本發(fā)明專利涉及一種用于板狀結(jié)構(gòu)檢測(cè)的真時(shí)延單模態(tài)Lamb波相控陣系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

普通超聲檢測(cè)是單一探頭的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方法，得到的是一維信號(hào)，在單次測(cè)量中不能夠直觀地成像，而多探頭組成的相控陣檢測(cè)方法可對(duì)結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行檢測(cè)和成像。超聲相控陣損傷檢測(cè)起源于軍事中的相控陣?yán)走_(dá)，二者都是基于惠更斯原理實(shí)現(xiàn)的：一個(gè)發(fā)射和接收超聲波波束用于損傷檢測(cè)，一個(gè)使用電磁波用于目標(biāo)追蹤。超聲相控陣的探頭是由一組彼此獨(dú)立的壓電傳感器(PZT)單元所組成，每一個(gè)單元都能獨(dú)立地發(fā)射和接收超聲波，通過各自不同時(shí)間延遲的激勵(lì)信號(hào)造成彼此之間發(fā)射超聲波相位差異，從而使各陣元所發(fā)射的波在介質(zhì)中疊加形成具有方向性聚焦的波陣面和波束用于檢測(cè)。而在方向性波束遇到損傷之后，其反射回來的波動(dòng)信號(hào)能夠被相控陣探頭接收到，按照對(duì)應(yīng)的聚焦法則進(jìn)行延遲處理和疊加，實(shí)現(xiàn)相控陣成像。與傳統(tǒng)的超聲損傷檢測(cè)技術(shù)相比，超聲相控陣探頭能產(chǎn)生靈活偏轉(zhuǎn)聚焦的波束，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的掃描，檢測(cè)范圍廣，檢測(cè)速度快，可以檢測(cè)難以接近、常規(guī)超聲無法檢測(cè)的區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)和構(gòu)件及盲區(qū)位置缺陷的檢測(cè)。通過對(duì)局部晶片單元激勵(lì)信號(hào)的控制，可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)超聲無法實(shí)現(xiàn)的高速、全方位、多角度的動(dòng)態(tài)聚焦掃描。

超聲相控陣探頭線性陣列主要參數(shù)如圖1所示。其中，N為線性陣列晶片個(gè)數(shù)，w為單個(gè)壓電片陣元寬度，l為單個(gè)壓電片陣元長(zhǎng)度，e是陣元間的間距空隙，a為陣元與陣元間中心距，a＝w+e，整個(gè)陣列總長(zhǎng)度為D＝(N-1)d+w，也稱為超聲相控陣線性陣列的陣元孔徑。

普通超聲相控陣技術(shù)經(jīng)過眾多學(xué)者的研究，技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但普通超聲相控陣技術(shù)對(duì)板狀結(jié)構(gòu)檢測(cè)存在檢測(cè)區(qū)域小，不能直觀得到板中缺陷位置，對(duì)板狀結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)效率低等問題。而板中導(dǎo)波不同于普通超聲波，由于受到板上下邊界的限制，板中導(dǎo)波能夠傳播更遠(yuǎn)距離而沒有明顯的信號(hào)衰減，十分適合進(jìn)行長(zhǎng)距離復(fù)雜結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)。然而板中導(dǎo)波Lamb波是頻散的，其波速隨著試件厚度及信號(hào)頻率的變換而變化，模態(tài)比普通超聲波復(fù)雜且各種模態(tài)耦合,如圖2所示，因此對(duì)Lamb波相控陣損傷檢測(cè)系統(tǒng)需要進(jìn)行特殊的設(shè)計(jì)和搭建以便實(shí)現(xiàn)單一模態(tài)的激發(fā)與檢測(cè)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于以上不足之處，本發(fā)明提出一種用于板狀結(jié)構(gòu)檢測(cè)的真時(shí)延單模態(tài)Lamb波相控陣系統(tǒng)，采用窄帶脈沖激發(fā)陣列單元，根據(jù)調(diào)諧曲線選擇特定的單一模態(tài)并在檢測(cè)方向上增強(qiáng)導(dǎo)波中單一模態(tài)的幅值，實(shí)現(xiàn)真實(shí)物理場(chǎng)中的波束偏轉(zhuǎn)與聚焦，提高了空間域分辨率，放大了損傷反射的信號(hào)，能夠更準(zhǔn)確地識(shí)別板中損傷位置和形狀，同時(shí)擴(kuò)大了損傷檢測(cè)的范圍。

本發(fā)明所采用的技術(shù)如下：一種用于板狀結(jié)構(gòu)檢測(cè)的真時(shí)延單模態(tài)Lamb波相控陣系統(tǒng)，包括：控制器，多通道數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，多晶片Lamb波相控陣探頭，多通道繼電器，多通道模/數(shù)轉(zhuǎn)換采集卡，成像顯示器,

控制器電信號(hào)連接多通道數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，多通道數(shù)/模轉(zhuǎn)換器通過多通道繼電器電信號(hào)連接多晶片Lamb波相控陣探頭；

多晶片Lamb波相控陣探頭通過多通道繼電器電信號(hào)連接多通道模/數(shù)轉(zhuǎn)換采集卡，多通道模/數(shù)轉(zhuǎn)換采集卡電信號(hào)連接控制器，控制器電信號(hào)連接成像顯示器；多通道數(shù)/模轉(zhuǎn)換器將不同通道的發(fā)射信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)以便驅(qū)動(dòng)多晶片Lamb波相控陣探頭；多晶片Lamb波相控陣探頭通過逆壓電效應(yīng)將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成波動(dòng)信號(hào)在結(jié)構(gòu)中激發(fā)出來，同時(shí)在接收階段根據(jù)正壓電效應(yīng)將損傷反射回來的波動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；多通道模/數(shù)轉(zhuǎn)換采集卡將不同通道的損傷反射回波的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)化成控制器數(shù)字信號(hào)；多通道繼電器在發(fā)射階段將多通道數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的發(fā)射信號(hào)連接在多晶片Lamb波相控陣探頭上，并在發(fā)射階段結(jié)束后，將多晶片Lamb波相控陣探頭連接到多通道模/數(shù)轉(zhuǎn)換采集卡上，用于采集損傷回波信號(hào)；

控制器對(duì)被測(cè)試件的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置并計(jì)算不同時(shí)間延遲的發(fā)射信號(hào)，多晶片Lamb波相控陣探頭包括多個(gè)壓電傳感器單元，按從上至下按一定間隔的順序排成一列，并通過不同時(shí)間延遲的3周期漢寧窗調(diào)幅的窄帶脈沖激勵(lì)信號(hào)在一次檢測(cè)中同時(shí)進(jìn)行激發(fā)，由于陣列單元的激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過不同時(shí)間延遲調(diào)控，各自的相位不同，將會(huì)分別發(fā)出各自的Lamb波，根據(jù)惠更斯原理，不同Lamb波的波陣面疊加在一起，并聚焦在預(yù)設(shè)的焦點(diǎn)P處，并放大Lamb波中單一模態(tài)信號(hào)的幅值，從而實(shí)現(xiàn)物理場(chǎng)中單模態(tài)Lamb波的真實(shí)的聲束偏轉(zhuǎn)、聲束聚焦、聲束掃描的功能；遇到損傷反射回波后，所有壓電傳感器單元同時(shí)在接收到信號(hào)，通過控制器對(duì)其進(jìn)行重構(gòu)確定損傷位置、計(jì)算后成像，通過調(diào)整不同激勵(lì)信號(hào)的時(shí)間延遲實(shí)現(xiàn)板狀結(jié)構(gòu)全區(qū)域的單模態(tài)Lamb波定向定點(diǎn)掃描，從而實(shí)現(xiàn)損傷檢測(cè)。

本發(fā)明還具有進(jìn)一步的特征，

1、其中，真時(shí)延單模態(tài)Lamb波相控陣真時(shí)延聚焦方法為：

真時(shí)延單模態(tài)Lamb波相控陣中心頻率為100kHz，選用A₀模態(tài)的波進(jìn)行板狀結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)；以3個(gè)周期漢寧窗窄帶脈沖信號(hào)激發(fā)單模態(tài)A₀波進(jìn)行板狀結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)，其中，各個(gè)單元的激勵(lì)信號(hào)為V(t-δ_n),基準(zhǔn)電壓激勵(lì)信號(hào)H(t)為赫維賽德階躍函數(shù)，當(dāng)t≥0時(shí)H(t)＝1；當(dāng)t＜0時(shí)H(t)＝0，N_ρ＝3，f_c＝100kHz；以A₀模態(tài)波的群速度來計(jì)算相控陣單元的時(shí)間延遲，從第n個(gè)壓電片到達(dá)焦點(diǎn)P的距離表示成如下的形式：

其中，a是兩個(gè)相控陣單元中心的距離，F(xiàn)是焦距，也就是焦點(diǎn)到相控陣中心點(diǎn)的距離，θ_F是焦點(diǎn)的偏移角度；在聚焦于焦點(diǎn)P時(shí)，各個(gè)壓電片對(duì)應(yīng)的時(shí)間延遲δ_n分別表達(dá)為式(2)的形式，c為導(dǎo)波中A₀波的群速度，t₀為一個(gè)足夠大的常數(shù)以便保證時(shí)間延遲不為負(fù)數(shù)，分別對(duì)奇數(shù)壓電片和偶數(shù)個(gè)壓電片進(jìn)行推導(dǎo)；

設(shè)初始由第n個(gè)壓電片單元發(fā)出的信號(hào)幅值為A_n，Lamb波的衰減為距離平方根的反比最終各個(gè)壓電片單元產(chǎn)生的波陣面合成到焦點(diǎn)P處的波為：

其中，S_p(t)是焦點(diǎn)P處的波場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)，S₀是各個(gè)壓電片單元初始信號(hào)；

2、真時(shí)延單模態(tài)Lamb波相控陣的單模態(tài)成像方法為：

設(shè)在角度為θ_d，距離R_d的點(diǎn)D處有一個(gè)損傷，相控陣聚焦的焦點(diǎn)在P處，不同壓電傳感器單元發(fā)出的波在點(diǎn)D處疊加結(jié)果S_D(t)為公式(4)所示，其中d_n為第n個(gè)壓電傳感器單元到損傷位置D的距離，其大小由幾何關(guān)系計(jì)算：

當(dāng)D處有損傷存在時(shí)，漫反射回來的波會(huì)被多晶片Lamb波相控陣探頭接收到，其中散射系數(shù)為B，考慮傳播回來的波幅值衰減項(xiàng)為d_m為損傷D處到第m個(gè)壓電傳感器單元的距離，從D處傳播回來到第m個(gè)壓電傳感器單元的波S_r(t)為：

反射回來的波，到各個(gè)壓電傳感器單元會(huì)存在不同的時(shí)間延遲，為了計(jì)算具體的損傷位置，需要把被動(dòng)相控陣各個(gè)壓電傳感器單元接收到的信號(hào)根據(jù)聚焦位置的不同，進(jìn)行組裝和疊加，從而得到代表該聚焦位置的損傷情況重構(gòu)信號(hào)，根據(jù)聚焦時(shí)間延遲δ_m，其組裝信號(hào)S_R(t)的表達(dá)公式為：

采用損傷情況和健康情況做差得到的差信號(hào)進(jìn)行組裝，減去包含健康情況下基準(zhǔn)信號(hào)的方法能夠排除了原有信號(hào)中的健康情況和初始缺陷對(duì)信號(hào)的影響，只與需要檢測(cè)的損傷大小和位置相關(guān)，更好地反應(yīng)損傷對(duì)信號(hào)的影響。當(dāng)聚焦點(diǎn)位置同缺陷位置重合時(shí)，聚焦角度θ_F＝θ_d，且焦距F＝R_d，損傷處產(chǎn)生很強(qiáng)的單模態(tài)Lamb波反射回波且組裝信號(hào)S_R(t)會(huì)取到極大值。

本發(fā)明具有如下有益效果及優(yōu)點(diǎn)：在對(duì)鋼箱梁橋面板、壓力容器、管道損傷、飛機(jī)蒙皮等板狀結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)中，檢測(cè)范圍廣、損傷敏感度高、成像直觀、檢測(cè)效率高。本發(fā)明專利通過真正時(shí)間延遲方法實(shí)現(xiàn)了物理聲場(chǎng)聚焦的單模態(tài)Lamb波相控陣技術(shù)，不同于單一激發(fā)的后期數(shù)學(xué)虛擬聚焦方法，本發(fā)明能夠在結(jié)構(gòu)中真正激發(fā)出方向性的單一模態(tài)Lamb波波束，并靈活實(shí)現(xiàn)掃描、偏轉(zhuǎn)和聚焦等真實(shí)效果。該技術(shù)能夠明顯地增強(qiáng)信號(hào)的信噪比，通過A₀波束的偏轉(zhuǎn)和聚焦提升損傷檢測(cè)的空間分辨率，提高了檢測(cè)精度，產(chǎn)生方向性定點(diǎn)聚焦的A₀波束(單模態(tài)Lamb波)，并通過反射回來單一模態(tài)Lamb波(A₀波)信號(hào)的強(qiáng)弱對(duì)損傷的位置和大小進(jìn)行判定。

附圖說明

圖1是線性陣列的幾何參數(shù)圖；

圖2是Lamb波群速度與頻厚積的頻散曲線圖；

圖3是真時(shí)延單模態(tài)Lamb波相控陣檢測(cè)過程及硬件連接示意圖；

圖4是真時(shí)延單模態(tài)Lamb波相控陣及其聚焦點(diǎn)圖；

圖5是真時(shí)延單模態(tài)Lamb波相控陣系統(tǒng)中壓電傳感器單元的調(diào)諧曲線圖；

圖6是真時(shí)延單模態(tài)Lamb波超聲相控陣聚焦和反射回波示意圖；

圖7是無損情況下，真時(shí)延單模態(tài)Lamb波相控陣波場(chǎng)LDV實(shí)際檢測(cè)結(jié)果圖，聚焦點(diǎn)為100mm,0°；

圖8是無損情況下，真時(shí)延單模態(tài)Lamb波相控陣波場(chǎng)LDV實(shí)際檢測(cè)結(jié)果圖，聚焦點(diǎn)為100mm,30°；

圖9是無損情況下，真時(shí)延單模態(tài)Lamb波相控陣波場(chǎng)LDV實(shí)際檢測(cè)結(jié)果圖，聚焦點(diǎn)為100mm,45°；

圖10是有損情況下，真時(shí)延單模態(tài)Lamb波相控陣波場(chǎng)LDV實(shí)際檢測(cè)結(jié)果圖，聚焦點(diǎn)為100mm,0°；

圖11是有損情況下，真時(shí)延單模態(tài)Lamb波相控陣波場(chǎng)LDV實(shí)際檢測(cè)結(jié)果圖；，聚焦點(diǎn)100mm,30°；

圖12是有損情況下，真時(shí)延單模態(tài)Lamb波相控陣波場(chǎng)LDV實(shí)際檢測(cè)結(jié)果圖；，聚焦點(diǎn)100mm,45°；

圖13是無損情況下，真時(shí)延單模態(tài)Lamb波相控陣接收到的波形圖；

圖14是無損情況下，互相關(guān)函數(shù)計(jì)算的傳播時(shí)間圖；

圖15是損傷情況1，被檢測(cè)區(qū)域損傷的位置圖；

圖16是損傷情況1，真時(shí)延單模態(tài)Lamb波相控陣接收到的信號(hào)和原有的基準(zhǔn)信號(hào)圖；

圖17是損傷情況1，有、無損傷情況下的差信號(hào)圖；

圖18是損傷情況1，不同通道的差信號(hào)圖；

圖19是損傷情況1，真時(shí)延單模態(tài)Lamb波相控陣的損傷檢測(cè)結(jié)果圖；

圖20是損傷情況2，被檢測(cè)區(qū)域損傷的位置圖；

圖21是損傷情況2，真時(shí)延單模態(tài)Lamb波相控陣接收到的信號(hào)和原有的基準(zhǔn)信號(hào)圖；

圖22是損傷情況2，有、無損傷情況下的差信號(hào)圖；

圖23是損傷情況2，真時(shí)延單模態(tài)Lamb波相控陣的損傷檢測(cè)結(jié)果圖；

具體實(shí)施方式

下面根據(jù)說明附圖舉例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明:

實(shí)施例1

一種用于板狀結(jié)構(gòu)檢測(cè)的真時(shí)延單模態(tài)Lamb波相控陣系統(tǒng)，如圖3所示，包括：控制器1，多通道數(shù)/模轉(zhuǎn)換器2，多晶片Lamb波相控陣探頭3，多通道繼電器4，多通道模/數(shù)轉(zhuǎn)換采集卡5，成像顯示器6,

控制器1電信號(hào)連接多通道數(shù)/模轉(zhuǎn)換器2，多通道數(shù)/模轉(zhuǎn)換器2通過多通道繼電器4電信號(hào)連接多晶片Lamb波相控陣探頭3；

多晶片Lamb波相控陣探頭3通過多通道繼電器4電信號(hào)連接多通道模/數(shù)轉(zhuǎn)換采集卡5，多通道模/數(shù)轉(zhuǎn)換采集卡5電信號(hào)連接控制器1，控制器1電信號(hào)連接成像顯示器6；多通道數(shù)/模轉(zhuǎn)換器將不同通道的發(fā)射信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)以便驅(qū)動(dòng)多晶片Lamb波相控陣探頭；多晶片Lamb波相控陣探頭通過逆壓電效應(yīng)將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成波動(dòng)信號(hào)在結(jié)構(gòu)中激發(fā)出來，同時(shí)在接收階段根據(jù)正壓電效應(yīng)將損傷反射回來的波動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；多通道模/數(shù)轉(zhuǎn)換采集卡將不同通道的損傷反射回波的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)化成控制器數(shù)字信號(hào)；多通道繼電器在發(fā)射階段將多通道數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的發(fā)射信號(hào)連接在多晶片Lamb波相控陣探頭上，并在發(fā)射階段結(jié)束后，將多晶片Lamb波相控陣探頭連接到多通道模/數(shù)轉(zhuǎn)換采集卡上，用于采集損傷回波信號(hào)；

控制器對(duì)被測(cè)試件的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置并計(jì)算不同時(shí)間延遲的發(fā)射信號(hào)，多晶片Lamb波相控陣探頭包括多個(gè)壓電傳感器單元，按從上至下按一定間隔的順序排成一列，并通過不同時(shí)間延遲的3周期漢寧窗調(diào)幅的窄帶脈沖激勵(lì)信號(hào)在一次檢測(cè)中同時(shí)進(jìn)行激發(fā)，由于陣列單元的激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過不同時(shí)間延遲調(diào)控，各自的相位不同，將會(huì)分別發(fā)出各自的Lamb波，根據(jù)惠更斯原理，不同Lamb波的波陣面疊加在一起，并聚焦在預(yù)設(shè)的焦點(diǎn)P處，并放大Lamb波中單一模態(tài)信號(hào)的幅值，從而實(shí)現(xiàn)物理場(chǎng)中單模態(tài)Lamb波的真實(shí)的聲束偏轉(zhuǎn)、聲束聚焦、聲束掃描的功能；遇到損傷反射回波后，所有壓電傳感器單元同時(shí)在接收到信號(hào)，通過控制器對(duì)其進(jìn)行重構(gòu)確定損傷位置、計(jì)算后成像，通過調(diào)整不同激勵(lì)信號(hào)的時(shí)間延遲實(shí)現(xiàn)板狀結(jié)構(gòu)全區(qū)域的單模態(tài)Lamb波定向定點(diǎn)掃描，從而實(shí)現(xiàn)損傷檢測(cè)。

如圖4所示，Lamb波相控陣探頭包括多個(gè)壓電傳感器單元，并通過不同時(shí)間延遲的窄帶脈沖激勵(lì)信號(hào)按照順序進(jìn)行激發(fā)，分別發(fā)出各自的Lamb波，而不同Lamb波的波陣面隨著傳播會(huì)按照惠更斯原理疊加在一起，通過調(diào)整相控陣不同單元間的時(shí)間延遲，其激發(fā)的超聲波會(huì)在介質(zhì)中疊加形成新的波陣面，并聚焦在預(yù)設(shè)的焦點(diǎn)P處，從而實(shí)現(xiàn)聲束偏轉(zhuǎn)、聲束聚焦、聲束掃描等功能，達(dá)到多種形式的檢測(cè)模式。聲波聚焦在被檢測(cè)物體內(nèi)部的特殊位置，并放大損傷反射回波信號(hào)的幅值，從而實(shí)現(xiàn)損傷檢測(cè)的目的。圖中，位于最上面的壓電傳感器單元最先接受到激勵(lì)信號(hào)并發(fā)出Lamb波，第二個(gè)單元隨后發(fā)出Lamb波，按照時(shí)間延遲的先后發(fā)射完畢后，先發(fā)的波會(huì)與后發(fā)出的波聚集在一起，合成新的波陣面，并最終在P點(diǎn)疊加到峰值。與普通超聲相控陣不同的是，Lamb波相控陣用于板狀結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)，同時(shí)需要考慮Lamb波兩組不同的模態(tài)(S模態(tài)和A模態(tài))的頻散效應(yīng)。Lamb波相控陣的激勵(lì)信號(hào)為窄帶脈沖信號(hào)(Tone-burst signals)，用以減小Lamb波頻散效應(yīng)的影響，同時(shí)為了達(dá)到更好的聚焦效果以提高損傷定位與識(shí)別精度，需要針對(duì)特定的激勵(lì)信號(hào)頻率選取能激發(fā)最大幅值的模態(tài)。

真時(shí)延單模態(tài)Lamb波相控陣中心頻率為100kHz，選用A₀模態(tài)的波進(jìn)行板狀結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)，而壓電傳感器單元的調(diào)諧曲線(Tunning curve)如圖5所示，該頻率下的A₀模態(tài)的幅值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于S₀模態(tài)的幅值。因此，選用A₀模態(tài)的波進(jìn)行板狀結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)，以便達(dá)到大幅增強(qiáng)反射回波信號(hào)，更好進(jìn)行損傷檢測(cè)的目的；以3個(gè)周期漢寧窗窄帶脈沖信號(hào)激發(fā)單模態(tài)A₀波進(jìn)行板狀結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)，如圖9所示。各個(gè)單元的激勵(lì)信號(hào)為V(t-δ_n),基準(zhǔn)電壓激勵(lì)信號(hào)H(t)為赫維賽德階躍函數(shù)，當(dāng)t≥0時(shí)H(t)＝1；當(dāng)t＜0時(shí)H(t)＝0，N_ρ＝3，f_c＝100kHz；選用A₀模態(tài)波的群速度來計(jì)算相控陣單元的時(shí)間延遲，從第n個(gè)壓電片到達(dá)焦點(diǎn)P的距離表示成如下的形式：

其中，a是兩個(gè)相控陣單元中心的距離，F(xiàn)是焦距，也就是焦點(diǎn)到相控陣中心點(diǎn)的距離，θ_F是焦點(diǎn)的偏移角度；在聚焦于焦點(diǎn)P時(shí)，各個(gè)壓電片對(duì)應(yīng)的時(shí)間延遲δ_n分別表達(dá)為式(2)的形式，c為導(dǎo)波中A₀波的群速度，t₀為一個(gè)足夠大的常數(shù)以便保證時(shí)間延遲不為負(fù)數(shù)，分別對(duì)奇數(shù)壓電片和偶數(shù)個(gè)壓電片進(jìn)行推導(dǎo)；

設(shè)初始由第n個(gè)壓電片單元發(fā)出的信號(hào)幅值為A_n，Lamb波的衰減為距離平方根的反比最終各個(gè)壓電片單元產(chǎn)生的波陣面合成到焦點(diǎn)P處的波為：

其中，S_p(t)是焦點(diǎn)P處的波場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)，S₀是各個(gè)壓電片單元初始信號(hào)；

真時(shí)延單模態(tài)Lamb波相控陣成像方法為：

設(shè)在角度為θ_d，距離R_d的點(diǎn)D處有一個(gè)損傷，相控陣聚焦的焦點(diǎn)在P處，如圖6所示，一般情況下，點(diǎn)D處并沒有產(chǎn)生的明顯的聚焦，不同壓電傳感器單元發(fā)出的波在點(diǎn)D處疊加結(jié)果S_D(t)為公式(4)所示，其中d_n為第n個(gè)壓電傳感器單元到損傷位置D的距離，其大小由幾何關(guān)系計(jì)算，

當(dāng)D處有損傷存在時(shí)，漫反射回來的波會(huì)被多晶片Lamb波相控陣探頭接收到，其中散射系數(shù)為B，考慮傳播回來的波幅值衰減項(xiàng)為d_m為損傷D處到第m個(gè)壓電傳感器單元的距離，從D處傳播回來到第m個(gè)壓電傳感器單元的波S_r(t)為：

反射回來的波，到各個(gè)壓電傳感器單元會(huì)存在不同的時(shí)間延遲，為了計(jì)算具體的損傷位置，需要把被動(dòng)相控陣各個(gè)壓電傳感器單元接收到的信號(hào)根據(jù)聚焦位置的不同，進(jìn)行組裝和疊加，從而得到代表該聚焦位置的損傷情況重構(gòu)信號(hào)，根據(jù)聚焦時(shí)間延遲δ_m，其組裝信號(hào)S_R(t)的表達(dá)公式為：

采用損傷情況和健康情況做差得到的差信號(hào)進(jìn)行組裝，減去包含健康情況下基準(zhǔn)信號(hào)的方法能夠排除了原有信號(hào)中的健康情況和初始缺陷對(duì)信號(hào)的影響，只與需要檢測(cè)的損傷大小和位置相關(guān)，更好地反應(yīng)損傷對(duì)信號(hào)的影響。當(dāng)聚焦點(diǎn)位置同缺陷位置重合時(shí)，聚焦角度θ_F＝θ_d，且焦距F＝R_d，損傷處產(chǎn)生很強(qiáng)的單模態(tài)Lamb波反射回波且組裝信號(hào)S_R(t)會(huì)取到極大值。

實(shí)施例2

采用激光多普勒測(cè)振儀(LDV)測(cè)量Lamb波相控陣激發(fā)出波的聚焦情況。試驗(yàn)中，被測(cè)的金屬板為6061鋁合金板，其密度為2,700kg/m³，彈性模量E為69.0GPa，泊松比v為0.33，尺寸為914.4mm×914.4mm×1.6mm。在板的中間粘貼7個(gè)壓電傳感器，每個(gè)壓電片的尺寸為7mm×7mm×0.5mm，間距為1mm構(gòu)成真時(shí)延單模態(tài)Lamb波主動(dòng)相控陣。同時(shí)在主動(dòng)相控陣的背面對(duì)應(yīng)位置粘貼被動(dòng)相控陣以接收損傷的散射回波，對(duì)板的損傷進(jìn)行檢測(cè)和定位。每一個(gè)壓電傳感器單元都是通過導(dǎo)電的銅膠帶與導(dǎo)線相連并接入發(fā)射/接收儀器中——美國國家儀器NI公司生產(chǎn)的PXIe-1082，共有四塊采集卡：PXIe-6361，PXIe-6124以及兩個(gè)PXI-6115數(shù)據(jù)輸出采集卡，包含有8個(gè)輸出通道，其中1個(gè)通道用于連接激光測(cè)振儀的觸發(fā)接口用于觸發(fā)激光測(cè)振儀的采集程序，另外7個(gè)通道按照順序依次連接在真時(shí)延單模態(tài)Lamb波相控陣的7個(gè)壓電傳感器單元上。反面被動(dòng)相控陣的7個(gè)單元也依次接入到數(shù)據(jù)采集卡中采集信號(hào)，輸出通道和輸入通道的采樣頻率都是1MHz。激光測(cè)振儀掃描的區(qū)域?yàn)?86mm×366mm包含有22400(140×160)個(gè)測(cè)量點(diǎn)。

(1)無損傷構(gòu)件的試驗(yàn)結(jié)果

無損傷時(shí)，調(diào)整主動(dòng)相控陣的各個(gè)壓電傳感器單元的時(shí)間延遲為0s，0.722μs，1.160μs，1.307μs，1.160μs，0.722μs和0s，以便使之聚焦在100mm，0°處。通過激光測(cè)振儀測(cè)量該工況下波的聚焦結(jié)果，包括發(fā)射、疊加、聚焦和發(fā)散的整個(gè)過程，如圖7所示：在Lamb波被相控陣單元激發(fā)之后，不同的波陣面隨著傳播疊加在一起并形成了具有方向性的波束，并且能夠在預(yù)設(shè)的焦點(diǎn)處進(jìn)行單模態(tài)A₀波的聚焦；隨著時(shí)間延遲，該單模態(tài)A₀波波束能夠?qū)φ麄€(gè)探測(cè)區(qū)域進(jìn)行很好的掃描和單點(diǎn)聚焦。將時(shí)間延遲調(diào)整為10.815μs，9.611μs，8.132μs，6.405μs，4.458μs，2.315μs和0s，則波束的聚焦點(diǎn)為100mm，30°處，如圖8所示。同理，聚焦點(diǎn)也可以通過調(diào)整時(shí)間延遲的方法，聚焦于100mm，45°處，如圖9所示。根據(jù)最終的波場(chǎng)匯總圖可以看到，由主動(dòng)相控陣發(fā)射的單模態(tài)波束具有相控陣的典型特點(diǎn)：有明顯的聚焦焦點(diǎn)，具有方向性的A₀波束，主瓣突出、伴有若干旁瓣，并且只在聚焦點(diǎn)有顯著疊加放大效果，波在過早或者過晚都是發(fā)散而非聚焦，表明本文提出的方法成功地構(gòu)建了真時(shí)延單模態(tài)Lamb波相控陣系統(tǒng)，并且能夠靈活地用于損傷檢測(cè)。尤其需要指出的是，圖9中檢測(cè)到了一個(gè)非常微小的初始劃痕，劃痕很小，難以采用其他方法檢測(cè)出來，然而本發(fā)明的單模態(tài)Lamb波相控陣系統(tǒng)對(duì)損傷十分敏感，能夠很明顯地將其識(shí)別出來。

(2)損傷構(gòu)件的試驗(yàn)結(jié)果

在無損傷情況試驗(yàn)之后，于100mm，0°處粘貼兩個(gè)尺寸為12.7mm×12.7mm永磁鐵模擬損傷。通過對(duì)位粘貼磁鐵，限制鋁板在該區(qū)域的面外位移，可以在試驗(yàn)中安全且快速地在任意位置模擬“損傷”，并在試驗(yàn)結(jié)束后隨著磁鐵的移開，恢復(fù)成無損傷的情況，不會(huì)留下任何永久損傷，方便多次試驗(yàn)。

當(dāng)由主動(dòng)相控陣激發(fā)出的單模態(tài)Lamb波的波束在傳播過程中，遇到了該“損傷”區(qū)域，部分波會(huì)散射回來，并由被動(dòng)相控陣接收到散射回波，用于識(shí)別粘貼磁鐵“損傷”區(qū)域的位置和大小。更進(jìn)一步，如果主動(dòng)相控陣發(fā)射的單模態(tài)Lamb波束恰好聚焦在附有磁鐵的“損傷”區(qū)域時(shí)，會(huì)出現(xiàn)非常明顯的回波，伴隨著散射回波突出幅值，根據(jù)前文中提到的損傷成像算法，能夠有效地計(jì)算出損傷的位置和大小。

如圖10所示，聚焦0°時(shí)，聚焦點(diǎn)和設(shè)置的損傷點(diǎn)位置完全重合，因此在單模態(tài)Lamb波波束遇到磁鐵設(shè)置的“損傷”時(shí)，產(chǎn)生了很強(qiáng)的回波，向各個(gè)方向散射，并傳播回被動(dòng)相控陣系統(tǒng)中，從激光檢測(cè)的匯總圖中可以看出原有波束被反射回來并形成幅值很高的回波。而在如圖11和圖12所示，聚焦30°和45°中，在損傷不變的基礎(chǔ)上，由于聚焦點(diǎn)位置的變化，雖然依舊產(chǎn)生了部分散射回波，但由于單模態(tài)A₀波束主要能量集中并不在該區(qū)域上，原有損傷并沒有在波束成形方向上產(chǎn)生出很強(qiáng)的損傷回波。因此，單模態(tài)Lamb波相控陣有很強(qiáng)的方向性和排他性，能夠有針對(duì)性地檢測(cè)特定區(qū)域的損傷，具有很好的空間分辨率。從圖12中還可以看到，其對(duì)該聚焦點(diǎn)及該聚焦方向上的損傷很敏感，即使是很微小的劃痕，由于單模態(tài)Lamb波束集中聚焦放大的作用，也可以產(chǎn)生很強(qiáng)的散射回波，空間分辨率高。

實(shí)施例3

在上述激光測(cè)振儀檢測(cè)基礎(chǔ)上，被動(dòng)超聲相控陣也同時(shí)啟動(dòng)對(duì)被檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行損傷檢測(cè)。被動(dòng)相控陣的檢測(cè)原理是通過接收損傷處的反射回波，根據(jù)成像算法得到損傷大小和位置等幾何參數(shù)，本小節(jié)中分別展示不同損傷情況的檢測(cè)結(jié)果。

(1)無損傷情況下的試驗(yàn)結(jié)果

首先是無損傷情況下的損傷檢測(cè)結(jié)果，試驗(yàn)設(shè)置與上述激光測(cè)振儀檢測(cè)試驗(yàn)相同，在激光檢測(cè)的同時(shí)完成被動(dòng)相控陣的損傷識(shí)別和定位。將被動(dòng)相控陣接收到的信號(hào)首先經(jīng)過20kHz-500kHz的帶通濾波器濾掉低頻振動(dòng)信號(hào)并排除高頻噪聲干擾。

采用互相關(guān)函數(shù)對(duì)信號(hào)傳播時(shí)間進(jìn)行分析，兩個(gè)信號(hào)互相關(guān)函數(shù)表達(dá)式為：

其中，x(t)是基本的窄帶脈沖(Tone-burst)激勵(lì)信號(hào)，而y(t)是被動(dòng)相控陣接收到的信號(hào)，τ是兩個(gè)信號(hào)的時(shí)間間隔，R_xy(τ)是函數(shù)在該時(shí)間間隔下互相關(guān)函數(shù)值。通過上述互相關(guān)函數(shù)公式可以求解當(dāng)一個(gè)波包與基本窄帶脈沖信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)最大值對(duì)應(yīng)的時(shí)間便是兩個(gè)信號(hào)的時(shí)間差，即該模態(tài)波的傳播時(shí)間。

在板中沒有損傷的狀況下，主動(dòng)相控陣發(fā)射出單模態(tài)Lamb波只有遇到板的邊界才會(huì)形成較強(qiáng)的反射信號(hào)，從而產(chǎn)生回波由被動(dòng)相控陣接收到。被動(dòng)相控陣接收到的波形如圖13所示，其中由鋁板邊界反射的S₀波包和A₀波包分別在圖中用藍(lán)色和紅色虛線圈出，可以看出無損情況下S₀和A₀波幅值接近，且A₀波在該頻率下會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的頻散現(xiàn)象，波形產(chǎn)生很大的變形和拉伸，此外，除了最短途徑的反射回波，被動(dòng)相控陣還接收到了多路徑的復(fù)雜回波。

通過互相關(guān)函數(shù)可以計(jì)算得到S₀模態(tài)波包的由主動(dòng)相控陣發(fā)射到遇到邊界反射回被動(dòng)相控陣全程往返的傳播時(shí)間為t₁＝168μs，A₀模態(tài)波包的傳播時(shí)間為t₂＝420μs，如圖14所示。而S₀波包和A₀波包在該激勵(lì)信號(hào)的中心頻率100kHz下的理論波速分別是5,465m/s和2,172m/s，由此計(jì)算得到的傳播距離分別是918.1mm和912.2mm。實(shí)際波全程往返的距離為914.4mm，與測(cè)量結(jié)果誤差很小，可以用此波速很好地區(qū)分S₀波包和A₀波包，并識(shí)別后續(xù)工況的損傷位置。

(2)損傷情況1

損傷情況1是將兩個(gè)尺寸為12.7mm×12.7mm磁鐵粘貼在100mm，0°處，用于模擬損傷情況，如圖15所示。為了檢測(cè)其損傷大小和位置，通過NI公司的LabVIEW軟件，控制單模態(tài)A₀波相控陣檢測(cè)系統(tǒng)的時(shí)間延遲序列，掃描整個(gè)待檢測(cè)區(qū)域，聚焦點(diǎn)從50mm以25mm為步長(zhǎng)遞增到250mm，同時(shí)聚焦角度從-90°以15°為步長(zhǎng)增加到90°，使用被動(dòng)相控陣系統(tǒng)接收信號(hào)并確定損傷位置。

以超聲相控陣的焦點(diǎn)聚焦在100mm，0°的工況中第二通道采集到的信號(hào)為例，其中被動(dòng)相控陣接收到的包含損傷的信號(hào)和健康條件下的基準(zhǔn)信號(hào)如圖16所示，損傷信號(hào)和健康信號(hào)的差信號(hào)如圖17所示。從有損傷信號(hào)和差信號(hào)中可以看出，單模態(tài)Lamb波相控陣明顯增強(qiáng)了A₀波信號(hào)的幅值，降低了S₀模態(tài)波的干擾，避免了多模態(tài)的耦合，能夠?qū)p傷進(jìn)行更好地定位。其中，差信號(hào)只與新設(shè)置損傷有關(guān)，排除了包含初始劃痕和鋁板邊界等健康情況的信號(hào)，用單模態(tài)Lamb波相控陣差信號(hào)按照相控陣成像的方法進(jìn)行組裝，對(duì)損傷進(jìn)行識(shí)別。從圖17中的差信號(hào)中可以明顯地看出：由于損傷存在而散射回來的S₀波包和A₀波包，到達(dá)鋁板邊界后被反射回來的S₀波包和A₀波包，以及其他路徑反射的復(fù)雜波包。其傳播的時(shí)間各不相同，代表了損傷與相控陣的距離和不同路徑傳播的往返距離。在真時(shí)延單模態(tài)Lamb相控陣的作用下，由于損傷反射回來A₀模態(tài)的波幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于S₀模態(tài)，能更好地識(shí)別損傷。

在主動(dòng)相控陣聚焦點(diǎn)為100mm，30°時(shí)，提取被動(dòng)相控陣所有7個(gè)壓電傳感器單元的差信號(hào)，如圖18所示。各個(gè)通道的差信號(hào)存在不同的時(shí)間延遲，尤其是對(duì)于選定的A₀波包。為了將其重構(gòu)在一起，需要根據(jù)式(6)基于發(fā)射信號(hào)的延遲進(jìn)行重構(gòu)和疊加，組裝得到單模態(tài)Lamb波相控陣系統(tǒng)合成信號(hào)來計(jì)算損傷的大小和位置。最終將被檢測(cè)區(qū)域所有掃描點(diǎn)得到的差信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)得到最終檢測(cè)結(jié)果如圖19所示，可以看出其與磁鐵設(shè)置的“損傷”位置吻合很好。

(3)損傷情況2

同樣的，將兩個(gè)尺寸為38.1mm×12.7mm(1.5inch×0.5inch)永磁鐵粘貼在鋁板的125mm，15°處，用于形成另一種損傷情況，如圖20所示。同樣可以在被動(dòng)相控陣中接收到損傷產(chǎn)生的信號(hào)，由于損傷布設(shè)的位置較之前損傷情況遠(yuǎn)一些，因此損傷散射回波的A₀波包傳播時(shí)間變長(zhǎng)，如圖21和圖22所示。同樣根據(jù)差信號(hào)對(duì)損傷進(jìn)行重構(gòu)，得到被檢測(cè)區(qū)域的損傷檢測(cè)結(jié)果如圖23所示，與該工況下?lián)p傷位置吻合。體現(xiàn)了真時(shí)延單模態(tài)Lamb相控陣對(duì)損傷非常敏感，能夠靈活且有效地對(duì)板狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷檢測(cè)。