激光超聲導(dǎo)波分頻段時(shí)域?yàn)V波及頻率波數(shù)域逆時(shí)損傷成像

駱 英， 陳 力， 徐晨光， 許伯強(qiáng)

(江蘇大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院 國(guó)家級(jí)高端裝備關(guān)鍵結(jié)構(gòu)健康管理國(guó)際聯(lián)合研究中心， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

超聲導(dǎo)波(Ultrasonic Guided Wave)檢測(cè)技術(shù)因其具有傳播距離遠(yuǎn)，衰減小，適合于大范圍檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，在對(duì)諸如平板、管道類等結(jié)構(gòu)的損傷無(wú)損檢測(cè)與安全性評(píng)估中有著廣泛應(yīng)用[1-2]。

近年來(lái)，常見(jiàn)的超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法分為接觸式與非接觸式兩類。接觸式壓電換能器在激勵(lì)/拾取結(jié)構(gòu)中含損傷超聲導(dǎo)波信號(hào)時(shí)，其空間分辨率受限于換能器陣列的分布尺度，同時(shí)大量的傳感器易對(duì)結(jié)構(gòu)剛度造成影響，進(jìn)而干擾結(jié)構(gòu)損傷的測(cè)試結(jié)果[3-4]。諸如空氣耦合超聲檢測(cè)技術(shù)、電磁超聲檢測(cè)技術(shù)、激光超聲檢測(cè)技術(shù)等非接觸式導(dǎo)波驅(qū)動(dòng)/傳感方法以其無(wú)需耦合劑，探測(cè)距離遠(yuǎn)，可避免大量導(dǎo)線連接造成檢測(cè)系統(tǒng)復(fù)雜等優(yōu)勢(shì)而逐漸受到研究者們的關(guān)注。其中空氣耦合超聲檢測(cè)技術(shù)由于空氣與構(gòu)件之間存在巨大的聲阻抗，轉(zhuǎn)換效率低[5]；電磁超聲換能器輻射模式寬，導(dǎo)致能量分散，降低其轉(zhuǎn)換效率，且檢測(cè)對(duì)象局限于導(dǎo)電材料[6]；基于熱彈效應(yīng)的激光超聲技術(shù)可通過(guò)控制激光的能量，在保證信噪比的同時(shí)避免對(duì)結(jié)構(gòu)造成損壞。激光在材料內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力的慣性非常小，導(dǎo)致激光超聲具有較寬的頻帶。寬頻帶的激光超聲信號(hào)內(nèi)含高頻成分，其波長(zhǎng)小，可使得微小缺陷的探測(cè)能力和測(cè)量精度大大提高。激光超聲激勵(lì)技術(shù)不受構(gòu)件表面粗糙度及弧度的限制，可用于復(fù)雜形狀材料的檢測(cè)，有更廣的應(yīng)用范圍，且能在高壓、高溫等惡劣環(huán)境中對(duì)結(jié)構(gòu)實(shí)施無(wú)損檢測(cè)，已逐漸成為超聲無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[7-8]。在超聲技術(shù)中，基于激光干涉的超聲系統(tǒng)受環(huán)境因素影響大，靈敏度比較低[9]?；诙嗥绽赵淼臏y(cè)振儀(SLDV)以非接觸式的檢測(cè)方法利用激光靈活布置掃描點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)來(lái)有效提高信號(hào)識(shí)別及損傷成像的空間分辨率，同時(shí)SLDV具有靈敏度高，響應(yīng)頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)，在超聲無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力受到廣泛關(guān)注[10-11]。

激光激勵(lì)的超聲信號(hào)具有頻帶寬、頻散效應(yīng)顯著的特點(diǎn)，如何從頻散、多模態(tài)的復(fù)雜超聲導(dǎo)波信號(hào)中有效提取損傷的特征信息[12]是對(duì)板結(jié)構(gòu)中損傷進(jìn)行檢測(cè)的關(guān)鍵問(wèn)題。為此，Park等[13]將實(shí)測(cè)信號(hào)與健康結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)信號(hào)比較，獲得損傷信號(hào)，然而其基準(zhǔn)信號(hào)易受外部環(huán)境和結(jié)構(gòu)變化的影響而發(fā)生偏差，實(shí)用性差。王強(qiáng)等[14]采用時(shí)間窗截取損傷散射信號(hào)以規(guī)避對(duì)基準(zhǔn)信號(hào)的需求，但需人為確定窗函數(shù)寬度。Tian等[15]運(yùn)用頻率波數(shù)域?yàn)V波法可有效地從窄帶信號(hào)中分離出損傷散射信號(hào)，然而當(dāng)直達(dá)波與損傷散射波方位角接近時(shí)易造成其在波數(shù)域中的混疊，難以準(zhǔn)確分離出損傷信號(hào)，且密集的二維掃描需耗費(fèi)大量時(shí)間，限制了其應(yīng)用。為了有效抑制寬頻帶信號(hào)的頻散影響，本文提出了分頻段時(shí)域?yàn)V波法實(shí)現(xiàn)了損傷散射信號(hào)的有效提取。

目前基于超聲導(dǎo)波驅(qū)動(dòng)/傳感陣列的損傷成像方法主要有相控陣成像方法，時(shí)間反轉(zhuǎn)成像方法等[16-17]。其中，導(dǎo)波相控陣成像法可對(duì)損傷快速定位，但其成像精度易受頻散影響[18]；時(shí)間反轉(zhuǎn)方法可有效彌補(bǔ)板狀結(jié)構(gòu)中的頻散，并逐漸成為無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[19-20]。Ing等[21]用時(shí)域時(shí)間反轉(zhuǎn)法有效地補(bǔ)償了頻散效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了時(shí)空域下導(dǎo)波的聚焦，不足之處是確保精度條件下的計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)。Zhu等[22]依賴于基準(zhǔn)信號(hào)采用頻率波數(shù)域時(shí)間反轉(zhuǎn)法繼承了時(shí)反補(bǔ)償頻散的特性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)散射波場(chǎng)的反演和損傷的高效成像。

本文構(gòu)建激光超聲激勵(lì)/激光多普勒測(cè)振儀掃描檢測(cè)平臺(tái)以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中非接觸式超聲導(dǎo)波場(chǎng)信號(hào)的高分辨率拾取；運(yùn)用小波分析法分別提取寬頻帶激光超聲信號(hào)中多個(gè)窄頻帶信息，并采用不依賴基準(zhǔn)信號(hào)的時(shí)域?yàn)V波法有效提取損傷散射信號(hào)，進(jìn)而結(jié)合頻率波數(shù)域逆時(shí)損傷成像方法實(shí)現(xiàn)缺陷的準(zhǔn)確定位；綜合不同頻段成像結(jié)果，最終實(shí)現(xiàn)高精度和高信噪比成像。

1 分頻段時(shí)域?yàn)V波法

寬頻帶超聲導(dǎo)波頻散效應(yīng)致使入射信號(hào)與損傷散射信號(hào)在時(shí)域混疊嚴(yán)重而難以有效分離。引入如圖1所示的寬頻信號(hào)分頻段方法。

(a)(b)

圖1 寬頻信號(hào)分頻段原理示意圖

Fig.1 Spectral Decomposition

在分頻過(guò)程中，其頻帶不能過(guò)窄，分頻帶越窄，其時(shí)域波包寬度就越寬，易造成混疊，不利于后期的時(shí)域?yàn)V波。如圖1(b)所示，將寬頻信號(hào)幅值最大的主中心頻率確定為首個(gè)分出窄帶信號(hào)的中心頻率，然后遵循分頻段原則即“各窄帶信號(hào)中心頻率間隔小于窄帶信號(hào)的有效頻寬，所有窄帶信號(hào)能夠覆蓋原始寬頻信號(hào)的主要頻段”，將寬頻信號(hào)分解為多個(gè)窄帶信號(hào)再實(shí)施時(shí)域?yàn)V波以提取散射信號(hào)。其中有效頻寬指的是頻譜中幅值下降到最大幅值的1/10時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率寬度[23]。信號(hào)高頻段成分波長(zhǎng)小，檢測(cè)微小損傷的能力強(qiáng)，然其信噪比較低。中心頻率處的窄帶信號(hào)能量高，成像峰值明顯。因此需綜合分析各窄帶信號(hào)以提高成像精度及信噪比。

1.1 小波分析

為確保時(shí)域?yàn)V波有效提取損傷散射信號(hào)，各窄帶信號(hào)在時(shí)域和頻域上應(yīng)有良好的聚集性。選擇Morlet母小波函數(shù)對(duì)含損傷信息的導(dǎo)波信號(hào)S(t)進(jìn)行連續(xù)小波變換[24]

(1)

式中：WT(a，b)為小波分析后的信號(hào)；a和b分別為尺度因子和平移因子；Ψ*(t)為母小波函數(shù)Ψ(t)的復(fù)共軛函數(shù)。實(shí)Morlet母小波函數(shù)可表示為

(2)

數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)中，對(duì)應(yīng)頻厚積下激發(fā)波模態(tài)僅存在A0及S0模態(tài)波，其中A0模態(tài)引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)方向主要是離面方向，S0模態(tài)引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)方向主要是面內(nèi)方向，由于SLDV主要以采集離面速度信號(hào)為主，因此缺陷檢測(cè)主要分析A0模態(tài)與缺陷的相互作用[25]。圖2(a)和圖2(b)為典型寬頻帶激光超聲信號(hào)以及對(duì)應(yīng)頻譜圖。圖2(c)和圖2(d)為針對(duì)圖2(a)和圖2(b)所示的典型寬頻帶超聲信號(hào)實(shí)施小波分析后所分離出的窄帶信號(hào)及對(duì)應(yīng)頻譜圖。相對(duì)比圖2(a)和圖2(b)所呈現(xiàn)寬頻帶信號(hào)頻散嚴(yán)重(圓圈處波包混疊)，圖2(c)和圖2(d)中的窄帶信號(hào)波包分離、頻散較弱，在時(shí)域波形中可以清楚的分辨出入射波及損傷散射波。

(a) 激光寬頻帶時(shí)域信號(hào)

(b) 激光寬頻帶頻譜

(d) 100 kHz下窄帶頻譜

圖2 激光寬、窄帶信號(hào)及頻譜

Fig.2 Laser broad, marrow land signal and frequency spectrum

1.2 時(shí)域?yàn)V波

時(shí)域?yàn)V波是通過(guò)小波分析方法得到各窄頻帶信號(hào)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。在頻散效應(yīng)的影響下，各窄頻帶信號(hào)具有不同的群速度。選用如圖3中虛線所示的寬度可調(diào)且過(guò)渡段平滑的時(shí)域窗函數(shù)作為動(dòng)態(tài)濾波窗

(3)

式中：tf min為通帶跨度。時(shí)域?yàn)V波法是指根據(jù)不同頻率以及不同傳感位置直達(dá)波的到達(dá)時(shí)間從而自適應(yīng)改變窗函數(shù)的寬度，以達(dá)到動(dòng)態(tài)濾波的效果。根據(jù)信號(hào)分析的1/10法則，確定各窄頻帶信號(hào)的有效頻寬以及此閾值下對(duì)應(yīng)的最小頻率fmin。由圖4給出的材料固有的A0模態(tài)群速度頻散關(guān)系，確定最小頻率fmin對(duì)應(yīng)的最小群速度cgfmin，再由式(4)計(jì)算得到相應(yīng)傳感位置直達(dá)波的最晚到達(dá)時(shí)間tf min，以確定時(shí)域?yàn)V波窗的寬度，最終利用時(shí)域窗函數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)濾波。

(4)

式中：S為激勵(lì)源距傳感點(diǎn)的距離。

圖3 加窗示意圖

圖4 群速度頻散曲線

本文數(shù)值模擬過(guò)程中采用吸收邊界有效避免了邊界反射的影響。實(shí)驗(yàn)中一方面運(yùn)用黏土作為吸收邊界有效吸收了邊界反射，另一方面截取了邊界反射未傳到的時(shí)間段抑制了邊界干擾。因此信號(hào)中僅包含直達(dá)波信號(hào)及損傷散射信號(hào)。運(yùn)用分頻時(shí)域?yàn)V波法將直達(dá)波信號(hào)與損傷散射信號(hào)在時(shí)域分開(kāi)，再經(jīng)時(shí)域加窗濾波處理，從而實(shí)現(xiàn)在無(wú)需基準(zhǔn)信號(hào)的前提下分離出對(duì)應(yīng)的直達(dá)波與損傷散射波波場(chǎng)數(shù)據(jù)群。

2 頻率波數(shù)域逆時(shí)損傷成像方法

采用圖5所示方案。在二維平面內(nèi)，首先在原點(diǎn)用激光激勵(lì)出結(jié)構(gòu)中超聲導(dǎo)波信號(hào)；按線性排布方向拾取含直達(dá)波信號(hào)與損傷散射信號(hào)；由直達(dá)波信號(hào)構(gòu)建入射波場(chǎng)，利用損傷散射信號(hào)重構(gòu)損傷散射波場(chǎng)；引入互相關(guān)條件確定損傷位置；通過(guò)頻率波數(shù)域逆時(shí)損傷成像法可有效補(bǔ)償頻散達(dá)到精確定位損傷的效果。

圖5 逆時(shí)損傷成像示意圖

2.1 入射波場(chǎng)

設(shè)激勵(lì)源為原點(diǎn)，位于坐標(biāo)(x，y)處的入射波場(chǎng)Wi(x，y，t)可由距激勵(lì)源相同距離處xn接收到的直達(dá)波信號(hào)獲得

Wi(x,y,t)=W(xn,0,t)

(5)

2.2 頻率波數(shù)域逆時(shí)重構(gòu)散射波場(chǎng)

設(shè)散射波場(chǎng)可表示為

(6)

式中：M為幅值；ω為頻率；k為波數(shù)。式(6)在頻率-波數(shù)域內(nèi)形式為

(7)

對(duì)Ws(x，y，ω)作x方向(SLDV掃描點(diǎn)排列方向)的傅里葉變換，式(7)可以轉(zhuǎn)化為

(8)

式中：kx，ky為k在x，y方向的分量。預(yù)置損傷在y0的上半平面，因此只考慮下行散射波，式(8)的解為

Ws(kx,y,ω)=Aeikyy

(9)

式中：

A=Ws(kx,0,ω)

(10)

由掃描點(diǎn)接收到的損傷散射信號(hào)Ws(x,0,t)變換至頻率-波數(shù)域獲得。散射波在時(shí)-空域的分布為

Ws(x,y,t)=

(11)

即將損傷散射信號(hào)逆時(shí)重構(gòu)至結(jié)構(gòu)中(x,y)處。

2.3 成像條件

逆時(shí)重構(gòu)過(guò)程中損傷位置未知。引入互相關(guān)成像條件確定損傷位置即可實(shí)現(xiàn)損傷可視化?；ハ嚓P(guān)成像條件可表示為

(12)

式中：Pm(x，y)為各窄帶信號(hào)損傷成像指標(biāo)，在損傷散射邊界處取得較大值。

為進(jìn)一步提升損傷成像精度，將分頻段所得的多個(gè)窄帶信號(hào)成像結(jié)果經(jīng)由式(13)進(jìn)行邏輯“與”運(yùn)算以使噪聲信號(hào)得到削弱，使成像位置處的特征信號(hào)加強(qiáng)。邏輯“與”運(yùn)算數(shù)學(xué)上的表達(dá)形式是連乘公式[26]

(13)

通過(guò)“與”運(yùn)算能夠提升成像峰值位置處真實(shí)損傷信號(hào)的相對(duì)幅值，減弱噪聲干擾，同時(shí)凸顯高頻段信號(hào)對(duì)微小損傷敏感、成像位置精確的優(yōu)勢(shì)。

3 數(shù)值仿真及損傷成像試驗(yàn)

3.1 數(shù)值仿真模型及成像實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

建立圖6所示的有限元模型，應(yīng)用Comsol 5.3軟件仿真模擬激光激勵(lì)超聲導(dǎo)波。材料參數(shù)見(jiàn)表1。采用等效力源模擬激光激勵(lì)，表達(dá)式為[27]

(14)

式中:a為控制脈沖寬度的參數(shù)；fc為中心頻率；t0為脈沖的延遲時(shí)間。取a=1，t0=10 μs，fc=0.1 MHz。

圖7給出了激勵(lì)信號(hào)的時(shí)域波形和對(duì)應(yīng)的頻譜。

構(gòu)建圖8所示的激光激勵(lì)/SLDV傳感實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。試驗(yàn)待測(cè)鋁板尺寸為400 mm×400 mm×1 mm，如圖9

圖6 激光超聲仿真模型

表1 鋁板主要參數(shù)

圖7 激勵(lì)信號(hào)時(shí)域和頻域圖

圖8 激光超聲檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖9 含損傷待測(cè)鋁板

所示。以鋁板中心位置建立直角坐標(biāo)系，實(shí)驗(yàn)預(yù)置通孔損傷中心位置為(60,80)mm，激光激勵(lì)加載位置及SLDV掃描點(diǎn)排布等均與數(shù)值模擬保持一致。實(shí)驗(yàn)中激光波長(zhǎng)為532 nm，脈沖時(shí)域?qū)挾葹?0 μs，單個(gè)脈沖能量最大為50 mJ，超聲信號(hào)中心頻率為100 kHz，帶寬約為400 KHz。SLDV采樣頻率設(shè)置為5 120 kHz。采樣時(shí)間為300 μs。現(xiàn)有頻率波數(shù)域逆時(shí)損傷成像方法其空間分辨率受限于換能器陣列的分布尺度，而本文運(yùn)用SLDV密集掃描點(diǎn)拾取超聲導(dǎo)波信號(hào)以提高空間分辨率。

3.2 分頻段時(shí)域?yàn)V波及損傷成像

數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程中均依據(jù)前述分頻段原則對(duì)采集信號(hào)實(shí)施分頻段時(shí)域?yàn)V波。根據(jù)激勵(lì)信號(hào)的頻帶，選取100 kHz，200 kHz，300 kHz三個(gè)頻率下的窄帶信號(hào)(見(jiàn)圖10和圖11)，其中實(shí)測(cè)信號(hào)包含較多噪聲。

圖10 數(shù)值模擬多頻段歸一化頻譜圖

圖11 實(shí)驗(yàn)信號(hào)多頻段歸一化頻譜圖

取圖6中傳感位置(6,0)cm處觀測(cè)點(diǎn)，其數(shù)值模擬及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分頻段后的各頻段信號(hào)時(shí)域波形圖，如圖12所示。圖中各信號(hào)中所包含的損傷散射信號(hào)均能夠與相應(yīng)的直達(dá)波信號(hào)顯著分離。

以中心頻率100 kHz窄帶信號(hào)為例，通過(guò)窗函數(shù)提取圖13所示的直達(dá)波信號(hào)與損傷散射信號(hào)。

本文選擇一預(yù)設(shè)損傷鋁板進(jìn)行損傷成像研究。圖13為模擬結(jié)果、圖14為損傷實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)。其中圖13(a)、圖14(a)中入射波與損傷散射波在時(shí)域嚴(yán)重混疊。圖14及圖15的其他各圖分別為經(jīng)采用分頻段時(shí)域?yàn)V波法處理得到的各分中心頻率下的損傷散射信號(hào)。圖中各掃描點(diǎn)所分離出的散射信號(hào)時(shí)域波形保持完整，能夠清晰分辨其到達(dá)時(shí)間，驗(yàn)證了分頻段時(shí)域?yàn)V波方法對(duì)不同頻率，不同傳感位置信號(hào)濾波的有效性。

將分頻段時(shí)域?yàn)V波處理后所分離出的直達(dá)波信號(hào)和損傷散射信號(hào)用于頻率波數(shù)域時(shí)間反轉(zhuǎn)成像。以實(shí)驗(yàn)中心頻率100 kHz的窄帶信號(hào)為例，根據(jù)式(5)利用直達(dá)波信號(hào)可構(gòu)建出入射波場(chǎng)，如圖16所示。根據(jù)式(11)利用散射信號(hào)反演得到時(shí)空域下的散射波場(chǎng)，如圖17所示。從波場(chǎng)反演過(guò)程可見(jiàn)散射波場(chǎng)在損傷處匯聚，大致判斷出散射發(fā)生于60～70 μs之間，需根據(jù)式引(12)入互相關(guān)成像條件以精確判斷損傷具體位置。

(a) 100 kHz(d) 100 kHz

(b) 200 kHz(e) 200 kHz

(c) 300 kHz數(shù)值模擬波形(f) 300 kHz實(shí)測(cè)波形

圖12 觀察點(diǎn)在不同中心頻率下的小波信號(hào)

Fig.12 Signals at different center frequencies

(a)

(b)

(c)

相應(yīng)的各中心頻率窄帶信號(hào)的數(shù)值模擬及損傷成像實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分別見(jiàn)圖18和圖19。鑒于高分中心頻率所對(duì)應(yīng)的窄帶信號(hào)具有更小的波長(zhǎng)和時(shí)域波包寬度，隨著頻率的增高，所呈現(xiàn)出的損傷區(qū)域逐漸減小；然而，高中心頻率窄帶信號(hào)能量小、信噪比相對(duì)較低(詳見(jiàn)表2)，影響了對(duì)于損傷特征的精確判斷，需視情取舍。

將各窄帶信號(hào)成像結(jié)果作邏輯與運(yùn)算結(jié)果如圖18(d)、圖19(d)所示。最終成像結(jié)果信噪比得到顯著提高且凸顯了損傷邊界特征；與僅采用中心頻率信號(hào)所得到的成像結(jié)果(見(jiàn)圖18(a)、圖19(a))相比，經(jīng)邏輯與運(yùn)算后的成像位置偏差更小，結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

(a) 數(shù)值模擬信號(hào)(b) 100 kHz損傷散射信號(hào)

(c) 200 kHz損傷散射信號(hào)(d) 300 kHz損傷散射信號(hào)

圖14 數(shù)值模擬各中心頻率窄帶損傷散射信號(hào)

(c) 200 kHz損傷散射信號(hào)(d) 300 kHz損傷散射信號(hào)

圖15 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)獲得各中心頻率窄帶損傷散射信號(hào)

Fig.15 Scattered wave signals from different center-frequency in experiment

圖16 時(shí)空域入射波場(chǎng)

(a) 50 μs(b) 60 μs

(c) 70 μs(d) 80 μs

圖17 100 kHz下的逆時(shí)重構(gòu)散射波場(chǎng)

本實(shí)驗(yàn)同時(shí)給出了相控陣時(shí)間延遲疊加[28]的損傷成像結(jié)果作對(duì)比分析。如圖20所示，相控陣時(shí)間延遲疊加成像方法僅考慮了中心頻率下的群速度，忽略了頻散影響，其成像結(jié)果僅能反映損傷的大致位置，且成像“熱點(diǎn)”區(qū)域大于損傷的真實(shí)尺寸，無(wú)法反映損傷散射邊界。對(duì)比圖20和圖19(d)可知，本文所提出方法的成像“熱點(diǎn)”區(qū)域較相控陣時(shí)間延遲疊加成像顯著減小，面積縮小至相控陣成像區(qū)域面積的5%，且成像信噪比得到顯著改善。實(shí)驗(yàn)損傷邊界偏差值由2.1 mm降至1 mm。相控陣時(shí)間延遲成像方法雖能快速實(shí)現(xiàn)損傷的定位，然而其損傷成像精度低，而頻率波數(shù)域逆時(shí)損傷成像方法可將接收信號(hào)進(jìn)行可視化處理以還原超聲Lamb波的回傳過(guò)程，同時(shí)精確指示真實(shí)損傷的邊界位置。通過(guò)對(duì)比分析進(jìn)一步驗(yàn)證了本方法的適用性及有效性，對(duì)比結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表3 相控陣與時(shí)反實(shí)驗(yàn)損傷成像對(duì)比

(a) 100 kHz(b) 200 kHz

(c) 300 kHz(d) 邏輯與運(yùn)算圖

圖18 各頻率窄帶信號(hào)數(shù)值模擬損傷成像

(c) 300 kHz(d) 邏輯與運(yùn)算圖

圖19 各頻率窄帶信號(hào)實(shí)驗(yàn)損傷成像

Fig.19 Damage image by experiment

圖20 相控陣實(shí)驗(yàn)損傷成像

數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，表明采用分頻段時(shí)域?yàn)V波法能夠規(guī)避頻散效應(yīng)的影響。將各窄頻帶信號(hào)下的成像結(jié)果作邏輯與運(yùn)算可進(jìn)一步提高損傷成像精度和信噪比，清晰地指示預(yù)設(shè)損傷的邊界位置。

4 結(jié) 論

(1) 構(gòu)建了一個(gè)完全非接觸式激光超聲導(dǎo)波損傷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，克服了接觸式導(dǎo)波換能器致使波場(chǎng)檢測(cè)空間分辨率低等不足，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)中超聲導(dǎo)波場(chǎng)信號(hào)的高分辨率拾?。徊捎梅诸l段小波分析的方法提取寬頻帶信號(hào)中的窄頻帶信息，有效抑制了信號(hào)頻散，并通過(guò)時(shí)域?yàn)V波方法在無(wú)需基準(zhǔn)信號(hào)的情況下有效提取不同窄頻帶信號(hào)中的損傷散射信號(hào)；應(yīng)用頻率波數(shù)域逆時(shí)損傷成像法實(shí)現(xiàn)損傷成像，并將各窄頻帶的成像結(jié)果作邏輯與運(yùn)算以提升損傷成像精度及信噪比。

(2) 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相互印證，表明分頻段時(shí)域?yàn)V波法及頻率波數(shù)域時(shí)間逆轉(zhuǎn)成像方法兼具理論和實(shí)踐應(yīng)用意義，在板結(jié)構(gòu)損傷無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域有較好的普適性，凸顯其在工程上的實(shí)用性。