本发明专利技术涉及构件无损检测和信号处理领域，具体一种基于时间反转及多模态效应的一维构件无损探伤方法。本发明专利技术包括：(1)在长度大于直径尺寸十倍的钢杆一端放置收发合置传感器用于发射与接收信号；根据固体中的频散特性得到由于多模态效应引起的首次回波信号的幅值与时间延迟，得到首次回波信号的模态成分；选择包含了所有波形信息的反转时间T，在时域上在时间[0，T]内对首次接收回波进行时间反转处理；将时反后的信号作为激励再次由发射元发射入钢杆，分析再次接收到的回波信号波形成分，得到了损伤信号的聚焦信号。本发明专利技术能够针对一维构件内部复杂的多模态效应引发的波形的畸变，有效地聚焦损伤信号。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及构件无损检测和信号处理领域，具体一种基于时间反转及多模态效应 的一维构件无损探伤方法。
技术介绍
无损探测是现代工程检测技术中最重要的方法。近年来，应用时间反转方法进行 固体材料损伤检测成为无损探测的一个新的研究方向。时间反转是将光学中的相位共辄引 入到声学中的一种方法，该理论在超声体波领域得到很大发展。时间反转技术的四十余年 的研究主要应用于水声声学领域，大量实验已验证时反镜可用于复杂海洋环境下的目标检 测及定位。 目前，时间反转方法在固体损伤探测领域的大量研究仍集中于反射情况简单的板 材结构和薄壁管道。一维构件中的应力波传输规律复杂，存在多种模态成分。因此，应用现 有技术解决一维构件无损探测存在以下问题:一是现有的时反探伤研究大多采用传感器阵 列的形式。而一维构件受到单端传感器的限制，导致接收的信号混叠严重;二是目前一维构 件损伤探测方法多局限于定性探测，尚缺乏定量的理论依据。 本专利技术提出了单阵元传感器条件的一维构件环境下一种基于时间反转和多模态 效应的无损探伤方法;选取汉宁窗调制的10周期单音频正弦脉冲作为探测信号，由钢杆端 部的收发合置传感器收发信号；用时间反转方法处理损伤信号，解决了一维构件内多模态 效应带来的严重失真的问题，实现了对损伤信号的聚焦放大。
技术实现思路
为了克服上述现有方法的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于时间反转及多模 态效应的一维构件无损探伤方法。 本专利技术的目的是这样实现的： 包括如下步骤： (1)在长度大于直径尺寸十倍的钢杆一端放置收发合置传感器用于发射与接收信 号，利用应力波在钢杆中的传播特性，在发射元处以纵向L(0，1)模态向钢杆内发射经过汉 宁窗调制的10周期单音频正弦信号，其在传播过程中经过边界和内部损伤的作用发生了模 态转换，生成了新的模态，包括了纵向模态、弯曲模态以及扭转模态； (2)钢杆作为固体波导，可根据固体中的频散特性得到由于多模态效应引起的首 次回波信号的幅值与时间延迟，得到首次回波信号的模态成分，根据接收元首次接收的波 形的幅值最大值与激励脉冲的幅值最大值的比值，得到该信道的系统响应； (3)选择包含了所有波形信息的反转时间T，在时域上在时间内对首次接收 回波进行时间反转处理； (4)将时反后的信号作为激励再次由发射元发射入钢杆，分析再次接收到的回波 信号波形成分，得到了损伤信号的聚焦信号。 所述向钢杆内发射经过汉宁窗调制的10周期单音频正弦信号S(t)，A和μ为拉密常 数，Ρ是材料密度，▽为拉普拉斯算符，用P (r，t)表示声波运动轨迹，δ为冲击函数，则在发射 元向钢杆中发射脉冲激励后，钢杆中的应力波传播模式为： + //)· VVp{r.. /) + ρ Γ Ρ^： ^ == ,v(V)· J(r - ) dr. 。 所述得到首次回波信号的模态成分由于构件边界和内部损伤引发的多种模态成 分，其波速不同，接收元接收的回波G是具有不同的幅值和时间延迟的信号的叠加： G(r, (〇) = (r, 〇j)e，!':·'' + (r, 〇j)e /Λ,'' + (r, (〇)e M，' h ? 其中ω为应力波的中心角频率，(r,w)、、气分别表示轴对称纵波的信号幅 值波数和传播速度，七·("·~)，t、〃_/分别表不轴对称扭转波的超声导波信号幅值、波数 和传播速度，&、c_F;分别表不非轴对称弯曲波的超声导波信号幅值、波数和传 播速度。每个模态成分都分别是该模态经过损伤面和末端面反射回波形的叠加。 所述的对首次接收回波进行时间反转处理包括:对于钢杆模型，如果入射的激励 信号频域表达为S( ω )，接收元首次接收到的信号Vl在频域上可以表示为： /' Λ = S(fti) ；/，' +Σ??/. '''' ? F.t J 选取包含所有波形信息的时间区间，在内将首次回波信号进行时间反 转操作，用于再次激励的信号％ '频域表示为： / \ K, (/'w)二 S 如X厂(/'<·;如 S'(<.y) ° V Α· ' % ' -Pi y 所述的分析再次接收到的回波信号波形成分包括:系统响应Η为 Η( ω ) = Vi' (r, ω )/Vi(r, ω ) 再次接收的回波在频域上为： Ζ( ω )=S*( ω )Η( ω )Η*( ω ) = S*( ω )Η( ω )2。 本专利技术的有益效果在于： 本专利技术能够针对一维构件内部复杂的多模态效应引发的波形的畸变，有效地聚焦 损伤信号。【附图说明】图1为本专利技术的算法流程图。图2为一维固体构件中应力波多模态传播模型图。 图3为首次接收的回波信号波形图。 图4为再次接收的聚焦回波信号。具体实施措施 下面结合附图对本专利技术做进一步描述。 -维构件具有单端传感器限制，本专利技术提出了基于时间反转及多模态效应的一维 构件应力波无损探伤方法，其特征在于步骤如下:针对一维构件，选取长度大于直径尺寸十 倍的钢杆，在钢杆的一端放置一个收发合置传感器阵元，在发射元发射脉冲激励后，根据应 力波在一维钢质长杆中的传播特性，对接收元接收的回波进行模态成分进行分析。选取包 含所有波形信息的反转时间T，在时域上对接收的首次回波信号进行时间反转处理，将时反 后的信号作为激励再次由发射元发射至钢杆内，分析再次接收的回波波形，得到时间反转 方法在多模态传播条件中显著的聚焦和放大效果。 该方法的具体步骤是： (1)在长度大于直径尺寸十倍的钢杆一端放置收发合置传感器用于发射与接收信 号。用s(t)表示声源发射的经汉宁窗调制的10周期的正弦单音频脉冲信号，λ和μ为拉密常 数，Ρ是材料密度，▽为拉普拉斯算符，S为冲击函数，用p(r，t)表示声波运动轨迹，应力波在 钢杆中的传播遵循如下规律： (1 + μ)· Vyp{r,t) + jiN2p{r,i)-pd = s{t)-d{r - rj Cl) (2)钢杆中多模态效应传播模型如图2所示。将汉宁窗调制的10周期单音频正弦脉 冲信号s(t)以纵向L(0，1)模态从发射元激发至钢杆中，首次在接收元处接收的回波信号如 图3所示，如果入射的激励信号频域表达为S(co)，是不同模态的应力波到达待检测损伤点 的信号的叠加： f \ Vl(r,oj) = S(co)G(r,w) = S(fo>) (r,<y)c_-\-^_ia T {r,m)e~'kT'r 'kr,r (2 ) l h % F, ) 其中.分别表示轴对称纵波的信号幅值波数和传播速度， (r，当前第1页1 2 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于时间反转及多模态效应的一维构件无损探伤方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)在长度大于直径尺寸十倍的钢杆一端放置收发合置传感器用于发射与接收信号，利用应力波在钢杆中的传播特性，在发射元处以纵向L(0,1)模态向钢杆内发射经过汉宁窗调制的10周期单音频正弦信号，其在传播过程中经过边界和内部损伤的作用发生了模态转换，生成了新的模态,包括了纵向模态、弯曲模态以及扭转模态；(2)钢杆作为固体波导，可根据固体中的频散特性得到由于多模态效应引起的首次回波信号的幅值与时间延迟，得到首次回波信号的模态成分，根据接收元首次接收的波形的幅值最大值与激励脉冲的幅值最大值的比值，得到该信道的系统响应；(3)选择包含了所有波形信息的反转时间T，在时域上在时间[0，T]内对首次接收回波进行时间反转处理；(4)将时反后的信号作为激励再次由发射元发射入钢杆，分析再次接收到的回波信号波形成分，得到了损伤信号的聚焦信号。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：康维新，高爽，李敬德，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23
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