基于超声导波的双向时间反演损伤成像方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无损检测技术领域，尤其涉及一种基于超声导波的细长状结构的双向 时间反演损伤成像方法。
【背景技术】
[0002] 在交通运输、建筑桥梁、输电线缆等各领域中，往往使用如绞线、管道、钢丝绳等各 类复杂长状类结构，这些复杂结构在工作中会长期受到外部环境的影响而在产生各种损 伤，如磨损、锈蚀、断股等，这些损伤造成极大的隐患，威胁到人员及设备财产的安全。因此 对这类复杂长状结构的检测意义重大，也出现许多检测方法。
[0003] 目前按是否采用应力波进行损伤检测，分为非应力波损伤检测方法和应力波损伤 检测方法两大类。非应力波检测方法主要有光学法、电流法、电磁法、X射线法和电涡流法 等，能够很好对被测物裸露部分进行缺陷检测，然而此类方法往往需采用与被测物间相对 运动方式来实现，细长状结构的结点结构覆盖区域成为检测盲区，应用受到很大限制。应力 波检测方法主要有声发射法、超声波反射法、穿透式导波法。声发射法可采用感应器测量承 力索绞线结构变化时产生弹性波从而可分析损伤情况，但属于被动检测方式，受限于只有 在结构产生损伤时才能起到作用，是瞬间响应，然而为后期超声波反射法、穿透式导波法研 究奠定了基础。超声波反射法采用换能器在材料表面激发询问脉冲应力波，该应力波在内 部与材料的微结构相互作用后到达同边接收换能器，然后对接收到的波形信号进行分析， 提取出其中能反映结构损伤因子。该法不但能对承力索绞线进行损伤检测和特性分析，而 且补充了声发射被动检测方式，可以用于动态承力索绞线缺陷的主动监测，然而由于容易 受到传播反射过程的介质损耗等影响，在大范围结点结构存在下的监测对象应用中受到了 一定限制。穿透式导波法主要采用压电换能器在材料表面激发应力波，该应力波在内部与 材料的微结构(材料基体和损伤区域)相互作用后继续传播，到达置于大型结构另一端的一 个或多个接收透射波信号换能器。该法由于激励信号可设可控、传播距离远、接收信号覆盖 面广等，在结构健康监测领域越来越受重视，特别适用于杆、管等细长状类特殊结构缺陷检 测。因此，面对复杂结构损伤检测中出现的问题以及超声导波的特殊传输特性，将透射法与 反射法结合起来，取两者优点是值得探索的一条新途径，并具有重要的学术价值和实际意 义。
[0004] 时间反演是指对采集到的信号，在时域上将其反转的一种逆序处理方法。在频域 上，这种处理等效于相位共辄。时间反演具有空间聚焦和时间聚焦两方面特性。时间反演的 时间聚焦，指各路时间反演信号的最大能量在复杂媒质中经过多径传输后，会在同一时刻 到达目标接收点。时间反演的空间聚焦，指在没有任何关于目标接收点先验知识的情况下， 时间反演信号会自适应地聚焦到目标接收点所在位置。时间反演技术利用时间反演信号的 聚焦特性有效降低了频散效应和非均匀介质的影响。目前人们已经利用时间反演聚焦信号 的峰值、能量、时空聚焦本特征，应用时间反演技术处理各种损伤测方法检测到的损伤信号 后对多种结构进行了损伤检测。
[0005] 然而，传统时间反演方法，要求信号从损伤到接收阵列单元之间的路径较短且不 尽相同，且所需的接收阵列单元数量尽可能多以弥补传播损耗，损伤目标点才可能成为空 间最大信号所在的点被检测出来。而对于细长状实心结构，导波多以平面波的传播，同侧径 向单元间的路径差异小，传统时间反演方法难以实现。
[0006] 本发明将传统的超声导波透射法、反射法与时间反演法相结合，有效补偿非均匀 复杂环境、媒质引起的信号衰减，及细长状结构传感阵列聚焦困难等问题，且具备一定的抗 干扰和抗噪声性能等优点。故此，在初步识别的基础上，实现细长型结构的高精度和高准确 率的损伤检测，也是各类复杂长状类结构损伤检测方法今后非常重要的研究方向。
【发明内容】
[0007] 为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于超声导波的双向时间反演损 伤成像方法。
[0008] 本发明的目的通过以下的技术方案来实现：
[0009] A采用调制的激励信号对损伤实物进行主动应力波探测，并在被测区域的投射端 与反射端两端阵列上同步采集信号；
[0010] B对采集到的信号进行频散补偿分离，分离出纵向模态导波和弯曲模态导波；
[0011] C提取分离后的信号中的纵向模态导波，做时间反演处理，并放大反演后信号；
[0012] D将反演后信号导入有限元模型中进行仿真反演，并提取模型中所有点云所有时 刻的位移值，进行时间、空间聚焦处理，得到振动云图；
[0013] E定义空间曲线将振动云图转为三维彩色云图，以三维彩色点云形式进行损伤成 像。
[0014] 与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：
[0015] 1)采用基于编码激励的主动超声导波探测，能够有效地增强信号幅度，提高信噪 比，实现对细长状结构的长距离检测。
[0016] 2)通过结合投射法、反射法与时间反演法，实现了对结构中损伤目标的聚焦检测， 提高了损伤目标检测的分辨率与准确性。
[0017] 3)将检测结果进行三维成像处理，更加直观清晰。
【附图说明】
[0018] 图1是本发明提供的方法流程图；
[0019 ]图2是本发明的超声导波双向时间反演检测原理图；
[0020]图3是三维仿真实施案例模型图；
[0021 ]图4是同步采集传感器阵列两端的信号图；
[0022] 图5是信号分离后提取的纵向模态导波图；
[0023] 图6是案例模型Z方向双向时间反演聚焦振动分布图；
[0024]图7是案例模型中定义的RGB三维空间；
[0025]图8是案例模型中损伤三维点云图。
【具体实施方式】
[0026] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例及附图对本发 明作进一步详细的描述。
[0027] 如图1所示，展示了基于超声导波的双向时间反演损伤检测方法，该方法通过选择 一个细长状的检测模型案例进行说明（如图2中a和b所示）：
[0028] 步骤10采用调制的激励信号对损伤实物进行主动应力波探测，并在被测区域的投 射端与反射端两端阵列上同步采集信号；
[0029] 在激励换能器阵列上加载初始激励信号：所述初始激励信号为汉宁窗调制的5峰 值正弦窄带信号，在实施案例中，选取75Khz，幅值3Vpp，经功率放大器放大50x，所述换能器 整理采用基于压电效应工作的长度型压电片，采用耦合剂粘贴与钢棒表面，实现振动与电 信号的转换。
[0030] 对损伤两端一一透射端与反射端的信号进行同步采集:波形发生器的sync同步接 口与数据采集卡的外触发接口相连，使得信号激励时采集卡开始采集，保证每次采样的时 间起点均一致。数据采集卡为多通道采集卡，各个通道之间无延迟。透射端与反射端阵列分 别接入数据采集卡的不同通路，保证在每一次激励时，两端信号均是同步采集具体实施案 例见图3、4。
[0031 ]参见图3，为模型案例中的纵向模态导波在损伤处的模态转换情况。低频纵向模态 在长杆状钢棒中的波速最快，遇到损伤后，反射端、透射端均会接收到转换后的纵向模态及 弯曲模