薄壁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的超聲導(dǎo)波多模態(tài)融合成像方法

左浩,邢嬌,康敬東,惠記莊

(長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院,710064,西安)

薄壁板是構(gòu)成各種航空結(jié)構(gòu)的重要組成部分,包括飛機(jī)機(jī)翼、機(jī)身和水平尾翼等結(jié)構(gòu)件。隨著航空工業(yè)的快速發(fā)展,航空器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的長壽命、輕質(zhì)、高可靠性、高維護(hù)性的設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)的使用安全性和高可靠性提出了越來越高的要求[1]。

結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別問題的本質(zhì)是信號(hào)特征的辨識(shí)[2]。基于超聲導(dǎo)波的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別技術(shù)是通過捕捉結(jié)構(gòu)損傷引起的導(dǎo)波信號(hào)變化對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷狀況進(jìn)行評(píng)估,具有檢測效率高、對(duì)多種損傷敏感以及檢測范圍大等優(yōu)點(diǎn),是當(dāng)前主動(dòng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[3-5]。在超聲導(dǎo)波損傷檢測中,為了最大程度抑制多模態(tài)和頻散效應(yīng)的影響,提高損傷檢測的時(shí)頻聚集性,通常選擇窄帶脈沖信號(hào)作為超聲導(dǎo)波激勵(lì)信號(hào)。Michaeals等[6]利用寬頻帶Chirp信號(hào)激勵(lì),通過頻域?yàn)V波處理可以提取所需的窄頻帶響應(yīng)信號(hào)。不同于窄帶脈沖激勵(lì),寬頻帶Chirp信號(hào)激發(fā)出的超聲導(dǎo)波信號(hào)包含有豐富的頻率成分,通過一次激勵(lì)就可以獲得整個(gè)頻帶范圍內(nèi)窄帶響應(yīng)信號(hào),從而節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間,且得到的窄頻帶響應(yīng)信號(hào)比直接采用窄帶激勵(lì)信號(hào)具有更高的信噪比。目前國內(nèi)外學(xué)者提出的基于超聲導(dǎo)波的結(jié)構(gòu)損傷成像方法主要有延遲疊加成像[7-8]、概率損傷重構(gòu)成像[9-10]和稀疏成像[11-12]等。這些損傷成像方法大多采用稀疏傳感器陣列,在損傷識(shí)別過程中需要健康結(jié)構(gòu)的響應(yīng)信號(hào)作為基準(zhǔn)信號(hào)來分離損傷散射回波信號(hào)。而在實(shí)際中,基準(zhǔn)信號(hào)往往無法提前獲得,且檢測環(huán)境的變化會(huì)引起超聲導(dǎo)波響應(yīng)信號(hào)的變化,從而導(dǎo)致?lián)p傷誤報(bào)[13]。此外,受限于響應(yīng)信號(hào)波包寬度及波包混疊,這些稀疏傳感器陣列成像方法定位精度和分辨率不高,難以實(shí)現(xiàn)多損傷定位。

相控陣成像技術(shù)屬于密集傳感器陣列,通過調(diào)整陣列換能器陣元發(fā)射和接收信號(hào)的相位延遲,使各陣元發(fā)射和接收的超聲波束在空間疊加合成,達(dá)到超聲波束聚焦、偏轉(zhuǎn)和波束形成等效果,形成清晰的成像[14]。常規(guī)相控陣聚焦需要采用多通道同步硬件設(shè)備系統(tǒng),精確控制各激勵(lì)陣元的激勵(lì)延遲時(shí)間,同步激勵(lì)多個(gè)傳感器陣元,才能對(duì)超聲波束進(jìn)行精確的相位控制。Holmes等[15]提出了全聚焦成像(total focusing method,TFM),該方法利用相控陣傳感器單激勵(lì)-單接收獲得全矩陣數(shù)據(jù),通過后處理數(shù)據(jù)的方法實(shí)現(xiàn)全矩陣數(shù)據(jù)在待檢測區(qū)域內(nèi)任意點(diǎn)動(dòng)態(tài)聚焦。胡宏偉等[16]基于Fermat原理計(jì)算兩層介質(zhì)下各陣元的延遲時(shí)間,建立兩層介質(zhì)相控陣全聚焦成像算法,實(shí)現(xiàn)楔塊式檢測時(shí)的全聚焦成像。全聚焦成像具有比常規(guī)相控陣超聲成像技術(shù)更高的檢測分辨率和信噪比,可以提高檢測自動(dòng)化程度[17]。常規(guī)相控陣聚焦成像算法未考慮超聲導(dǎo)波頻散和多模態(tài)效應(yīng)造成響應(yīng)信號(hào)波包能量彌散、波包相互混疊、幅值降低,從而無法進(jìn)行相控陣聚焦成像[18-19]。Prado等[20]利用線性映射補(bǔ)償技術(shù)消除超聲導(dǎo)波頻散效應(yīng),將幅值的全聚焦成像和相位的符號(hào)相干系數(shù)成像融合,實(shí)現(xiàn)了鋁板結(jié)構(gòu)損傷成像和定位。隨后,Liu等[21]研究了密集型矩形陣列對(duì)超聲導(dǎo)波損傷成像質(zhì)量的影響。Xu等[22]利用反向傳播消除Lamb波信號(hào)的頻散效應(yīng),提出全聚焦與波形相關(guān)系數(shù)綜合成像方法,有效提高了損傷成像的信噪比。這些結(jié)構(gòu)損傷成像方法考慮超聲導(dǎo)波頻散效應(yīng)的影響,將超聲導(dǎo)波響應(yīng)信號(hào)的幅值與相位信息融合,實(shí)現(xiàn)了無基準(zhǔn)信號(hào)的結(jié)構(gòu)損傷成像和定位。

本文基于全聚焦成像方法,考慮超聲導(dǎo)波頻散和多模態(tài)特性,提出適用于薄壁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的相控陣超聲導(dǎo)波多模態(tài)融合成像方法。該方法利用頻散預(yù)補(bǔ)償技術(shù)消除超聲導(dǎo)波響應(yīng)信號(hào)的頻散效應(yīng),使其適用于相控陣聚焦成像。不同于現(xiàn)有相控陣超聲導(dǎo)波成像方法,該方法利用不同模態(tài)超聲導(dǎo)波頻散特性差異明顯的特點(diǎn),融合A0模態(tài)和S0模態(tài)相控陣超聲導(dǎo)波全聚焦成像結(jié)果,有效提高損傷成像的分辨率和信噪比,抑制旁瓣,避免產(chǎn)生偽像。

1 相控陣全聚焦成像

考慮由N個(gè)傳感器組成的一維線性相控陣列,如圖1所示。利用激勵(lì)信號(hào)s0(t)依次激勵(lì)每個(gè)傳感器,同時(shí)各傳感器接收響應(yīng)信號(hào),形成N×N組單通道激勵(lì)-接收響應(yīng)信號(hào)sij(t)。

圖1 全聚焦成像原理Fig.1 Schematic diagram of total focusing imaging

根據(jù)全聚焦成像算法[15],待檢測區(qū)域內(nèi)任意一點(diǎn)的像素值為

(1)

(2)

式中:tij為超聲波從激勵(lì)傳感器i到聚焦點(diǎn)再到接收傳感器j的飛行時(shí)間;xi為激勵(lì)傳感器坐標(biāo);xj為接收傳感器坐標(biāo);c為超聲波的傳播速度。

2 相控陣超聲導(dǎo)波全聚焦成像

2.1 單模態(tài)超聲導(dǎo)波傳播模型

超聲導(dǎo)波存在于厚度與其波長數(shù)量級(jí)相同的板中,考慮等厚度各向同性薄板結(jié)構(gòu)中超聲導(dǎo)波的傳播特性。在激勵(lì)信號(hào)s0(t)作用下,板結(jié)構(gòu)中任意位置響應(yīng)信號(hào)s(x,t)的頻域表達(dá)式為

S(ω)=H(ω)S0(ω)

(3)

式中:S0(ω)為激勵(lì)信號(hào)s0(t)的頻域形式;H(ω)為激勵(lì)點(diǎn)至任意位置x的傳遞函數(shù)。

在超聲導(dǎo)波傳播模型中,傳遞函數(shù)H(ω)可以表征為相位調(diào)制項(xiàng),即

H(ω)=e-jk(ω)x

(4)

式中:k(ω)為波數(shù);ω為角頻率。

超聲導(dǎo)波在結(jié)構(gòu)中傳播,相位調(diào)制項(xiàng)中波數(shù)k(ω)與角頻率ω呈非線性關(guān)系,使得不同頻率成分超聲導(dǎo)波具有不同程度的相位延遲,導(dǎo)致相速度與群速度不一致,即頻散效應(yīng)[23]。頻散效應(yīng)是超聲導(dǎo)波的固有特性,即響應(yīng)信號(hào)s(x,t)波包隨著傳播距離x和傳播時(shí)間t增大,導(dǎo)致超聲導(dǎo)波能量彌散、波包寬度增加、幅值降低,從而影響檢測的精度和分辨率,也會(huì)進(jìn)一步增大信號(hào)特征辨識(shí)與損傷特征信息提取的難度。厚度為2 mm的6061型鋁板的頻率-波數(shù)曲線如圖2所示。

圖2 6061型鋁板頻率-波數(shù)域Fig.2 Frequency-wave number of 6061 aluminum plate

2.2 超聲導(dǎo)波頻散預(yù)補(bǔ)償

為了抑制頻散效應(yīng),Zeng等[24]提出了超聲導(dǎo)波頻散預(yù)補(bǔ)償技術(shù),通過調(diào)整激勵(lì)信號(hào)中不同頻率成分的激勵(lì)時(shí)間實(shí)現(xiàn)超聲導(dǎo)波響應(yīng)信號(hào)的頻散抑制。頻散預(yù)補(bǔ)償激勵(lì)信號(hào)的頻域形式為

G0(ω)=S0(ω)D(L,ω)=S0(ω)ejk(ω)L

(5)

式中:D(L,ω)=ejk(ω)L為超聲導(dǎo)波頻散補(bǔ)償因子;L為頻散預(yù)補(bǔ)償距離。

利用頻散預(yù)補(bǔ)償信號(hào)g0(t)激勵(lì),則任意位置響應(yīng)信號(hào)的頻域G(ω)、時(shí)域g(x,t)分別為

G(ω)=G0(ω)e-jk(ω)x=S0(ω)e-jk(ω)(x-L)

(6)

(7)

利用聚焦點(diǎn)距離為0.3 m的超聲導(dǎo)波頻散預(yù)補(bǔ)償激勵(lì)信號(hào)激勵(lì),不同位置響應(yīng)信號(hào)時(shí)域波形如圖3 所示。當(dāng)傳播距離小于0.3 m時(shí),頻散效應(yīng)過補(bǔ)償,超聲導(dǎo)波響應(yīng)信號(hào)存在未完全補(bǔ)償?shù)念l散效應(yīng);當(dāng)傳播距離為0.3 m時(shí),頻散效應(yīng)完全補(bǔ)償,在聚焦點(diǎn)位置獲得未頻散的響應(yīng)信號(hào),此時(shí)波包時(shí)域?qū)挾茸钫?幅值最大;當(dāng)傳播距離大于0.3 m時(shí),頻散效應(yīng)欠補(bǔ)償,超聲導(dǎo)波響應(yīng)信號(hào)出現(xiàn)頻散效應(yīng)。

圖3 頻散預(yù)補(bǔ)償響應(yīng)信號(hào)時(shí)域圖Fig.3 Time domain signals of dispersion pre-compensation

2.3 相控陣超聲導(dǎo)波全聚焦

相控陣超聲導(dǎo)波聚焦原理如圖4所示?？紤]超聲導(dǎo)波的頻散效應(yīng),使各傳感器發(fā)射超聲導(dǎo)波在P點(diǎn)聚焦,構(gòu)造新的超聲導(dǎo)波頻散預(yù)補(bǔ)償激勵(lì)信號(hào)的頻域形式為

(8)

圖4 相控陣超聲導(dǎo)波聚焦原理Fig.4 Schematic diagram of phased array focusing

在結(jié)構(gòu)損傷檢測中,如果聚焦點(diǎn)不存在損傷缺陷,則不會(huì)產(chǎn)生損傷散射回波;如果P處存在損傷缺陷,則損傷缺陷可以認(rèn)為是次波源,向外發(fā)射損傷散射回波。傳感器接收損傷散射信號(hào)gij(t)的頻域形式為

HiD(ω)[S0(ω)D(Li+Lj,ω)]HDj(ω)=

[HiD(ω)S0(ω)HDj(ω)]ejk(ω)(Li+Lj)

(9)

令Sij(ω)=HiD(ω)S0(ω)HDj(ω),則

Gij(ω)=Sij(ω)ejk(ω)(Li+Lj)

(10)

式中Sij(ω)為無延遲單通道激勵(lì)-接收響應(yīng)信號(hào)sij(t)的頻域形式。

考慮頻散效應(yīng)的影響,相控陣超聲導(dǎo)波全聚焦成像IG(x,y)為

(11)

2.4 相控陣超聲導(dǎo)波多模態(tài)融合成像

超聲導(dǎo)波豐富的模態(tài)成分使其對(duì)于不同的損傷類型均具有較高的檢測靈敏度。不同模態(tài)超聲導(dǎo)波頻散特性差異非常大,抑制了其中某一種模態(tài)超聲導(dǎo)波的頻散作用,會(huì)加劇其他模態(tài)超聲導(dǎo)波的頻散作用,導(dǎo)致非目標(biāo)模態(tài)超聲導(dǎo)波更加頻散。

因此,考慮超聲導(dǎo)波多模態(tài)特性,利用數(shù)據(jù)融合技術(shù)將不同模態(tài)相控陣超聲導(dǎo)波全聚焦成像結(jié)果融合,相控陣超聲導(dǎo)波多模態(tài)融合成像為

(12)

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)對(duì)象

超聲導(dǎo)波損傷檢測實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件系統(tǒng)包括普源DG4062任意波形發(fā)生器、安泰電子ATA-2042功率放大器和泰克TBS2014示波器,PZT壓電陶瓷作為激勵(lì)/接收傳感器陣元。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)任意激勵(lì)信號(hào)的發(fā)生、功率放大以及響應(yīng)信號(hào)的采集與存儲(chǔ)。

待檢測實(shí)驗(yàn)對(duì)象為6061型鋁板,尺寸參數(shù)為1 000 mm×1 000 mm×2 mm,材料參數(shù)為:彈性模量E=68.9 GPa,密度ρ=2 690 kg/m3,泊松比ν=0.33。在鋁板中心位置布置PZT1-PZT9組成的線性傳感器陣列,各傳感器陣元的間距為10 mm,傳感器陣元的直徑為8 mm,厚度為0.5 mm。在實(shí)驗(yàn)過程中,首先在鋁板表面位置(0,250 mm)貼有PZT模擬表面損傷D1,用于鋁板結(jié)構(gòu)單損傷識(shí)別實(shí)驗(yàn)研究;其次,在該鋁板表面位置(-100 mm,150 mm)鉆直徑為9 mm的通孔模擬貫穿損傷D2,在鋁板表面位置(150 mm,300 mm)貼PZT模擬表面損傷D3,用于鋁板結(jié)構(gòu)多損傷識(shí)別實(shí)驗(yàn)研究。鋁板結(jié)構(gòu)尺寸及線性傳感器陣列布置如圖5所示。

圖5 鋁板結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)及線性傳感器陣列布置Fig.5 Dimension parameters of aluminum plate and linear sensor array arrangement

3.2 超聲導(dǎo)波中心頻率選擇

多模態(tài)是超聲導(dǎo)波的固有特性,即在任意激勵(lì)頻率下,結(jié)構(gòu)中至少存在兩種模態(tài)超聲導(dǎo)波。由鋁板的頻散曲線可知,即使在低頻段,仍然存在A0、S0兩種模態(tài)超聲導(dǎo)波。為了獲得近似單一模態(tài)的超聲導(dǎo)波,通過調(diào)整激勵(lì)信號(hào)的中心頻率,就可以得到某一模態(tài)占優(yōu)的超聲導(dǎo)波響應(yīng)信號(hào),該方法稱之為頻率調(diào)諧技術(shù)[25]。

利用頻率調(diào)諧技術(shù),研究中心頻率范圍為40 kHz至800 kHz的A0模態(tài)和S0模態(tài)超聲導(dǎo)波響應(yīng)信號(hào)的幅值,如圖6所示。由圖6可以看出:當(dāng)激勵(lì)信號(hào)的中心頻率在低頻段(低于200 kHz),A0模態(tài)超聲導(dǎo)波占主導(dǎo);當(dāng)激勵(lì)信號(hào)的中心頻率在高頻段(高于200 kHz),S0模態(tài)超聲導(dǎo)波占主導(dǎo)。因此,選擇中心頻率150 kHz和300 kHz所對(duì)應(yīng)的A0模態(tài)和S0模態(tài)超聲導(dǎo)波響應(yīng)信號(hào)作為檢測波形。

圖6 不同頻率超聲導(dǎo)波響應(yīng)信號(hào)幅值Fig.6 Amplitude response curves of guided wave responses with different frequencies

3.3 單損傷識(shí)別

本小節(jié)通過鋁板結(jié)構(gòu)單損傷識(shí)別實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本文所提相控陣超聲導(dǎo)波多模態(tài)融合成像方法的有效性和精確性。

在實(shí)驗(yàn)中,為了減少實(shí)驗(yàn)時(shí)間,激勵(lì)信號(hào)采用寬頻帶Chirp信號(hào)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)近似為一個(gè)線性系統(tǒng),窄頻帶脈沖激勵(lì)響應(yīng)信號(hào)的頻域表達(dá)式為[6]

(13)

式中:Sd(ω)、Sc(ω)分別為窄頻帶脈沖激勵(lì)、寬頻帶Chirp激勵(lì)信號(hào)的頻域表達(dá)式;Rc(ω)為寬頻帶激勵(lì)響應(yīng)信號(hào)的頻域表達(dá)式。

線性傳感器陣列PZT1-PZT9每個(gè)陣元依次激勵(lì)寬頻Chirp信號(hào),其余8個(gè)PZT陣元接收響應(yīng)信號(hào)。依次激勵(lì)結(jié)束后,可以采集72組單通道激勵(lì)-接收響應(yīng)信號(hào)。利用式(13)提取中心頻率為150、300 kHz的A0模態(tài)和S0模態(tài)窄帶超聲導(dǎo)波響應(yīng)信號(hào),如圖7所示。

利用單模態(tài)超聲導(dǎo)波全聚焦與超聲導(dǎo)波多模態(tài)融合成像得到鋁板結(jié)構(gòu)單損傷成像結(jié)果如圖8所示,圖中白色×表示損傷實(shí)際位置,黑色○表示損傷識(shí)別結(jié)果。為了便于比較,在損傷成像結(jié)果中,所有結(jié)果均用最大像素值進(jìn)行歸一化處理,并在20 dB范圍內(nèi)顯示[26]。

由于抑制了頻散效應(yīng)的影響,采用A0模態(tài)或者S0模態(tài)超聲導(dǎo)波,能夠?qū)崿F(xiàn)相控陣超聲導(dǎo)波全聚焦成像。然而,采用單一模態(tài)超聲導(dǎo)波進(jìn)行損傷聚焦成像,在成像結(jié)果中存在著很強(qiáng)的噪聲干擾,檢測分辨率不高,甚至S0模態(tài)相控陣超聲導(dǎo)波全聚焦成像結(jié)果存在偽像;采用幅值與相位信息融合成像方法能夠識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷,且識(shí)別損傷位置精度較高,但在(0,350 mm)區(qū)域位置也存在偽像;采用多模態(tài)融合相加成像方法,損傷識(shí)別結(jié)果存在著很強(qiáng)的噪聲干擾,且檢測分辨率不高。

圖7 實(shí)驗(yàn)過程及窄帶響應(yīng)信號(hào)提取流程Fig.7 Flowchart of experiment and narrowband response signal extraction

(a)A0模態(tài)超聲導(dǎo)波聚焦成像

(b)S0模態(tài)超聲導(dǎo)波聚焦成像

(c)超聲導(dǎo)波幅值與相位融合成像[19]

(d)多模態(tài)超聲導(dǎo)波相加融合成像

(e)多模態(tài)超聲導(dǎo)波相乘融合成像

對(duì)于中心頻率150 kHz的A0模態(tài)超聲導(dǎo)波的波長λA0為10.3 mm,此時(shí)陣元間距d≈λA0,相控陣超聲檢測的聲學(xué)特性較好,使得回波響應(yīng)的主瓣寬度變窄,具有較高的檢測分辨率,損傷D1的識(shí)別結(jié)果為(-2 mm,234 mm)。對(duì)于中心頻率300 kHz的S0模態(tài)超聲導(dǎo)波的波長λS0為17.8 mm,此時(shí)陣元間距d<λS0,相控陣超聲檢測的聲學(xué)特性變差,導(dǎo)致回波響應(yīng)的主瓣寬度變寬,降低了檢測分辨率,損傷D1的識(shí)別結(jié)果為(-2 mm,252 mm)。

為了提高相控陣超聲導(dǎo)波損傷檢測的定位精度和分辨率,將A0模態(tài)和S0模態(tài)損傷成像結(jié)果進(jìn)行融合,識(shí)別損傷D1的位置為(-4 mm,252 mm),且具有很高的定位精度和分辨率。相比于單一模態(tài)相控陣超聲導(dǎo)波全聚焦成像結(jié)果,相控陣超聲導(dǎo)波全聚焦多模態(tài)融合成像效果最好,具有很高的定位精度,能夠有效提高損傷成像的分辨率和信噪比,避免產(chǎn)生偽像。

鋁板結(jié)構(gòu)單損傷識(shí)別側(cè)視圖如圖9所示,圖中虛線為損傷實(shí)際位置。由圖9可以看出,相控陣超聲導(dǎo)波全聚焦多模態(tài)融合成像方法具有很高的定位精度和最小的主瓣寬度,可有效抑制旁瓣,避免產(chǎn)生偽像。主瓣寬度越窄,結(jié)構(gòu)損傷成像分辨率越高;旁瓣的存在會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)背景噪聲,甚至?xí)a(chǎn)生偽像,造成損傷定位失敗。

(a)x=0

(b)y=250 mm

3.4 多損傷識(shí)別

第二個(gè)實(shí)驗(yàn)算例是鋁板結(jié)構(gòu)多損傷識(shí)別。在單損傷識(shí)別實(shí)驗(yàn)鋁板試件表面預(yù)制通孔損傷D2及表面損傷D3,用于模擬不同類型多損傷。

利用單模態(tài)相控陣超聲導(dǎo)波全聚焦成像與相控陣超聲導(dǎo)波聚焦多模態(tài)融合成像得到鋁板結(jié)構(gòu)多損傷成像結(jié)果如圖10所示,損傷成像結(jié)果在30 dB范圍內(nèi)顯示。利用A0模態(tài)超聲導(dǎo)波,能夠有效地識(shí)別損傷D1、D2,對(duì)于D3識(shí)別幅值不高,如圖10(a)所示。利用S0模態(tài)超聲導(dǎo)波,則能夠有效識(shí)別損傷D1、D2和D3,具有較高的定位精度,如圖10(b)所示。與鋁板結(jié)構(gòu)單損傷識(shí)別結(jié)果類似,采用單模態(tài)相控陣超聲導(dǎo)波全聚焦成像存在著很強(qiáng)的噪聲干擾,檢測分辨率不高。利用相控陣超聲導(dǎo)波聚焦多模態(tài)融合成像算法,能有效識(shí)別3個(gè)損傷,損傷識(shí)別精度非常高,同時(shí)具有很高的定位精度和分辨率,如圖10(c)所示。

(a)A0模態(tài)相控陣超聲導(dǎo)波多損傷聚焦成像

(b)S0模態(tài)相控陣超聲導(dǎo)波多損傷聚焦成像

(c)多模態(tài)相控陣超聲導(dǎo)波多損傷融合成像

鋁板結(jié)構(gòu)多損傷識(shí)別側(cè)視圖如圖11所示,圖中虛線為損傷實(shí)際位置。與單損傷側(cè)視圖相類似,相控陣超聲導(dǎo)波聚焦多模態(tài)融合成像算法不僅能夠成功識(shí)別3個(gè)損傷,定位精度高,而且可以有效地抑制旁瓣,避免產(chǎn)生偽像。

(a)損傷D1處y=250 mm

(b)損傷D2處y=150 mm

(c)損傷D3處y=300 mm

鋁板結(jié)構(gòu)多損傷識(shí)別結(jié)果如表1所示,3個(gè)不同損傷的位置參數(shù)均被成功識(shí)別。利用A0模態(tài)和S0模態(tài)相控陣超聲導(dǎo)波全聚焦成像最大的定位誤差分別為14.0、12.8 mm,而采用相控陣超聲導(dǎo)波聚焦多模態(tài)融合成像算法最大的定位誤差僅為7.2 mm,實(shí)現(xiàn)了鋁板結(jié)構(gòu)多損傷高精度定位。

通過鋁板結(jié)構(gòu)多損傷識(shí)別的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:本文所提相控陣超聲導(dǎo)波全聚焦多模態(tài)融合成像方法能夠識(shí)別鋁板結(jié)構(gòu)多損傷,具有很高的定位精度和分辨率,多損傷識(shí)別效果非常好。

表1 鋁板結(jié)構(gòu)多損傷識(shí)別結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)本文提出了相控陣超聲導(dǎo)波聚焦多模態(tài)融合成像方法,該算法不需要健康結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)信號(hào),能夠?qū)崿F(xiàn)板結(jié)構(gòu)單損傷、多損傷高精度定位和高分辨率成像,同時(shí)可以有效抑制旁瓣,避免產(chǎn)生偽像。

(2)考慮超聲導(dǎo)波頻散和多模態(tài)特性,利用頻散預(yù)補(bǔ)償技術(shù)校正相位失真,實(shí)現(xiàn)超聲導(dǎo)波響應(yīng)信號(hào)在聚焦點(diǎn)完全補(bǔ)償頻散效應(yīng),通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)將不同模態(tài)相控陣超聲導(dǎo)波全聚焦成像結(jié)果進(jìn)行融合,提高結(jié)構(gòu)損傷定位精度和分辨率。

(3)通過鋁板結(jié)構(gòu)單損傷和多損傷定位成像結(jié)果對(duì)比,采用單模態(tài)相控陣超聲導(dǎo)波全聚焦能夠?qū)崿F(xiàn)板類結(jié)構(gòu)表面和貫穿損傷缺陷的檢測,但相控陣超聲導(dǎo)波全聚焦多模態(tài)融合成像方法成像效果最好,最大的定位誤差僅為7.2 mm。