一种基于制造技术

本发明专利技术提出一种基于

【技术实现步骤摘要】
一种基于Lyapunov指数字典的空耦超声Lamb波声时特征提取方法


[0001]本专利技术属于超声检测
，尤其涉及一种基于
Lyapunov
指数字典的空耦超声
Lamb
波声时特征提取方法
。

技术介绍

[0002]复合材料因其具有高刚度比
、
强度比
、
耐腐蚀性能好与耐老化等特点，被广泛应用于新型飞机的机翼
、
机身与机舱以及汽车
、
传播等领域
。
复合材料内部的残余应力或结构承力可能导致其产生分层
、
裂纹，或使其加剧，大大降低了复合材料构件的安全性能
。
因此，对复合材料应力状态精准测量对保证其应用领域的安全性具有重大意义
。
[0003]应力无损检测方法主要包括
X
射线衍射法
、
中子衍射法
、
拉曼光谱法以及超声法
。
从应用范围
、
检测精度以及可操作性性方面综合考虑，超声法更适合用于实现复合材料板的原位应力测量
。
超声应力测量方法是利用弹性波的声弹性效应实现测量
。
弹性波中的
Lamb
波是在固体板中传播的一种弹性波，其粒子运动方向位于包含波传播方向和平面法线的平面内
。Lamb
波在传播过程中能量衰减小且传播距离远，能够大范围
、
高效率地实现碳纤维复合材料板的应力检测
。
传统超声检测技术需要使用耦合剂来保证换能器与待测件的充分声耦合
。
然而，耦合剂的厚度不均匀会直接影响声时的测量，从而引入应力测量误差
。
此外，耦合剂的存在大大降低了检测灵活性与效率
。
因此，空耦超声
Lamb
波非接触检测技术更适合用于实现大部件复合材料板的自动化快速原位应力测量
。
[0004]空气耦合超声换能器是空耦超声
Lamb
波检测技术的关键器件
。
然而，空气耦合超声换能器由于其压电材料与空气声阻抗严重不匹配导致能量损失严重，空耦超声
Lamb
波信号极其微弱，易受环境噪声的严重干扰
。
采用空耦超声
Lamb
波实现复合材料板的应力测量关键在于信号声时特征的提取
。
在信号低信噪比的背景下，现有声时计算方法如阈值法
、
峰峰法
、
包络法以及正相关法等无法满足准确获取声时特征，将直接影响应力测量的准确性
。
本专利技术利用混沌系统对初始条件和参数极度敏感而对噪声免疫力较强的特点，建立
Duffing
振子的
Lyapunov
指数字典，通过基追踪降噪算法重构微弱信号中的空耦超声
Lamb
波，从而降低信噪比门限，提高声时特征提取的准确度，实现基于空耦超声
Lamb
波的复合材料板高准确度应力表征
。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的技术问题或改进需求，本专利技术提出了一种基于
Lyapunov
指数字典的空耦超声
Lamb
波声时特征提取方法
。
[0006]本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术提出一种基于
Lyapunov
指数字典的空耦超声
Lamb
波声时特征提取方法，所述方法包括以下步骤：
[0007]步骤一
、
选取
A0模态作为
Lamb
波的检测模态，根据
Lamb
波频散曲线与
Snell
定律确定空耦超声换能器的中心频率为
f、
倾角为
α
；
[0008]步骤二
、
根据空耦超声换能器的中心频率确定混沌系统的策动力频率
ω
，随后通过参数调节使混沌系统处于从混沌态向周期态或从周期态向混沌态转变的临界状态；
[0009]步骤三
、
混沌系统确定后，建立基于
A0模态
Lamb
波频散字典的
Duffing
振子的
Lyapunov
指数字典，利用基追踪降噪算法对强噪声背景下的微弱空耦超声
Lamb
波进行重构，提高声时提取的准确度
。
[0010]进一步地，在步骤二中，调节的参数包括系统阻尼系数
δ
和外策动力幅值
F。
[0011]进一步地，假定一个待检测的信号为满足正弦信号的弱信号
S(t)
＝
Asin
ω0t
，将其作为额外输入加到混沌系统右边，此时混沌系统为：
[0012][0013]式中，
θ
表示混沌系统的初相位，其值满足
tan
θ
＝
A/F
；根据混沌系统对初始条件极度敏感的特性，只需通过调节参数
δ
和
F
使混沌系统处于从混沌态向周期态转变或者从周期态向混沌态转变的临界状态，当向混沌系统输入正弦信号后，就会使混沌系统状态发生显著改变，达到识别弱信号的目的，即使待检测信号中混有噪声信号，由于噪声信号不具有系统外策动力角频率的特性，不属于系统的内在变化，因此不会引起混沌系统的改变，由此，基于
Duffing
振子系统非平衡相变对系统参数的敏感性，以及对噪声信号的免疫能力，实现在强噪声背景下的弱信号检测，通过计算混沌系统的
Lyapunov
指数实现对
Duffing
振子系统状态的定量判别；
[0014]对于
n
维非线性系统，其在
i
方向的
Lyapunov
指数为：
[0015][0016]式中，
||
·
||
为欧几里得范数；
[0017]对于连续系统，
[0018][0019]式中，式中，代表
n
维空间中点的坐标向量；相邻轨道的分离量可以表示在其切空间中，有：
[0020][0021]式中，为
Jacobian
矩阵，通过求解式
(5)
即可求得
Δ
x
i
(t)
；
[0022]通过
Schmidt
正交化不断对新向量进行置换改变来解决
Jacobian
迭代算法的问题，正交化过程如下，
[0023][0024]式中，
<,>
为内积，
h
为求解步长；上标
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于
Lyapunov
指数字典的空耦超声
Lamb
波声时特征提取方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤一
、
选取
A0模态作为
Lamb
波的检测模态，根据
Lamb
波频散曲线与
Snell
定律确定空耦超声换能器的中心频率为
f、
倾角为
α
；步骤二
、
根据空耦超声换能器的中心频率确定混沌系统的策动力频率
ω
，随后通过参数调节使混沌系统处于从混沌态向周期态或从周期态向混沌态转变的临界状态；步骤三
、
混沌系统确定后，建立基于
A0模态
Lamb
波频散字典的
Duffing
振子的
Lyapunov
指数字典，利用基追踪降噪算法对强噪声背景下的微弱空耦超声
Lamb
波进行重构，提高声时提取的准确度
。2.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤二中，调节的参数包括系统阻尼系数
δ
和外策动力幅值
F。3.
根据权利要求2所述的方法，其特征在于：假定一个待检测的信号为满足正弦信号的弱信号
S(t)
＝
Asin
ω0t
，将其作为额外输入加到混沌系统右边，此时混沌系统为：式中，
θ
表示混沌系统的初相位，其值满足
tan
θ
＝
A/F
；根据混沌系统对初始条件极度敏感的特性，只需通过调节参数
δ
和
F
使混沌系统处于从混沌态向周期态转变或者从周期态向混沌态转变的临界状态，当向混沌系统输入正弦信号后，就会使混沌系统状态发生显著改变，达到识别弱信号的目的，即使待检测信号中混有噪声信号，由于噪声信号不具有系统外策动力角频率的特性，不属于系统的内在变化，因此不会引起混沌系统的改变，由此，基于
Duffing
振子系统非平衡相变对系统参数的敏感性，以及对噪声信号的免疫能力，实现在强噪声背景下的弱信号检测，通过计算混沌系统的
Lyapunov
指数实现对
Duffing
振子系统状态的定量判别；对于
n
维非线性系统，其在
i
方向的
Lyapunov
指数为：式中，
||
·
||
为欧几里得范数；对于连续系统，式中，代表
n
维空间中点的坐标向量；相邻轨道的分离量可以表示在其切空间中，有：式中，为
Jacobian
矩阵，通过求解式
(5)
即可求得
Δ
x
i
(t)
；通过
Schmidt
正交化不断对新向量进行置换改变来解决
Jacobian
迭代算法的问题，正交化过程如下，
式中，
<,>
为内积，
h
为求解步长；上标
j(j
＝
0,1,2,...,∞)
表示正交化次数，它对应于非线性系统的演化次数；应用
GSR
方法，可以得到一组新的正交集
{U1,U2,...,U
n
}
；用一个常数
d
代替
||
Δ
x
i
(0)||(i
＝
0,1,2,...,n)
，设
Lyapunov
指数求解公式可近似写为：
4.
根据权利要求3所述的方法，其特征在于：在步骤三中，对于传播
x0距离的接收
Lamb
波信号
y0(t)
可以由下式预测，其中忽略幅值的变化，式中，
F(
ω
)
为激励信号
f(t)
的傅里叶变换，
k
＝
k(
ω
)
为
Lamb
波模态的波数；考虑到振幅因子和多源散射将导致多...

【专利技术属性】
技术研发人员：王丙泉，史维佳，赵勃，谭久彬，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：