特征频率出现的时间，实现疲劳损伤结构的识别与定位。本发明将小波变换理论结合MATLAB软件应用到无损检测领域，提出一种从时频分析角度对金属板材中微裂纹进行检测并定位的方法；本发明通过仿真与实验相结合，并不断进行参数的优化，获取能够表征混频信号特征频率的最佳参数，结果表明基于小波变换的非线性lamb波异侧激励混频定位方法的正确性与可行性。

技术领域

本发明涉及应用于金属无损检测领域的损伤定位，尤其涉及一种利用小波变换对非线性lamb波混频检测信号分析实现微裂纹定位的方法。

背景技术

金属板材广泛应用在军事、工业、医疗和航天等领域，材料在使用过程中不可避免地会受到重复施加的载荷、温度变化和腐蚀等外部因素的影响，进而产生疲劳，当疲劳累计到一定程度将会发展成宏观裂纹，引起安全事故和重大经济损失。

目前关于金属的无损检测比较成熟的方法有四大类：1)超声波探伤，该方法主要检测冶金缺陷，如夹渣、孔洞、裂纹等；2)X射线探伤，检测零件中的高密度夹杂，如夹钨等缺陷；3)荧光渗透探伤法，用来检测表面开口缺陷；4)涡流探伤法，检测表面及近表面的缺陷。这些传统的无损检测方法针对传统的开口裂纹是可行而有效的，但是对于由疲劳损伤引起的微裂纹却无能为力。随着lamb波理论与非线性lamb波混频理论的发展，为金属板材结构微裂纹的无损检测提供了新思路。

邓明晰团队^[1]在二阶摄动理论基础下，通过波导激励的模态分析方法研究了符合板材结构中的二次lamb波产生情况，结果表明二次谐波的产生效率和分界面的常数相关，该结果为lamb波的二次谐波在薄板结构的无损检测方面的应用奠定了基础。ChristophPruell^[2]通过实验证明了lamb波的非线性在与塑性材料的相互作用方面与纵波和横波有着相似的结果，由此表明lamb波的高次谐波可以用来评估塑性驱动的材料损伤。此后Christoph Pruell继续利用一对楔形传感器激发和接收lamb波与二次谐波，结果表明基于lamb波测得的声学非线性与疲劳损伤直接相关，由此开发了用lamb波的非线性表征金属薄板疲劳损伤的实验程序。

H Xu等人基于lamb的非线性效应对金属的结构损伤进行了研究，提出时频分析的算法对获取的非线性lamb信号进行处理。X Wan^[3]在利用有限元分析方法仿真时，发现lamb波在与薄板中的微小尺寸裂纹作用时，产生了二次谐波，进而提出了非线性lamb波应用于薄板材中的结构损伤检测方法。同年，Z Su^[4]在实验中成功提取到金属板材微裂纹中的线性和非线性信号，证明了lamb波的非线性用于微损伤结构检测的可行性、准确性和实用性。2017年，焦敬品^[5-6]所在团队利用体波完成了闭合裂纹的混频超声检测，为结构中微裂纹的评价做出了积极的探索。尽管关于金属微裂纹的研究已经取得了较大的突破，但是现有技术和方法只能对金属板材中是否存在微裂纹给出定性的判定，无法对微裂纹存在的具体位置给出解决办法。

发明内容

本发明针对存在于金属板材中的疲劳损伤难以识别和定位的问题，提出了一种基于非线性lamb波异侧激励混频的微裂纹定位方法，对混频信号进行时频分析，提取特征频率与特征频率出现的时间，实现了疲劳损伤结构的识别与定位，详见下文描述：

基于非线性lamb波异侧激励混频的微裂纹定位方法，所述方法包括以下步骤：

将第一传感器和第二传感器分别设置在被测试件的两侧，构成了非线性lamb波异侧激励；

采集由被测试件中存在的疲劳裂纹在异侧激励作用下产生的混频信号；