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CN116429895A - 基于局部损伤共振的复合材料损伤成像检测方法及装置 - Google Patents

基于局部损伤共振的复合材料损伤成像检测方法及装置 Download PDF

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CN116429895A
CN116429895A CN202310233119.2A CN202310233119A CN116429895A CN 116429895 A CN116429895 A CN 116429895A CN 202310233119 A CN202310233119 A CN 202310233119A CN 116429895 A CN116429895 A CN 116429895A
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CN
China
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damage
composite material
material sample
frequency
ultrasonic
Prior art date
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Application number
CN202310233119.2A
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李卫彬
张昌宇
胡雅洁
邓明晰
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Xiamen University
Original Assignee
Xiamen University
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Publication date
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Abstract

本发明公开一种基于局部损伤共振的复合材料损伤成像检测方法及装置，检测方法包括：在被测复合材料试样的边缘位置，利用可编程的信号发生器编辑两串相位稳定且相位反转的带宽为B的宽频线性调频信号，通过单晶超声压电传感器先后将宽频线性调频信号激励到复合材料试样中；对被测复合材料试样进行区域扫描，得到相反转叠加的复合材料试样时域超声波场，并转换得到频域超声波场；计算各假设损伤区域的损伤增益频谱，通过比较各假设损伤区域的增益频谱确定实际损伤区域；根据实际损伤区域损伤增益频谱的峰值得到局部损伤共振频率；计算复合材料试样在局部损伤共振频率下的超声波场，绘制振幅热点图，进行加权叠加以实现对损伤具体形状和位置的清晰成像。

Description

基于局部损伤共振的复合材料损伤成像检测方法及装置
技术领域
本发明属于无损检测技术领域，涉及利用超声波对被检测试样进行非破坏性缺陷检测的技术，具体是一种基于局部损伤共振的复合材料损伤成像检测方法及装置。
背景技术
当前，由于复合材料是一种由基体增强体构成的高强轻质新型材料，复合材料构件具有比强度高、比刚度强、比重量轻等多种优点，此外相比金属材料还具有耐腐蚀、抗疲劳、透波、隐身、可一体成型等优势，因此在航空航天、风力发电、轨道交通、舰船游艇以及远距离管道运输等多领域得到了越来越广泛的应用。在民用航空领域，碳纤维复合材料被广泛应用于机身、机翼等部位用于减轻飞机重量减少油耗，例如B787客机上碳纤维增强复合材料占全机结构重量的50％，燃油节省可以达到20％。在军用航空领域，碳纤维增强复合材料在军机的机翼、机身甚至螺旋桨叶片上都有广泛的应用。在轨道交通方面，玻璃纤维复合材料被应用于轨道车辆的前端车头，碳纤维复合材料被应用于轨道车中间车体的挡风板上。在舰船领域，复合材料被广泛应用于中小型舰船壳体的构建、螺旋桨、管路系统、桅杆、燃油舱、弹药舱等部位的构建，起到减重增排和抗阻防护的作用。即使复合材料具有上述优势，但复合材料在受到高/低速冲击载荷作用时，却极容易在其内部诱发分层、纤维断裂等多种损伤模式，这些损伤模式的出现会对关键重大设施装备的安全运行构成巨大隐患，也是影响复材应用推广的重要因素。尤其当在受到低速冲击载荷时，复合材料结构件的内部容易产生难以直接观测、难以有效定量的微小损伤，而这种微小损伤极易扩展，进而影响复合材料结构件的安全服役。因此，研究一种针对复合材料内部缺陷的高效无损成像检测技术具有重大意义。
近年来，基于损伤成像的无损检测技术已获得了广泛的研究，其中常见的损伤成像检测技术有以下几种：1、CT法：CT法是一种射线无损检测技术，可以通过射线对试件的透射率来实现对被检测样内部结构成像，再结合后处理的方法可以实现对被检测样的三维几何重构，从可以清晰地看到试样的内部损伤。但是CT法检测存在检测成本高，检测效率低，难以检测大尺寸试样等问题。此外，由于射线对人体有害，因此CT法检测存在一定的安全隐患。2、涡流检测法：涡流检测法是通过特定线圈在试样表面或近表面产生感生涡流，通过线圈在试样表面进行扫查检测感生涡流的强度变化，进而确定缺陷位置并进行缺陷成像。但涡流检测法易受到趋肤效应的限制，检测深度较浅，而且只能检测导电材料，对于导电性较弱的复合材料难以有效检测。3、超声C扫检测法：超声C扫检测方法是通过超声探头在试样上对超声信号分别进行激励和接收，并对整个被测样进行区域扫查，从而实现对被测样中的损伤进行检测和成像。但是超声C扫检测方法在检测大型试样时存在着检测效率低等问题。此外对于形状较复杂的试样，超声C扫检测方法也存在着几何适应性差等问题。4、超声导波相控阵法：相控阵超声检测技术是在原有的单通道超声导波检测技术的基础上，结合传统超声相位测量方法发展起来的，通过调整相控阵振元的延时和振幅等参数可以实现导波的聚焦，从而实现对被测样扫查并进而实现损伤的检测与成像。但是，对于复合材料构件而言，超声导波相控阵法存在着导波模式复杂，信噪比差等不足。由此可见，现有的损伤成像检测技术难以满足对被复合材料构件整体进行高精度和高鲁棒性检测以及高分辨率缺陷损伤成像的需求。
相较于上述的损伤成像方法，基于局部损伤共振的成像方法与超声导波相结合，是具有更高信噪比、更高效、更安全的损伤检测手段。局部损伤共振是一种客观物理现象，其是指当样本材料中存在损伤时，由于在损伤位置出现了刚度、密度等材料特性的局部变化，因此在某些特定频率下会表现为独立于材料整体之外的振子，并产生强烈震动。基于这种物理现象，本文拟开发一种基于损伤特定振动频率的损伤成像方法。然而，在实际研究中发现，对于毫米级甚至微米级的微小损伤，由于损伤尺寸过小，造成材料的局部性能变化微弱，再加上复合材料构件本身的材料属性复杂，使得在实际提取共振频率时，损伤的特定共振频率会“淹没”在构件本身的固有频率甚至噪声之中，难以清晰有效地提取出来。此外，基于已提取的共振频率的损伤成像效果也会受到材料本身声场的影响而难以清晰识别或产生误判，仅能实现损伤位置的判断，无法清晰识别损伤尺寸、形状等具体信息。对于小尺寸的损伤检测，无法进一步有效提高基于局部损伤共振成像方法的信噪比，是该研究方向的一大难题。
发明内容
在下文中给出了关于本发明实施例的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，以下概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于局部损伤共振的复合材料损伤成像检测方法及装置，该方法首次结合了相位反转技术和背景比率算法，实现在损伤共振频率下对材料其他区域声场的有效抑制，有效提高信噪比，凸显微小损伤的局部振动，实现对损伤位置的清晰识别，避免误判；此外还提出了一种综合成像算法，通过提取高阶损伤共振进行综合成像，有效实现对损伤尺寸、形状的等信息的清晰成像，解决了现有的损伤成像检测技术难以满足对被复合材料构件整体进行高精度和高鲁棒性检测以及高分辨率缺陷损伤成像需求的问题。
根据本申请的一个方面，提供了一种基于局部损伤共振的复合材料损伤成像检测方法，包括以下步骤：
步骤1：在被测复合材料试样上划分n个假设损伤区；在被测复合材料试样边缘安装一片用于激励超声信号的单晶超声压电传感器；
步骤2：利用相反转技术，通过可编程的信号发生器编辑两串相位稳定且相位反转的带宽为B的宽频线性调频信号；通过所述的单晶超声压电传感器先后将两串相位反转的宽频线性调频信号激励到复合材料试样中；利用3D多普勒激光测振仪，对被测复合材料试样进行区域扫描，得到相反转叠加的复合材料试样时域超声波场；对得到的时域超声波场进行傅里叶变化，得到频域超声波场；其中，单晶超声压电传感器是用来和被测复合材料试样的板接触引起振动，从而使板里面有传播的超声波，其真激励信号是由信号发生器输出的，输出的交流电压作用在超声压电传感器上引起里面的晶片振动，并带动板振动。
步骤3：利用损伤-背景增益比率算法计算出各假设损伤区域的损伤增益频谱；通过比较各假设损伤区域的增益频谱确定实际损伤区域；根据实际损伤区域损伤增益频谱的峰值得到局部损伤共振频率；计算复合材料试样在局部损伤共振频率下的超声波场，绘制振幅热点图；将所有共振频率下的热点图进行加权叠加，实现对损伤具体形状和位置的清晰成像。
进一步的，上述步骤1中，在被测复合材料试样上划分n个假设损伤区；在被测复合材料试样边缘放置一片用于激励超声信号的单晶超声压电传感器，具体包括：
根据被测复合材料试样受到冲击载荷或其他加载的位置，划分出损伤可能存在的区域称为假设损伤区。在被测试样边缘安装一片单晶超声压电传感器，用于激励带宽为B的宽频带的线性调频信号，以在被测复合材料试样中产生弯曲模态的超声导波。
进一步的，上述步骤2具体包括：
利用相反转技术，通过可编程的信号发生器编辑两串相位稳定且相位反转的带宽为B的宽频线性调频信号；通过所述的单晶超声压电传感器先后将两串相位反转的宽频线性调频信号激励到复合材料试样中；然后利用3D多普勒激光测振仪，对被测复合材料试样进行区域扫描，分别提取两次初始相位相反激励后的复合材料试样的时域波场，并将两次得到的时域波场叠加；对叠加后的时域波场的各个点进行傅里叶变换，得到各个点在相反转技术叠加后的频谱图，从而得到复合材料试样的频域波场。
所述的相反转技术具体步骤如下：
通过单晶超声压电传感器在复合材料试样中产生的一串相位相反的频带范围为f0～f0+B、初始相位为0°的宽频带线性调频超声导波信号，通过3D多普勒激光测振仪对复合材料试样进行区域扫描，提取复合材料试样离面方向的时域波场，得到各个点的时域信号为
Figure BDA0004121070980000051
通过单晶超声压电传感器在复合材料试样中产生一串频带范围为f0～f0+B，初始相位为180°的宽频带线性调频超声导波信号，通过3D多普勒激光测振仪对复合材料试样进行区域扫描，提取复合材料试样离面方向的时域波场，得到各个点的时域信号为
Figure BDA0004121070980000061
所述的时域信号
Figure BDA0004121070980000062
与所述的时域信号/>
Figure BDA0004121070980000063
进行代数叠加，得到相反转处理后的时域信号/>
Figure BDA0004121070980000064
通过对所述的时域信号
Figure BDA0004121070980000065
进行FFT处理，得到复合材料试样经过相反转技术处理后的频域波场/>
Figure BDA0004121070980000066
进一步的，所述步骤3中，利用损伤-背景增益比率算法计算出各假设损伤区域的损伤增益频谱；通过比较各假设损伤区域的增益频谱确定实际损伤区域；根据实际损伤区域损伤增益频谱的峰值得到局部损伤共振频率；计算复合材料试样在局部损伤共振频率下的超声波场，绘制振幅热点图；具体包括：
通过相反转技术处理后的频域波场
Figure BDA0004121070980000067
提取假设损伤区的频域波场，利用损伤-背景增益比率算法计算出各假设损伤区域的损伤增益频谱；提取各假设损伤区域的损伤增益频谱的最大值，绘制假设损伤区-损伤增益最大值图谱，从其中的极大值中选出实际的损伤区域；根据实际损伤区域损伤增益频谱的峰值得到局部损伤共振频率；计算复合材料试样在局部损伤共振频率下的超声波场，绘制振幅热点图；
所述的损伤-背景增益比率算法具体步骤如下：
通过所得到的相反转处理后的频域波场
Figure BDA0004121070980000068
提取假设损伤区域对应的频域波场
Figure BDA0004121070980000069
利用损伤-背景增益比率函数计算损伤增益频谱，其计算公式为：
Figure BDA00041210709800000610
其中Gain(f)为损伤-背景增益比率函数，f∈(f0,f0+B)，f0为最小频率，B为频谱带宽；
Figure BDA00041210709800000611
为假设损伤区域对应的频域波场的振幅最大值，/>
Figure BDA0004121070980000071
为编号为m的假设损伤区域，m＝1,2…n，xj和yj为编号为m的假设损伤区域内M个扫查点的对应坐标，j＝1,2…,M；/>
Figure BDA0004121070980000072
为相反转处理后的频域波场各点在各频率下的幅值平均值，其计算公式为：
Figure BDA0004121070980000073
其中ΩB为激光多普勒测振仪扫查的复合材料试样上的区域，xi和yi为假设损伤区域内N个扫查点的对应坐标，i＝1,2…,N；
进一步的，在得到各假设损伤区域的损伤增益频谱，可以提取各假设损伤区域的损伤增益频谱的最大值Gain(m)＝Max(Gainm(f))，绘制
Figure BDA0004121070980000074
图谱，通过其中的极大值中选出实际的损伤区域；根据实际损伤区域损伤增益频谱Gainm(f)的峰值得到s个局部损伤共振频率/>
Figure BDA0004121070980000075
计算复合材料试样在局部损伤共振频率下的超声波场/>
Figure BDA0004121070980000076
绘制振幅热点图；
进一步的，所述步骤3中，将所有共振频率下的热点图进行加权叠加，实现对损伤具体形状和位置的清晰成像。所述的加权叠加的计算公式为：
Figure BDA0004121070980000077
Figure BDA0004121070980000078
其中wξ为加权叠加系数，
Figure BDA0004121070980000079
为复合材料试样在局部损伤共振频率下的超声波场，/>
Figure BDA00041210709800000710
为经过加权叠加后的复合材料试样波场。通过绘制/>
Figure BDA0004121070980000081
即可以实现对损伤具体形状和位置的清晰成像。
相较于背景技术所述的损伤成像方法，基于局部损伤共振的成像方法与超声导波相结合，是具有更高信噪比、更高效、更安全的损伤检测手段。局部损伤共振是一种客观物理现象，其是指当样本材料中存在损伤时，由于在损伤位置出现了刚度、密度等材料特性的局部变化，因此在某些特定频率下会表现为独立于材料整体之外的振子，并产生强烈震动。基于这种物理现象，本申请通过上述方案实现一种基于损伤特定振动频率的损伤成像方法。然而，在实际研究中发现，对于毫米级甚至微米级的微小损伤，由于损伤尺寸过小，造成材料的局部性能变化微弱，再加上复合材料构件本身的材料属性复杂，使得在实际提取共振频率时，损伤的特定共振频率会“淹没”在构件本身的固有频率甚至噪声之中，难以清晰有效地提取出来。此外，基于此提取的共振频率的损伤成像效果也会受到材料本身声场的影响而难以清晰识别或产生误判，仅能实现损伤位置的判断，无法清晰识别损伤尺寸、形状等具体信息。对于小尺寸的损伤检测，无法进一步有效提高基于局部损伤共振成像方法的信噪比，是该研究方向的一大难题。为此，本发明的方法首次结合了相位反转技术和背景比率算法，实现在损伤共振频率下对材料其他区域声场的有效抑制，有效提高信噪比，凸显微小损伤的局部振动，实现对损伤位置的清晰识别，避免误判；此外还提出了一种综合成像算法，通过提取高阶损伤共振进行综合成像，有效实现对损伤尺寸、形状的等信息的清晰成像。
根据本申请的另一方面，提供一种基于局部损伤共振的复合材料损伤成像检测装置，包括可编程信号发生器，3D多普勒激光测振仪，功率放大器，相位调制器，一个单晶超声换能器，示波器和计算机；可编程信号发生器分别与功率放大器、示波器和计算机电连接，功率放大器通过相位调制器与所述单晶超声换能器连接；单晶超声换能器通过超声耦合剂安装在复合材料试样表面的边缘位置；所述的可编程信号发生器用于激励两串相位稳定且相位反转的带宽为B的宽频线性调频信号，经过所述功率放大器放大信号与所述相位调制器调制相位后，连接单晶超声换能器，使超声波信号被导入所述被测复合材料试样中；所述的3D多普勒激光测振仪用于扫查被测复合材料试样中的超声波波场，经过所述功率放大器放大信号后，送入示波器和计算机进行信号分析。该检测装置采用上述基于局部损伤共振的复合材料损伤成像检测方法进行检测。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明基于局部损伤共振(LDR)的方法对复合材料中的损伤进行成像，解决了传统损伤检测方法信噪比低，能量转化效率差的问题，能够增强能量转化效率将提高信噪比，可实现高准确率与鲁棒性的复合材料内部损伤无损检测以及高分辨率的损伤成像；采用基于局部损伤共振的成像方法，相比较传统成像方法能够实现利用较小的激励能量得到清晰的损伤位置成像；采用相反转技术与损伤-背景增益比率算法结合，解决了基于局部损伤共振的成像方法中局部损伤共振频率不易提取和识别，局部损伤共振成像背景存在噪声影响判断等问题，能够实现增强局部损伤共振频率信噪比，更易提取局部损伤共振频率，以及实现对局部损伤形状、位置等信息的清晰识别；采用基于局部损伤共振频率的加权叠加方法，将不同阶局部损伤共振的复合材料试样的频域波场加权叠加，解决了单一局部损伤共振频率下损伤成像能力不足的问题，能够实现对复杂形状损伤的形状、尺寸等信息的清晰成像；此外在实际操作过程中，由于导波的频散和多模式特性，相反前后的波场容易出现不稳定等问题，造成相反转叠加无法有效抑制背景波场，因此本发明应用了可编程信号发生器和3D多普勒激光测振仪；其中可编程信号发生器用于编辑激励相位稳定且相位相反的带宽为B的宽频带线性调频信号，用于保证在复合材料构件中传播的导波模式初始相位稳定。3D多普勒激光测振仪，可以实现对构件导波波场的快速扫查，因此可以保证在构建中传播的导波模式的波场稳定，提高相反转技术的成功率。因此所述的基于局部损伤共振的复合材料损伤成像检测方法及装置能够实现对大型复杂复合材料结构件的原位、快速、实时检测。
附图说明
本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。在附图中：
图1为本发明实施例基于局部损伤共振的复合材料损伤成像检测装置的结构示意图；
其中，1—可编程信号发生器、2—功率放大器、3—相位调制器、4—单晶超声换能器、5—3D多普勒激光测振仪、6—复合材料试样、7—示波器、8—计算机；
图2为本发明实施例基于局部损伤共振的复合材料损伤成像检测方法的流程示意图；
图3为本发明实施例基于局部损伤共振的复合材料损伤成像检测方法中的划分假设损伤区域以及通过损伤-背景增益比率算法确定实际损伤区域的方法示意图；
图4为本发明实施例基于局部损伤共振的复合材料损伤成像检测方法中的相反转技术处理前的损伤增益频谱图；
图5为本发明实施例基于局部损伤共振的复合材料损伤成像检测方法中的相反转技术处理后的损伤增益频谱图；
图6为本发明实施例基于局部损伤共振的复合材料损伤成像检测方法中的相反转处理前，1阶局部损伤共振频率下的矩形损伤成像图；
图7为本发明实施例基于局部损伤共振的复合材料损伤成像检测方法中的相反转处理后，1阶局部损伤共振频率下的矩形损伤成像图；
图8为本发明实施例基于局部损伤共振的复合材料损伤成像检测方法中的相反转处理后，高阶局部损伤共振频率下的矩形损伤成像图；
图9为本发明实施例基于局部损伤共振的复合材料损伤成像检测方法中的加权叠加处理后矩形损伤成像图；
图10为本发明实施例基于局部损伤共振的复合材料损伤成像检测方法中的加权叠加处理后三角形损伤成像图；
图11为本发明实施例基于局部损伤共振的复合材料损伤成像检测方法中的加权叠加处理后圆形损伤成像图。
具体实施方式
下面将参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。
在本发明的描述中，需要理解的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明实施例提供一种基于局部损伤共振的复合材料损伤成像检测方法及装置，其检测方法通过在复合材料板上用网格化划分方法，划分n个假设损伤区用于实施背景比率算法，利用可编程的信号发生器编辑两串相位稳定且相位相反的带宽为B的宽频线性调频信号，保证在复合材料构件中传播的导波模式初始相位稳定；在复合材料板边缘位置，通过单晶超声压电传感器先后将两串相位相反的宽频线性调频信号激励到复合材料试样中；利用3D多普勒激光测振仪，对被测复合材料试样进行区域扫描，得到相反转叠加的复合材料试样时域超声波场；由于导波具有频散特性，因此相位反转前后波场容易出现不稳定的现象，导致相反转技术应用失败，因此应用3D多普勒激光测振仪可以实现区域的快速扫描，进而保证导波波场的稳定性，避免相反转前后波场的明显变化，提高相反转的成功率；对得到的时域超声波场进行傅里叶变化，得到频域超声波场；利用损伤-背景增益比率算法计算出各假设损伤区域的损伤增益频谱；通过比较各假设损伤区域的增益频谱确定实际损伤区域；根据实际损伤区域损伤增益频谱的峰值得到局部损伤共振频率；计算复合材料试样在局部损伤共振频率下的超声波场，绘制振幅热点图；将所有共振频率下的热点图进行加权叠加，实现对损伤具体形状和位置的清晰成像。
实施例1
本实施例提供一种基于局部损伤共振的复合材料损伤成像检测装置，如图1所示，该装置包括可编程信号发生器1，功率放大器2，相位调制器3，单晶超声换能器4，3D多普勒激光测振仪5，复合材料试样6，示波器7和计算机8；可编程信号发生器1分别与功率放大器2、示波器7和计算机7连接，功率放大器2通过相位调制器3与所述单晶超声换能器连接4；单晶超声换能器4通过超声耦合剂安装在复合材料试样6表面的边缘位置；可编程信号发生器1用于产生两串相位稳定且相位相反的带宽为B的宽频线性调频信号，经过功率放大器2放大信号与相位调制器3调制相位后，连接单晶超声换能器4，使超声波信号被导入被测复合材料试样6中；3D多普勒激光测振仪5用于扫查被测复合材料试样6中的超声波波场，经过功率放大器2放大信号后，送入示波器7和计算机8进行信号分析。
实施例2
如图2所示，本实施例提供一种基于局部损伤共振的复合材料损伤成像检测方法，通过激励一串包含损伤谐振频率的宽频带的超声信号，诱发局部损伤区域的谐振，通过相反转技术，抑制损伤增益频谱和声场中谐振区域外的背景噪声，使局部损伤谐振频率即频域波场热点图能够清晰提取，通过将频带范围内所有的谐振频率对应的热点图进行加权叠加处理，是复合材料试样中的局部损伤被清晰成像。实现该方法是基于：(1)复合材料内的局部损伤会导致损伤区域的局部刚度缺失，进而导致损伤的局部位置具有独立于材料整体之外的固有谐振频率，在这一频率下损伤位置的振动强度远高于材料的健康区域，这一现象也被称为局部损伤共振；(2)相反转技术能够使材料中的导波产生相消干涉，而损伤位置的局部共振与健康区域中传播的导波是不同的震动模式，因而不会被抑制，因此相反转技术可以有效抑制局部损伤外的背景噪声，在局部损伤共振信号增强的基础上，实现损伤轮廓、形状的进一步成像；(3)不同阶的局部损伤共振模态对损伤形状有不同的表征能力，因此经过加权叠加后能够将不同局部损伤共振模态下的形状进行综合叠加，实现对损伤形状、大小、位置的完整成像。
过程1)根据被测复合材料试样网格化划分，得到假设损伤区域；
过程2)在被测试样边缘安装一片单晶超声压电传感器，用于激励带宽为B的宽频带的线性调频信号，以在被测复合材料试样中产生弯曲模态的超声导波；
过程3)利用可编程的信号发生器编辑两串相位稳定且相位反转的带宽为B的宽频线性调频信号；通过所述的单晶超声压电传感器先后将两串相位反转的宽频线性调频信号激励到复合材料试样中；
过程4)利用3D多普勒激光测振仪，对被测复合材料试样进行区域扫描，分别提取两次初始相位相反激励后的复合材料试样的时域波场
Figure BDA0004121070980000141
和/>
Figure BDA0004121070980000142
并将两次得到的时域波场叠加，得到相反转处理后的时域波场/>
Figure BDA0004121070980000143
过程5)对叠加后的时域波场的各个点进行FFT处理，得到各个点在相反转技术叠加后的频谱图，从而得到复合材料试样的频域波场
Figure BDA0004121070980000144
过程6)通过所得到的相反转处理后的频域波场
Figure BDA0004121070980000145
提取假设损伤区域对应的频域波场/>
Figure BDA0004121070980000146
利用损伤-背景增益比率函数计算损伤增益频谱，其计算公式为：
Figure BDA0004121070980000147
其中Gain(f)为损伤-背景增益比率函数，f为频率,f∈(f0,f0+B)，f0为最小频率，B为频谱带宽；
Figure BDA0004121070980000148
为假设损伤区域对应的频域波场的振幅最大值，
Figure BDA0004121070980000149
为编号为m的假设损伤区域，m＝1,2…n，xj和yj为编号为m的假设损伤区域内M个扫查点的对应坐标，j＝1,2…,M；/>
Figure BDA0004121070980000151
为相反转处理后的频域波场各点在各频率下的幅值平均值，其计算公式为：
Figure BDA0004121070980000152
其中ΩB为激光多普勒测振仪扫查的复合材料试样上的区域，xi和yi为假设损伤区域内N个扫查点的对应坐标，i＝1,2…,N；
过程7)在得到各假设损伤区域的损伤增益频谱后，可以提取各假设损伤区域的损伤增益频谱的最大值Gain(m)＝Max(Gainm(f))，绘制
Figure BDA0004121070980000153
图谱，通过其中的极大值中选出实际的损伤区域；
过程8)根据实际损伤区域损伤增益频谱Gainm(f)的峰值得到s个局部损伤共振频率
Figure BDA0004121070980000154
过程9)计算复合材料试样在局部损伤共振频率下的超声波场
Figure BDA0004121070980000155
绘制振幅热点图；
过程10)将所有共振频率下的热点图进行加权叠加，计算方法为：
Figure BDA0004121070980000156
Figure BDA0004121070980000157
其中wξ为加权叠加系数，
Figure BDA0004121070980000158
为复合材料试样在局部损伤共振频率下的超声波场，/>
Figure BDA0004121070980000159
为经过加权叠加后的复合材料试样波场。通过绘制/>
Figure BDA0004121070980000161
即可以实现对损伤具体形状和位置的清晰成像。
本发明的检验原理为：
首先，对于一般材料制作成的构件而言，都会有其固有频率，而当构件内部出现损伤，会导致损伤区域的局部刚度降低或缺失，进而导致损伤的局部位置具有独立于构件整体之外的固有谐振频率，在这一频率下损伤位置的振动强度远高于构件的其他区域，这一现象也被称为局部损伤共振(LDR)。局部损伤共振与构件的固有频率共振相同，有不同阶数的振型或模式，一般而言，局部损伤越小，局部损伤共振现象越不明显，一阶共振频率越高；局部损伤越大，局部损伤共振现象越明显，一阶共振频率越低。对于复合材料构件，当其受到高/低速冲击损伤时，其内部容易产生分层、纤维断裂等缺陷，且这种缺陷类型往往是区域型，具有强烈的局部损伤共振现象。因此，基于局部损伤共振的复合材料损伤成像检测方法具有明显可行性。
对于一块包含损伤的被测复合材料试样，其损伤具体位置和局部损伤共振频率总是未知的。因此，可以对复合材料试样进行网格式划分并且采用宽频带线性调频信号激励的方式对复合材料试样进行频率扫查。利用局部损伤共振强度明显高于试样其他区域的这一特点，通过损伤-背景增益比率算法计算，绘制
Figure BDA0004121070980000162
图谱，可以直接锁定损伤区域和损伤的共振频率。图3中表示了假设损伤区域的划分方法和扫查过程，并通过绘制
Figure BDA0004121070980000163
图谱确定了实际损伤区域。
由于低速冲击下在复合材料中形成的损伤实际尺寸微小，往往低于毫米级甚至微米级，因此通常情况下损伤的局部共振频率会淹没在复合材料构件本身的固有频率甚至噪声中，损伤增益频谱信噪较比差如图4所示，难以清晰识别局部损伤共振频率。此外，单纯的局部损伤共振频率仅能识别损伤位置，存在信噪比低，无法实现对损伤大小、形状的清晰成像，如图6所示。因此为了损伤增益频率中局部损伤共振频率的信噪比，增强对复杂形状损伤的成像能力，本发明增加了相反转技术和加权叠加方法。相反转技术能够使材料中的导波产生相消干涉，而损伤位置的局部共振与健康区域中传播的导波是不同的震动模式，因而不会被抑制，因此相反转技术可以有效抑制局部损伤外的背景噪声。另外，在实际操作过程中，由于导波的频散和多模式特性，相反前后的波场容易出现不稳定等问题，造成相反转叠加无法有效抑制背景波场，因此本发明应用了可编程信号发生器和3D多普勒激光测振仪。其中可编程信号发生器用于编辑激励相位稳定且相位相反的带宽为B的宽频带线性调频信号，用于保证在复合材料构件中传播的导波模式初始相位稳定。3D多普勒激光测振仪，可以实现对构件导波波场的快速扫查，因此可以保证在构建中传播的导波模式的波场稳定，提高相反转技术的成功率。局部损伤共振的形式往往以点为中心向外扩散的圆形振型，因此不同阶的局部损伤共振模态对损伤形状有不同的表征能力。低阶模式能够有效定位损伤，且对于简单形状损伤具有基本的成像能力；高阶模式区域分辨率更高，能够实现对复杂形状的损伤进行成像表征。为此，本发明增加的加权叠加的方法，能够高效综合各阶局部损伤共振模式的优势，显著增强损伤成像的效果。图4-8显示了应用相反转技术和加权叠加方法后，信噪比得到了明显提升，对不同形状的损伤进行清晰成像。
本发明是基于局部损伤共振的原理，结合了相反转技术的噪声抑制能力和将不同阶损伤共振加权叠加，开发出一种基于局部损伤共振的复合材料损伤成像检测方法及装置。这项技术对于复合材料构件中的高/低速冲击造成的微小损伤十分敏感，并且结合多普勒激光测振，可以实现对复合材料构件的原位、非接触、无损检测，能够实现对复合材料中复杂损伤形位的高鲁棒性和高分辨率的成像检测。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
此外，本发明的方法不限于按照说明书中描述的时间顺序来执行，也可以按照其他的时间顺序地、并行地或独立地执行。因此，本说明书中描述的方法的执行顺序不对本发明的技术范围构成限制。
尽管上面已经通过对本发明的具体实施例的描述对本发明进行了披露，但是，应该理解，上述的所有实施例和示例均是示例性的，而非限制性的。本领域的技术人员可在所附权利要求的精神和范围内设计对本发明的各种修改、改进或者等同物。这些修改、改进或者等同物也应当被认为包括在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于局部损伤共振的复合材料损伤成像检测方法，其特征在于：包括：
步骤1：采用网格化划分方法，在被测复合材料试样上划分n个假设损伤区；在被测复合材料试样的边缘安装一片用于激励超声信号的单晶超声压电传感器；
步骤2：利用相反转技术，通过可编程的信号发生器编辑两串相位稳定且相位反转的带宽为B的宽频线性调频信号；通过所述的单晶超声压电传感器先后将两串相位反转的宽频线性调频信号激励到复合材料试样中；利用3D多普勒激光测振仪，对被测复合材料试样进行区域扫描，得到相反转叠加的复合材料试样时域超声波场
Figure FDA0004121070900000012
对得到的时域超声波场进行傅里叶变化，得到相反转处理后的频域超声波场/>
Figure FDA0004121070900000011
步骤3：利用损伤-背景增益比率算法计算出相反转技术处理后的各假设损伤区域的损伤增益频谱Gainm(f)；绘制
Figure FDA0004121070900000013
图谱，通过其中的极大值中选出实际的损伤区域；根据相反转后的实际损伤区域损伤增益频谱的峰值得到局部损伤共振频率/>
Figure FDA0004121070900000014
计算复合材料试样在局部损伤共振频率下的超声波场，绘制振幅热点图/>
Figure FDA0004121070900000015
将所有局部共振频率下的热点图进行加权叠加，得到加权叠加后的波场/>
Figure FDA0004121070900000016
通过绘制热点图实现对损伤具体形状和位置的清晰成像。
2.根据权利要求1所述的复合材料损伤成像检测方法，其特征在于：所述步骤2中：利用相反转技术，通过可编程的信号发生器编辑两串相位稳定且相位反转的带宽为B的宽频线性调频信号；通过所述的单晶超声压电传感器先后将两串相位反转的宽频线性调频信号激励到复合材料试样中；利用3D多普勒激光测振仪，对被测复合材料试样进行区域扫描，得到相反转叠加的复合材料试样时域超声波场
Figure FDA0004121070900000021
对得到的时域超声波场进行傅里叶变化，得到频域超声波场/>
Figure FDA0004121070900000022
具体包括：
通过单晶超声压电传感器在复合材料试样中产生频带范围为f0～f0+B、初始相位为0°的宽频带线性调频超声导波信号，通过3D多普勒激光测振仪对复合材料试样进行区域扫描，提取复合材料试样离面方向的时域波场，得到各个点的时域信号为
Figure FDA0004121070900000023
通过单晶超声压电传感器在复合材料试样中产生频带范围为f0～f0+B、初始相位为180°的宽频带线性调频超声导波信号，通过3D多普勒激光测振仪对复合材料试样进行区域扫描，提取复合材料试样离面方向的时域波场，得到各个点的时域信号为
Figure FDA0004121070900000024
所述的时域信号
Figure FDA0004121070900000025
与所述的时域信号/>
Figure FDA0004121070900000026
进行代数叠加，得到相反转处理后的时域信号/>
Figure FDA0004121070900000027
通过对所述的时域信号
Figure FDA0004121070900000028
进行FFT处理，得到复合材料试样经过相反转技术处理后的频域波场/>
Figure FDA0004121070900000029
3.根据权利要求1所述的复合材料损伤成像检测方法，其特征在于：所述步骤3中：利用损伤-背景增益比率算法计算出相反转技术处理后的各假设损伤区域的损伤增益频谱Gainm(f)；绘制
Figure FDA00041210709000000210
图谱，通过其中的极大值选出实际的损伤区域，具体包括：
通过相反转技术处理后的频域波场
Figure FDA00041210709000000211
提取假设损伤区的频域波场/>
Figure FDA00041210709000000212
利用损伤-背景增益比率算法计算出各假设损伤区域的损伤增益频谱Gainm(f)；在得到各假设损伤区域的损伤增益频谱后，提取各假设损伤区域的损伤增益频谱的最大值Gain(m)＝Max(Gainm(f))，绘制/>
Figure FDA00041210709000000213
图谱，通过其中的极大值中选出实际的损伤区域。
4.根据权利要求3所述的复合材料损伤成像检测方法，其特征在于：所述的损伤-背景增益比率算法具体步骤如下：
通过所得到的相反转处理后的频域波场
Figure FDA0004121070900000039
提取假设损伤区域对应的频域波场
Figure FDA0004121070900000038
利用损伤-背景增益比率函数计算损伤增益频谱，其计算公式为：
Figure FDA0004121070900000031
其中，Gain(f)为损伤-背景增益比率函数，f为频率，f∈(f0,f0+B)，f0为最小频率，B为频谱带宽；
Figure FDA0004121070900000036
为假设损伤区域对应的频域波场的振幅最大值，/>
Figure FDA0004121070900000037
为编号为m的假设损伤区域，m＝1,2…n，xj和yj为编号为m的假设损伤区域内M个扫查点的对应坐标，j＝1,2…,M；/>
Figure FDA0004121070900000035
为相反转处理后的频域波场各点在各频率下的幅值平均值，其计算公式为：/>
Figure FDA0004121070900000032
其中ΩB为激光多普勒测振仪扫查的复合材料试样上的区域，xi和yi为假设损伤区域内N个扫查点的对应坐标，i＝1,2…,N。
5.根据权利要求4所述的复合材料损伤成像检测方法，其特征在于：所述步骤3中：根据相反转后的实际损伤区域损伤增益频谱的峰值得到局部损伤共振频率
Figure FDA0004121070900000033
计算复合材料试样在局部损伤共振频率下的超声波场，绘制振幅热点图/>
Figure FDA0004121070900000034
具体包括：
得到各假设损伤区域的损伤增益频谱，提取各假设损伤区域的损伤增益频谱的最大值Gain(m)＝Max(Gainm(f))，绘制
Figure FDA0004121070900000043
图谱，通过其中的极大值中选出实际的损伤区域；根据实际损伤区域损伤增益频谱Gainm(f)的峰值得到s个局部损伤共振频率
Figure FDA0004121070900000044
计算复合材料试样在局部损伤共振频率下的超声波场/>
Figure FDA0004121070900000045
绘制振幅热点图。
6.根据权利要求1所述的复合材料损伤成像检测方法，其特征在于：所述步骤3中：将所有共振频率下的热点图进行加权叠加，得到加权叠加后的波场
Figure FDA0004121070900000046
通过绘制热点图实现对损伤具体形状和位置的清晰成像；其中，所述的加权叠加的计算方法为：
Figure FDA0004121070900000041
Figure FDA0004121070900000042
其中wξ为加权叠加系数，
Figure FDA0004121070900000047
为复合材料试样在局部损伤共振频率下的超声波场，/>
Figure FDA0004121070900000048
为经过加权叠加后的复合材料试样波场。
7.一种基于局部损伤共振的复合材料损伤成像检测装置，其特征在于：包括：可编程信号发生器，3D多普勒激光测振仪，功率放大器，相位调制器，单晶超声换能器，示波器和计算机；
所述可编程信号发生器分别与功率放大器、示波器和计算机电连接，功率放大器通过相位调制器与所述单晶超声换能器连接；单晶超声换能器通过超声耦合剂安装在被测复合材料试样表面的边缘位置；
所述的可编程信号发生器用于激励带宽为B的线性调频信号，经过所述功率放大器放大信号与所述相位调制器调制相位后，连接单晶超声换能器，使超声波信号被导入所述被测复合材料试样中；所述的3D多普勒激光测振仪用于扫查被测复合材料试样中的超声波波场，经过所述功率放大器放大信号后，送入示波器和计算机进行信号分析。
8.根据权利要求7所述的复合材料损伤成像检测装置，其特征在于：该装置执行如权利要求1-6任一所述的复合材料损伤成像检测方法。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN118330036A (zh) * 2024-06-12 2024-07-12 浙江大学 一种基于超声导波的复合材料曲面结构分层损伤成像方法
CN118425305A (zh) * 2024-04-24 2024-08-02 南京航空航天大学 基于离面速度场奇异成分分析的平板损伤检测方法及系统

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