一种基于线性调频兰姆波的裂纹评价方法技术

本发明专利技术提供一种基于线性调频兰姆波的裂纹评价方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1，在需要检测的板状结构材料上粘贴两个压电换能器，分别用于发射激励信号x(t)和采集兰姆波的接收信号y(t)；步骤S2，对激励信号x(t)和接收信号y(t)进行希尔伯特变换，得到解析形式z

【技术实现步骤摘要】
一种基于线性调频兰姆波的裂纹评价方法


[0001]本专利技术涉及一种基于线性调频兰姆波的裂纹评价方法。

技术介绍

[0002]兰姆波是一种在薄板或者管状材料中传输的横纵波叠加之后形成的波包。由于兰姆波具有衰减小且对结构变化敏感等优点，被广泛应用于材料健康监测(Structure Health Monitoring)与无损检测(Non
‑
Destructive Examination)领域。但是由于兰姆波具有频散与多模式这两大特性，因此使得激励信号在板状材料中传输过程中变得比较复杂。
[0003]现有的技术研究主要是通过窄带激励来保证模式的纯净度，从而达到简化波形解析过程的目的。但是这样的方法往往导致信号携带的信息量有限，且需要对此前的工作大部分通过激励窄带信号产生特定的兰姆波模式进行多次测量。在窄带激励中，使用的信号被限制在某特定频率点附近的波动信号。被激励出来的导波信号集中在工程人员所关注的特定模态上。在进行窄带激励信号设计的时候，需要考虑频率选择与窗函数调制两个问题。在利用窗函数进行窗口截取时，既要保证响应主要集中在中心频率附近，又要保证尽量获得在时域上模态分散的观测信号。在调制正弦信号时，需要对周期个数选择进行考虑。当周期个数选择太小的时候，容易发生频谱泄漏。当周期个数选择太大时，虽能保证频谱特性，但会造成在时域上的接收信号中不同模态之间乃至先后产生的模态信号之间发生混叠，反而不利于信号在时域上的分析处理。
[0004]周凯等通过在平板材料的两边界面安装超声换能器，并通过控制相位方式来控制特定的对称或者反对称模式。然而，在某些情况下，人们更加希望获得在更宽频段下的完整响应。在更宽频段带宽上获得的模态响应，可以获得了更多更完整的对于结构的观测信息，从而有助于我们从接收信号中提取出更多有价值的信息。
[0005]王勃等人则利用兰姆波的各个模式对不同的缺陷种类(裂缝，压痕，孔洞等)有不同的敏感程度的特性，通过针对各种缺陷的检测场景激励不同的兰姆波信号，进而利用线性调频信号在不同的场景下对结构探伤。但是由于线性调频信号的较大带宽以及信号长度，因此这使得兰姆波信号的频散现象比较严重，传感器接收到的信号相对复杂，从而使得后期的信号特征提取和信息转换工作变得相对复杂。

技术实现思路

[0006]为解决上述问题，提供一种基于线性调频兰姆波的裂纹评价方法，本专利技术采用了如下技术方案：
[0007]本专利技术提供了一种基于线性调频兰姆波的裂纹评价方法，用于对板状结构材料的裂纹进行长度与宽度的评价，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1，在需要检测的板状结构材料上粘贴两个压电换能器，一个压电换能器用于发射激励信号x(t)，该激励信号为线性调频信号，另一个压电换能器用来采集激励信号x(t)经过板状结构材料后形成的接收信号
y(t)；步骤S2，对激励信号x(t)和接收信号y(t)进行希尔伯特变换，得到激励信号x(t)的解析形式z
x
(t)和接收信号y(t)的解析形式z
y
(t)；步骤S3，对激励信号x(t)的解析形式z
x
(t)和接收信号y(t)的解析形式z
y
(t)，进行互魏格纳分布计算，得到时频分布图；步骤S4，对时频分布图进行重排平滑处理，得到重排平滑时频图；步骤S5，利用Crazy
‑
Climber算法对重排平滑时频图提取脊线，然后再利用脊线连接算法得到重排平滑时频图的各个兰姆波模式；步骤S6，根据模式分离算法将各个兰姆波模式与无用分量分离开来，得到纯净的兰姆波模式，即对称性模式S0和非对称性模式A0；步骤S7，根据对称性模式S0和非对称性模式A0，求出模式能量系数DI
E
和模式能量比系数DI
ρ
；步骤S8，根据模式能量系数DI
E
、模式能量比系数DI
ρ
分别与裂纹长度、裂纹宽度的线形关系，得到裂纹长度和裂纹宽度。
[0008]本专利技术提供的一种基于线性调频兰姆波的裂纹评价方法，还可以具有这样的技术特征，其中，激励信号x(t)的具体表达式为：式中，A为信号的振幅，B为线性调频信号的带宽，f0为起始频率，t为时间变量，T为线性调频信号的持续时间，ω(t)为降余弦窗，具体表达式为：
[0009]本专利技术提供的一种基于线性调频兰姆波的裂纹评价方法，还可以具有这样的技术特征，其中，激励信号x(t)的解析形式z
x
(t)和接收信号y(t)的解析形式z
y
(t)，具体表达式为：式中，z
x
(t)为激励信号的解析信号，z
y
(t)为接收信号的解析信号，H[x(t)]为激励信号x(t)的希尔伯特变换，具体表达式为：式中，τ为变换因子，H[y(t)]为接收信号y(t)的希尔伯特变换，具体表达式为：
[0010]本专利技术提供的一种基于线性调频兰姆波的裂纹评价方法，还可以具有这样的技术特征，其中，步骤S3中，互魏格纳分布的计算公式为：式中，w为频域变量，为y分量时移后的解析信号，为x分量时移后的共轭函数。
[0011]本专利技术提供的一种基于线性调频兰姆波的裂纹评价方法，还可以具有这样的技术特征，其中，步骤S4中，时频分布图的各点坐标依次表示为(n,k),经过重排平滑处理，得到重排平滑时频图的对应的新坐标为计算公式为：
[0012][0013][0014]式中，a为时频分布图上的横轴坐标微元，b为时频分布图上的纵轴坐标微元，时频分布图的单位元在横坐标取值范围为在纵坐标取值范围为XWVD(n+a,k+b)为时频分布图上的点(n+a,k+b)的时频分布幅值。
[0015]本专利技术提供的一种基于线性调频兰姆波的裂纹评价方法，还可以具有这样的技术特征，其中，步骤S5包括Crazy
‑
Climber算法和脊线连接算法。Crazy
‑
Climber算法包括以下步骤：第一步，在时频矩阵上随机散布大量的Climber；第二步，按照相同的马尔科夫链运动规则，使得各个Climber大概率向着局域的能量最大值点攀升；第三步，按照模拟退火的思想降低温度使Climber丧失运动能力，记录像素点被走过的次数从而判定脊点。脊线连接算法按照预估的脊线走向确定脊线的连接方式。之后从时频图底侧开始搜索，确定最大单次搜索步长之后连接脊点形成脊线。
[0016]本专利技术提供的一种基于线性调频兰姆波的裂纹评价方法，还可以具有这样的技术特征，其中，模式分离算法是根据脊线连接算法提取出的多条脊线，分离得到纯净的兰姆波模式XWVD
k
(w,t)，计算公式为：式中，ridge
k
为某个兰姆波模式的对应脊线，p为脊线左侧局域极小值点对应的时域坐标，q为脊线右侧局域极小值点对应的时域坐标。
[0017]本专利技术提供的一种基于线性调频兰姆波的裂纹评价方法，还可以具有这样的技术特征，其中，模式能量系数DI
E
，具体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于线性调频兰姆波的裂纹评价方法，用于对板状结构材料的裂纹进行长度与宽度的评价，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1，在需要检测的板状结构材料上粘贴两个压电换能器，一个所述压电换能器用于发射激励信号x(t)，该激励信号为线性调频信号，另一个所述压电换能器用来采集所述激励信号x(t)经过板状结构材料后形成的接收信号y(t)；步骤S2，对所述激励信号x(t)和所述接收信号y(t)进行希尔伯特变换，得到所述激励信号x(t)的解析形式z
x
(t)和所述接收信号y(t)的解析形式z
y
(t)；步骤S3，对所述激励信号x(t)的解析形式z
x
(t)和所述接收信号y(t)的解析形式z
y
(t)，进行互魏格纳分布计算，得到时频分布图；步骤S4，对所述时频分布图进行重排平滑处理，得到重排平滑时频图；步骤S5，利用Crazy
‑
Climber算法对所述重排平滑时频图提取脊点，然后再利用脊线连接算法得到所述重排平滑时频图的各个兰姆波模式对应的脊线；步骤S6，根据模式分离算法将所述各个兰姆波模式与无用分量分离开来，得到纯净的兰姆波模式，即对称性模式S0和非对称性模式A0；步骤S7，根据所述对称性模式S0和所述非对称性模式A0，求出模式能量系数DI
E
和模式能量比系数DI
ρ
；步骤S8，根据所述模式能量系数DI
E
、所述模式能量比系数DI
ρ
分别与裂纹长度、裂纹宽度的线形关系，得到所述裂纹长度和所述裂纹宽度。2.根据权利要求1所述的基于线性调频兰姆波的裂纹评价方法，其特征在于：其中，所述激励信号x(t)的具体表达式为：式中，A为信号的振幅，B为线性调频信号的带宽，f0为起始频率，t为时间变量，T为线性调频信号的持续时间，ω(t)为降余弦窗，具体表达式为：3.根据权利要求1所述的基于线性调频兰姆波的裂纹评价方法，其特征在于：其中，所述激励信号x(t)的解析形式z
x
(t)和所述接收信号y(t)的解析形式z
y
(t)，具体表达式为：z
x
(t)＝x(t)+j
×
H[x(t)]z
y
(t)＝y(t)+j
×
H[y(t)]式中，z
x
(t)为所述激励信号的解析信号，z
y
(t)为所述接收信号的解析信号，H[x(t)]为所述激励信号x(t...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓曦，李旦，张建秋，他得安，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：