[发明专利]一种基于频域分模态叠加损伤成像方法

说明书

本发明提供了一种基于频域分模态叠加损伤成像方法，包括S01采用多通道信号阵列换能器采集各向异性材料板结构中的损伤信号，将采集的时空域信号转换成为频率‑波数(f‑k)域信号；S02通过三维傅里叶变换，将频率‑波数(f‑k)域信号依据不同模态、不同传播方向在频率‑波数域中进行分离，得到n阶对称分模态和反对称分模态信号；S03对各分模态信号进行频散去除和偏斜角补偿；S04分别对步骤S03得到的各分模态进行总聚焦成像，再对各分模态进行相应的延时处理，最后对各分模态的总聚焦成像进行叠加；本发明可实现从微小尺度的早期损伤检测直至全面评价损伤特征，从而提高全域结构损伤的检测能力。

技术领域

本发明涉及材料结构损伤探测领域，尤其涉及一种基于频域分模态叠加损伤成像方法。

背景技术

超声Lamb导波由于具有传播距离远，衰减小，对损伤敏感的优势，在复合材料各向异性材料板状结构的SHM领域得到了广泛关注。然而，Lamb导波在各向异性材料板复合材料板结构中传播过程中的频散、多模态以及偏斜效应，严重影响了采用阵列检测方法对损伤成像精度，因此，有关复合材料各向性异材料板中Lamb导波的传播特性研究尤为重要。

传统的超声相控阵导波激励信号为窗函数调制的窄带正弦波信号，其突出优点是频带窄，从而可以最大限度地抑制频散；然而，信号的窄带不能涵盖损伤的所有特征频率，仅依据少数模态评判损伤。现有超声导波损伤成像方法常采用窄带信号驱动结构中的探查波束，在用于各向异性材料板结构检测中，考察单一模态导波的散射时域信息以实现损伤的定位，尚难以实现在较宽的频带范围内多模态综合评估损伤特征。本发明可以用于扫频测试和多个模态、多个频段的检测，可以弥补采用单一模态检测中存在的不足。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于频域分模态叠加损伤成像方法，可以用于扫频测试和多个模态、多个频段的检测，解决现有技术采用单一模态检测而难以实现在较宽的频带范围内多模态综合评估损伤特征的问题。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种基于频域分模态叠加损伤成像方法，用于各向异性材料板结构，包括：

S01采用多通道信号阵列换能器采集各向异性材料板结构中的损伤信号，将采集的时空域信号转换成为频率-波数(f-k)域信号；

S02通过三维傅里叶变换，将频率-波数(f-k)域信号依据不同模态、不同传播方向在频率-波数域中进行分离，得到n阶对称分模态和反对称分模态信号；

S03对步骤S02得到的各个分模态信号进行频散去除，如下式，将频散关系在中心圆频率附近进行Taylor级数展开，取一阶线性近似项:

式中，k是空间波数，ω_c为中心圆频率，c_p是相速度，c_g是群速度；

根据各向异性材料板结构中的波数曲线对频散去除后的信号进行偏斜角补偿，所述偏斜角为：

其中，波矢方向γ与群速度方向(能量传播方向θ)之间的夹角即为偏斜角β，dk为波数的增量，dγ为角度γ的增量；

S04分别对步骤S03得到的各个分模态信号进行总聚焦成像，再对各分模态进行相应的延时处理，最后对各分模态的总聚焦成像进行叠加，叠加的公式如下式：