基于小波的非线性超声异侧激励混频的微裂纹定位方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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；本发明专利技术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。

Wavelet based location method of micro cracks for nonlinear ultrasonic mixing with different side excitation

The invention discloses a method for locating micro-cracks by non-linear ultrasonic unilateral excitation mixing based on wavelet transform, which comprises: setting the first sensor and the second sensor on both sides of the tested piece respectively, constituting a non-linear Lamb wave unilateral excitation; and collecting fatigue cracks generated by unilateral excitation in the tested piece. The time-frequency analysis of the mixing signal is carried out by wavelet transform, and the characteristic frequency and the time when the characteristic frequency appears are extracted to realize the identification and location of the fatigue damage structure. The invention applies wavelet transform theory and MATLAB software to the field of non-destructive testing, and proposes a method for detecting and locating micro-cracks in metal sheets from the angle of time-frequency analysis; the method combines simulation with experiment, and optimizes parameters continuously to obtain the best characteristic frequency that can characterize mixing signal. The results show that the method based on wavelet transform is correct and feasible.

【技术实现步骤摘要】
基于小波的非线性超声异侧激励混频的微裂纹定位方法
本专利技术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。
技术介绍
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ChristophPruell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。HXu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。XWan[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，ZSu[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。
技术实现思路
本专利技术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；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。所述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具体为：先固定由第一路射频输出端口发射的频率S10，在相匹配的第一传感器和第二传感器的频率响应的前提下，设定一个频率扫描范围(f1,f2)与扫描步长f0；将第二路射频输出端口发射的频率S11依次施加频率为f1，f1+f0，f1+2f0，f1+3f0…f2的激励，观查并记录出现混频效应的最佳效果即混频信号幅值达到最大时对应的频率S11，以此作为第二路射频输出端口11的激励源；根据非线性lamb波混频理论，待提取的目标特征混频信号的频率即为S10+S11。进一步地，所述通过小波变换对混频信号进行时频分析具体为：利用有限元仿真软件Abaqus预获取混频检测信号；根据小波变换的原理，选取合适的小波基函数和尺度函数，使用MATLAB软件对混频检测信号采集的信号进行相关分析。其中，所述利用有限元仿真软件Abaqus预获取混频检测信号具体为：建立的被测样件的几何模型；对几何模型进行激励加载和分析相关设置；以及，计算网格划分尺寸、以及对输出参数进行设置。进一步地，所述对几何模型进行激励加载和分析相关设置具体为：两侧激励信号的激励时间与延时时间应满足如下式中的条件：式中：tsl为左侧激励的激励时间；tsr为右侧激励的激励时间；trd为右侧激励信号的延时时间；cgl为左侧激励信号的群速度；cgr为右侧激励信号的群速度；a、b表示距离。具体实现时，上述对两侧激励信号施加的激励时间选取原则是：在满足混频效应发生即两列激励信号能够在板材中相遇的前提下，为提高仿真效率与增强分辨率，通常选取最小激励时间值。进一步地，所述特征频率出现的时间具体为：式中，tr为混频信号特征频率接收到的时间。本专利技术提供的技术方案的有益效果是：1、本专利技术及早地发现并确定了结构中微裂纹的位置，降低了因过早对不含损伤结构的材料进行替换而造成的浪费，提高了材料的利用率；2、本专利技术避免了因未能及时发现损伤结构的存在而引发的安全事故，此外本专利技术对预测金属材料剩余寿命的研究具有很好的借鉴意义；3、本专利技术搭建了非线性lamb波异侧激励实验平台，基于体波混频的研究方法，进行lamb波异侧激励混频的实验，达到对金属板材结构中微裂纹识别定位的目的；4、本专利技术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；5、本专利技术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。附图说明图1为本专利技术技术方案的整体流程图；图2为非线性lamb波异侧激励混频检测实验系统的结构示意图；图3为样件相应的几何参数的示意图；图4为仿真输出的混频信号结果的示意图；图5为混频信号经小波变换进行时频分析的结果示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。实施例1一种基于非线性lamb波异侧激励混频的微裂纹定位方法，参见图1，所述方法包括以下步骤：101：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；102：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；103：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。其中，步骤102中的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具体为：先固定由第一路射频输出端口发射的频率S10，在相匹配的第一传感器和第二传感器的频率响应的前提下，设定一个频率扫描范围(f1,f2)与扫描步长f0；将第二路射频输出端口发射的频率S11依次施加频率为f1，f1+f0，f1+2f0，f1+3f0…f2的激励，观查并记录出现混频效应的最佳效果即混频信号幅值达到最大时对应的频率S11，以此作为第二路射频输出端口11的激励源；根据非线本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于小波的非线性超声异侧激励混频的微裂纹定位方法，其特征在于，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；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。

【技术特征摘要】
1.基于小波的非线性超声异侧激励混频的微裂纹定位方法，其特征在于，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；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。2.根据权利要求1所述的基于小波的非线性超声异侧激励混频的微裂纹定位方法，其特征在于，所述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具体为：先固定由第一路射频输出端口发射的频率S10，在相匹配的第一传感器和第二传感器的频率响应的前提下，设定一个频率扫描范围(f1,f2)与扫描步长f0；将第二路射频输出端口发射的频率S11依次施加频率为f1，f1+f0，f1+2f0，f1+3f0…f2的激励，观查并记录出现混频效应的最佳效果即混频信号幅值达到最大时对应的频率S11，以此作为第二路射频输出端口11的激励源；根据非线性lamb波混频理论，待提取的目标特征混频信号的频率即为S10+S11。3.根据权利要求1所述的基于小波的非线性超声异侧激励混频的微裂纹定位方法，其特征在于，所述通过小波变换对混频信号进行时频分析具体为：利用有限元仿真软件Abaqus预获取混频检测信号；根...

【专利技术属性】
技术研发人员：李一博，王雪，王晢，马畅，曾周末，张硕，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12