本發(fā)明專利涉及一種用于板狀結(jié)構(gòu)檢測的真時延單模態(tài)Lamb波相控陣系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

普通超聲檢測是單一探頭的結(jié)構(gòu)損傷檢測方法，得到的是一維信號，在單次測量中不能夠直觀地成像，而多探頭組成的相控陣檢測方法可對結(jié)構(gòu)損傷進行檢測和成像。超聲相控陣損傷檢測起源于軍事中的相控陣?yán)走_，二者都是基于惠更斯原理實現(xiàn)的：一個發(fā)射和接收超聲波波束用于損傷檢測，一個使用電磁波用于目標(biāo)追蹤。超聲相控陣的探頭是由一組彼此獨立的壓電傳感器(PZT)單元所組成，每一個單元都能獨立地發(fā)射和接收超聲波，通過各自不同時間延遲的激勵信號造成彼此之間發(fā)射超聲波相位差異，從而使各陣元所發(fā)射的波在介質(zhì)中疊加形成具有方向性聚焦的波陣面和波束用于檢測。而在方向性波束遇到損傷之后，其反射回來的波動信號能夠被相控陣探頭接收到，按照對應(yīng)的聚焦法則進行延遲處理和疊加，實現(xiàn)相控陣成像。與傳統(tǒng)的超聲損傷檢測技術(shù)相比，超聲相控陣探頭能產(chǎn)生靈活偏轉(zhuǎn)聚焦的波束，實現(xiàn)對被測結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的掃描，檢測范圍廣，檢測速度快，可以檢測難以接近、常規(guī)超聲無法檢測的區(qū)域，實現(xiàn)對復(fù)雜結(jié)構(gòu)和構(gòu)件及盲區(qū)位置缺陷的檢測。通過對局部晶片單元激勵信號的控制，可以實現(xiàn)常規(guī)超聲無法實現(xiàn)的高速、全方位、多角度的動態(tài)聚焦掃描。

超聲相控陣探頭線性陣列主要參數(shù)如圖1所示。其中，N為線性陣列晶片個數(shù)，w為單個壓電片陣元寬度，l為單個壓電片陣元長度，e是陣元間的間距空隙，a為陣元與陣元間中心距，a＝w+e，整個陣列總長度為D＝(N-1)d+w，也稱為超聲相控陣線性陣列的陣元孔徑。

普通超聲相控陣技術(shù)經(jīng)過眾多學(xué)者的研究，技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但普通超聲相控陣技術(shù)對板狀結(jié)構(gòu)檢測存在檢測區(qū)域小，不能直觀得到板中缺陷位置，對板狀結(jié)構(gòu)損傷檢測效率低等問題。而板中導(dǎo)波不同于普通超聲波，由于受到板上下邊界的限制，板中導(dǎo)波能夠傳播更遠(yuǎn)距離而沒有明顯的信號衰減，十分適合進行長距離復(fù)雜結(jié)構(gòu)損傷檢測。然而板中導(dǎo)波Lamb波是頻散的，其波速隨著試件厚度及信號頻率的變換而變化，模態(tài)比普通超聲波復(fù)雜且各種模態(tài)耦合,如圖2所示，因此對Lamb波相控陣損傷檢測系統(tǒng)需要進行特殊的設(shè)計和搭建以便實現(xiàn)單一模態(tài)的激發(fā)與檢測。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

基于以上不足之處，本發(fā)明提出一種用于板狀結(jié)構(gòu)檢測的真時延單模態(tài)Lamb波相控陣系統(tǒng)，采用窄帶脈沖激發(fā)陣列單元，根據(jù)調(diào)諧曲線選擇特定的單一模態(tài)并在檢測方向上增強導(dǎo)波中單一模態(tài)的幅值，實現(xiàn)真實物理場中的波束偏轉(zhuǎn)與聚焦，提高了空間域分辨率，放大了損傷反射的信號，能夠更準(zhǔn)確地識別板中損傷位置和形狀，同時擴大了損傷檢測的范圍。

本發(fā)明所采用的技術(shù)如下：一種用于板狀結(jié)構(gòu)檢測的真時延單模態(tài)Lamb波相控陣系統(tǒng)，包括：控制器，多通道數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，多晶片Lamb波相控陣探頭，多通道繼電器，多通道模/數(shù)轉(zhuǎn)換采集卡，成像顯示器,

控制器電信號連接多通道數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，多通道數(shù)/模轉(zhuǎn)換器通過多通道繼電器電信號連接多晶片Lamb波相控陣探頭；

多晶片Lamb波相控陣探頭通過多通道繼電器電信號連接多通道模/數(shù)轉(zhuǎn)換采集卡，多通道模/數(shù)轉(zhuǎn)換采集卡電信號連接控制器，控制器電信號連接成像顯示器；多通道數(shù)/模轉(zhuǎn)換器將不同通道的發(fā)射信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號以便驅(qū)動多晶片Lamb波相控陣探頭；多晶片Lamb波相控陣探頭通過逆壓電效應(yīng)將電壓信號轉(zhuǎn)換成波動信號在結(jié)構(gòu)中激發(fā)出來，同時在接收階段根據(jù)正壓電效應(yīng)將損傷反射回來的波動信號轉(zhuǎn)換成電信號；多通道模/數(shù)轉(zhuǎn)換采集卡將不同通道的損傷反射回波的模擬電信號轉(zhuǎn)化成控制器數(shù)字信號；多通道繼電器在發(fā)射階段將多通道數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的發(fā)射信號連接在多晶片Lamb波相控陣探頭上，并在發(fā)射階段結(jié)束后，將多晶片Lamb波相控陣探頭連接到多通道模/數(shù)轉(zhuǎn)換采集卡上，用于采集損傷回波信號；

控制器對被測試件的參數(shù)進行設(shè)置并計算不同時間延遲的發(fā)射信號，多晶片Lamb波相控陣探頭包括多個壓電傳感器單元，按從上至下按一定間隔的順序排成一列，并通過不同時間延遲的3周期漢寧窗調(diào)幅的窄帶脈沖激勵信號在一次檢測中同時進行激發(fā)，由于陣列單元的激勵信號經(jīng)過不同時間延遲調(diào)控，各自的相位不同，將會分別發(fā)出各自的Lamb波，根據(jù)惠更斯原理，不同Lamb波的波陣面疊加在一起，并聚焦在預(yù)設(shè)的焦點P處，并放大Lamb波中單一模態(tài)信號的幅值，從而實現(xiàn)物理場中單模態(tài)Lamb波的真實的聲束偏轉(zhuǎn)、聲束聚焦、聲束掃描的功能；遇到損傷反射回波后，所有壓電傳感器單元同時在接收到信號，通過控制器對其進行重構(gòu)確定損傷位置、計算后成像，通過調(diào)整不同激勵信號的時間延遲實現(xiàn)板狀結(jié)構(gòu)全區(qū)域的單模態(tài)Lamb波定向定點掃描，從而實現(xiàn)損傷檢測。

本發(fā)明還具有進一步的特征，

1、其中，真時延單模態(tài)Lamb波相控陣真時延聚焦方法為：

真時延單模態(tài)Lamb波相控陣中心頻率為100kHz，選用A₀模態(tài)的波進行板狀結(jié)構(gòu)的損傷檢測；以3個周期漢寧窗窄帶脈沖信號激發(fā)單模態(tài)A₀波進行板狀結(jié)構(gòu)的損傷檢測，其中，各個單元的激勵信號為V(t-δ_n),基準(zhǔn)電壓激勵信號H(t)為赫維賽德階躍函數(shù)，當(dāng)t≥0時H(t)＝1；當(dāng)t＜0時H(t)＝0，N_ρ＝3，f_c＝100kHz；以A₀模態(tài)波的群速度來計算相控陣單元的時間延遲，從第n個壓電片到達焦點P的距離表示成如下的形式：

其中，a是兩個相控陣單元中心的距離，F(xiàn)是焦距，也就是焦點到相控陣中心點的距離，θ_F是焦點的偏移角度；在聚焦于焦點P時，各個壓電片對應(yīng)的時間延遲δ_n分別表達為式(2)的形式，c為導(dǎo)波中A₀波的群速度，t₀為一個足夠大的常數(shù)以便保證時間延遲不為負(fù)數(shù)，分別對奇數(shù)壓電片和偶數(shù)個壓電片進行推導(dǎo)；

設(shè)初始由第n個壓電片單元發(fā)出的信號幅值為A_n，Lamb波的衰減為距離平方根的反比最終各個壓電片單元產(chǎn)生的波陣面合成到焦點P處的波為：

其中，S_p(t)是焦點P處的波場強度信號，S₀是各個壓電片單元初始信號；

2、真時延單模態(tài)Lamb波相控陣的單模態(tài)成像方法為：

設(shè)在角度為θ_d，距離R_d的點D處有一個損傷，相控陣聚焦的焦點在P處，不同壓電傳感器單元發(fā)出的波在點D處疊加結(jié)果S_D(t)為公式(4)所示，其中d_n為第n個壓電傳感器單元到損傷位置D的距離，其大小由幾何關(guān)系計算：

當(dāng)D處有損傷存在時，漫反射回來的波會被多晶片Lamb波相控陣探頭接收到，其中散射系數(shù)為B，考慮傳播回來的波幅值衰減項為d_m為損傷D處到第m個壓電傳感器單元的距離，從D處傳播回來到第m個壓電傳感器單元的波S_r(t)為：

反射回來的波，到各個壓電傳感器單元會存在不同的時間延遲，為了計算具體的損傷位置，需要把被動相控陣各個壓電傳感器單元接收到的信號根據(jù)聚焦位置的不同，進行組裝和疊加，從而得到代表該聚焦位置的損傷情況重構(gòu)信號，根據(jù)聚焦時間延遲δ_m，其組裝信號S_R(t)的表達公式為：

采用損傷情況和健康情況做差得到的差信號進行組裝，減去包含健康情況下基準(zhǔn)信號的方法能夠排除了原有信號中的健康情況和初始缺陷對信號的影響，只與需要檢測的損傷大小和位置相關(guān)，更好地反應(yīng)損傷對信號的影響。當(dāng)聚焦點位置同缺陷位置重合時，聚焦角度θ_F＝θ_d，且焦距F＝R_d，損傷處產(chǎn)生很強的單模態(tài)Lamb波反射回波且組裝信號S_R(t)會取到極大值。

本發(fā)明具有如下有益效果及優(yōu)點：在對鋼箱梁橋面板、壓力容器、管道損傷、飛機蒙皮等板狀結(jié)構(gòu)的損傷檢測中，檢測范圍廣、損傷敏感度高、成像直觀、檢測效率高。本發(fā)明專利通過真正時間延遲方法實現(xiàn)了物理聲場聚焦的單模態(tài)Lamb波相控陣技術(shù)，不同于單一激發(fā)的后期數(shù)學(xué)虛擬聚焦方法，本發(fā)明能夠在結(jié)構(gòu)中真正激發(fā)出方向性的單一模態(tài)Lamb波波束，并靈活實現(xiàn)掃描、偏轉(zhuǎn)和聚焦等真實效果。該技術(shù)能夠明顯地增強信號的信噪比，通過A₀波束的偏轉(zhuǎn)和聚焦提升損傷檢測的空間分辨率，提高了檢測精度，產(chǎn)生方向性定點聚焦的A₀波束(單模態(tài)Lamb波)，并通過反射回來單一模態(tài)Lamb波(A₀波)信號的強弱對損傷的位置和大小進行判定。

附圖說明

圖1是線性陣列的幾何參數(shù)圖；

圖2是Lamb波群速度與頻厚積的頻散曲線圖；

圖3是真時延單模態(tài)Lamb波相控陣檢測過程及硬件連接示意圖；

圖4是真時延單模態(tài)Lamb波相控陣及其聚焦點圖；

圖5是真時延單模態(tài)Lamb波相控陣系統(tǒng)中壓電傳感器單元的調(diào)諧曲線圖；

圖6是真時延單模態(tài)Lamb波超聲相控陣聚焦和反射回波示意圖；

圖7是無損情況下，真時延單模態(tài)Lamb波相控陣波場LDV實際檢測結(jié)果圖，聚焦點為100mm,0°；

圖8是無損情況下，真時延單模態(tài)Lamb波相控陣波場LDV實際檢測結(jié)果圖，聚焦點為100mm,30°；

圖9是無損情況下，真時延單模態(tài)Lamb波相控陣波場LDV實際檢測結(jié)果圖，聚焦點為100mm,45°；

圖10是有損情況下，真時延單模態(tài)Lamb波相控陣波場LDV實際檢測結(jié)果圖，聚焦點為100mm,0°；

圖11是有損情況下，真時延單模態(tài)Lamb波相控陣波場LDV實際檢測結(jié)果圖；，聚焦點100mm,30°；

圖12是有損情況下，真時延單模態(tài)Lamb波相控陣波場LDV實際檢測結(jié)果圖；，聚焦點100mm,45°；

圖13是無損情況下，真時延單模態(tài)Lamb波相控陣接收到的波形圖；

圖14是無損情況下，互相關(guān)函數(shù)計算的傳播時間圖；

圖15是損傷情況1，被檢測區(qū)域損傷的位置圖；

圖16是損傷情況1，真時延單模態(tài)Lamb波相控陣接收到的信號和原有的基準(zhǔn)信號圖；

圖17是損傷情況1，有、無損傷情況下的差信號圖；

圖18是損傷情況1，不同通道的差信號圖；

圖19是損傷情況1，真時延單模態(tài)Lamb波相控陣的損傷檢測結(jié)果圖；

圖20是損傷情況2，被檢測區(qū)域損傷的位置圖；

圖21是損傷情況2，真時延單模態(tài)Lamb波相控陣接收到的信號和原有的基準(zhǔn)信號圖；

圖22是損傷情況2，有、無損傷情況下的差信號圖；

圖23是損傷情況2，真時延單模態(tài)Lamb波相控陣的損傷檢測結(jié)果圖；

具體實施方式

下面根據(jù)說明附圖舉例對本發(fā)明做進一步說明:

實施例1

一種用于板狀結(jié)構(gòu)檢測的真時延單模態(tài)Lamb波相控陣系統(tǒng)，如圖3所示，包括：控制器1，多通道數(shù)/模轉(zhuǎn)換器2，多晶片Lamb波相控陣探頭3，多通道繼電器4，多通道模/數(shù)轉(zhuǎn)換采集卡5，成像顯示器6,

控制器1電信號連接多通道數(shù)/模轉(zhuǎn)換器2，多通道數(shù)/模轉(zhuǎn)換器2通過多通道繼電器4電信號連接多晶片Lamb波相控陣探頭3；

多晶片Lamb波相控陣探頭3通過多通道繼電器4電信號連接多通道模/數(shù)轉(zhuǎn)換采集卡5，多通道模/數(shù)轉(zhuǎn)換采集卡5電信號連接控制器1，控制器1電信號連接成像顯示器6；多通道數(shù)/模轉(zhuǎn)換器將不同通道的發(fā)射信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號以便驅(qū)動多晶片Lamb波相控陣探頭；多晶片Lamb波相控陣探頭通過逆壓電效應(yīng)將電壓信號轉(zhuǎn)換成波動信號在結(jié)構(gòu)中激發(fā)出來，同時在接收階段根據(jù)正壓電效應(yīng)將損傷反射回來的波動信號轉(zhuǎn)換成電信號；多通道模/數(shù)轉(zhuǎn)換采集卡將不同通道的損傷反射回波的模擬電信號轉(zhuǎn)化成控制器數(shù)字信號；多通道繼電器在發(fā)射階段將多通道數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的發(fā)射信號連接在多晶片Lamb波相控陣探頭上，并在發(fā)射階段結(jié)束后，將多晶片Lamb波相控陣探頭連接到多通道模/數(shù)轉(zhuǎn)換采集卡上，用于采集損傷回波信號；

控制器對被測試件的參數(shù)進行設(shè)置并計算不同時間延遲的發(fā)射信號，多晶片Lamb波相控陣探頭包括多個壓電傳感器單元，按從上至下按一定間隔的順序排成一列，并通過不同時間延遲的3周期漢寧窗調(diào)幅的窄帶脈沖激勵信號在一次檢測中同時進行激發(fā)，由于陣列單元的激勵信號經(jīng)過不同時間延遲調(diào)控，各自的相位不同，將會分別發(fā)出各自的Lamb波，根據(jù)惠更斯原理，不同Lamb波的波陣面疊加在一起，并聚焦在預(yù)設(shè)的焦點P處，并放大Lamb波中單一模態(tài)信號的幅值，從而實現(xiàn)物理場中單模態(tài)Lamb波的真實的聲束偏轉(zhuǎn)、聲束聚焦、聲束掃描的功能；遇到損傷反射回波后，所有壓電傳感器單元同時在接收到信號，通過控制器對其進行重構(gòu)確定損傷位置、計算后成像，通過調(diào)整不同激勵信號的時間延遲實現(xiàn)板狀結(jié)構(gòu)全區(qū)域的單模態(tài)Lamb波定向定點掃描，從而實現(xiàn)損傷檢測。

如圖4所示，Lamb波相控陣探頭包括多個壓電傳感器單元，并通過不同時間延遲的窄帶脈沖激勵信號按照順序進行激發(fā)，分別發(fā)出各自的Lamb波，而不同Lamb波的波陣面隨著傳播會按照惠更斯原理疊加在一起，通過調(diào)整相控陣不同單元間的時間延遲，其激發(fā)的超聲波會在介質(zhì)中疊加形成新的波陣面，并聚焦在預(yù)設(shè)的焦點P處，從而實現(xiàn)聲束偏轉(zhuǎn)、聲束聚焦、聲束掃描等功能，達到多種形式的檢測模式。聲波聚焦在被檢測物體內(nèi)部的特殊位置，并放大損傷反射回波信號的幅值，從而實現(xiàn)損傷檢測的目的。圖中，位于最上面的壓電傳感器單元最先接受到激勵信號并發(fā)出Lamb波，第二個單元隨后發(fā)出Lamb波，按照時間延遲的先后發(fā)射完畢后，先發(fā)的波會與后發(fā)出的波聚集在一起，合成新的波陣面，并最終在P點疊加到峰值。與普通超聲相控陣不同的是，Lamb波相控陣用于板狀結(jié)構(gòu)的損傷檢測，同時需要考慮Lamb波兩組不同的模態(tài)(S模態(tài)和A模態(tài))的頻散效應(yīng)。Lamb波相控陣的激勵信號為窄帶脈沖信號(Tone-burst signals)，用以減小Lamb波頻散效應(yīng)的影響，同時為了達到更好的聚焦效果以提高損傷定位與識別精度，需要針對特定的激勵信號頻率選取能激發(fā)最大幅值的模態(tài)。

真時延單模態(tài)Lamb波相控陣中心頻率為100kHz，選用A₀模態(tài)的波進行板狀結(jié)構(gòu)的損傷檢測，而壓電傳感器單元的調(diào)諧曲線(Tunning curve)如圖5所示，該頻率下的A₀模態(tài)的幅值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于S₀模態(tài)的幅值。因此，選用A₀模態(tài)的波進行板狀結(jié)構(gòu)的損傷檢測，以便達到大幅增強反射回波信號，更好進行損傷檢測的目的；以3個周期漢寧窗窄帶脈沖信號激發(fā)單模態(tài)A₀波進行板狀結(jié)構(gòu)的損傷檢測，如圖9所示。各個單元的激勵信號為V(t-δ_n),基準(zhǔn)電壓激勵信號H(t)為赫維賽德階躍函數(shù)，當(dāng)t≥0時H(t)＝1；當(dāng)t＜0時H(t)＝0，N_ρ＝3，f_c＝100kHz；選用A₀模態(tài)波的群速度來計算相控陣單元的時間延遲，從第n個壓電片到達焦點P的距離表示成如下的形式：

其中，a是兩個相控陣單元中心的距離，F(xiàn)是焦距，也就是焦點到相控陣中心點的距離，θ_F是焦點的偏移角度；在聚焦于焦點P時，各個壓電片對應(yīng)的時間延遲δ_n分別表達為式(2)的形式，c為導(dǎo)波中A₀波的群速度，t₀為一個足夠大的常數(shù)以便保證時間延遲不為負(fù)數(shù)，分別對奇數(shù)壓電片和偶數(shù)個壓電片進行推導(dǎo)；

設(shè)初始由第n個壓電片單元發(fā)出的信號幅值為A_n，Lamb波的衰減為距離平方根的反比最終各個壓電片單元產(chǎn)生的波陣面合成到焦點P處的波為：

其中，S_p(t)是焦點P處的波場強度信號，S₀是各個壓電片單元初始信號；

真時延單模態(tài)Lamb波相控陣成像方法為：

設(shè)在角度為θ_d，距離R_d的點D處有一個損傷，相控陣聚焦的焦點在P處，如圖6所示，一般情況下，點D處并沒有產(chǎn)生的明顯的聚焦，不同壓電傳感器單元發(fā)出的波在點D處疊加結(jié)果S_D(t)為公式(4)所示，其中d_n為第n個壓電傳感器單元到損傷位置D的距離，其大小由幾何關(guān)系計算，

當(dāng)D處有損傷存在時，漫反射回來的波會被多晶片Lamb波相控陣探頭接收到，其中散射系數(shù)為B，考慮傳播回來的波幅值衰減項為d_m為損傷D處到第m個壓電傳感器單元的距離，從D處傳播回來到第m個壓電傳感器單元的波S_r(t)為：

反射回來的波，到各個壓電傳感器單元會存在不同的時間延遲，為了計算具體的損傷位置，需要把被動相控陣各個壓電傳感器單元接收到的信號根據(jù)聚焦位置的不同，進行組裝和疊加，從而得到代表該聚焦位置的損傷情況重構(gòu)信號，根據(jù)聚焦時間延遲δ_m，其組裝信號S_R(t)的表達公式為：

采用損傷情況和健康情況做差得到的差信號進行組裝，減去包含健康情況下基準(zhǔn)信號的方法能夠排除了原有信號中的健康情況和初始缺陷對信號的影響，只與需要檢測的損傷大小和位置相關(guān)，更好地反應(yīng)損傷對信號的影響。當(dāng)聚焦點位置同缺陷位置重合時，聚焦角度θ_F＝θ_d，且焦距F＝R_d，損傷處產(chǎn)生很強的單模態(tài)Lamb波反射回波且組裝信號S_R(t)會取到極大值。

實施例2

采用激光多普勒測振儀(LDV)測量Lamb波相控陣激發(fā)出波的聚焦情況。試驗中，被測的金屬板為6061鋁合金板，其密度為2,700kg/m³，彈性模量E為69.0GPa，泊松比v為0.33，尺寸為914.4mm×914.4mm×1.6mm。在板的中間粘貼7個壓電傳感器，每個壓電片的尺寸為7mm×7mm×0.5mm，間距為1mm構(gòu)成真時延單模態(tài)Lamb波主動相控陣。同時在主動相控陣的背面對應(yīng)位置粘貼被動相控陣以接收損傷的散射回波，對板的損傷進行檢測和定位。每一個壓電傳感器單元都是通過導(dǎo)電的銅膠帶與導(dǎo)線相連并接入發(fā)射/接收儀器中——美國國家儀器NI公司生產(chǎn)的PXIe-1082，共有四塊采集卡：PXIe-6361，PXIe-6124以及兩個PXI-6115數(shù)據(jù)輸出采集卡，包含有8個輸出通道，其中1個通道用于連接激光測振儀的觸發(fā)接口用于觸發(fā)激光測振儀的采集程序，另外7個通道按照順序依次連接在真時延單模態(tài)Lamb波相控陣的7個壓電傳感器單元上。反面被動相控陣的7個單元也依次接入到數(shù)據(jù)采集卡中采集信號，輸出通道和輸入通道的采樣頻率都是1MHz。激光測振儀掃描的區(qū)域為286mm×366mm包含有22400(140×160)個測量點。

(1)無損傷構(gòu)件的試驗結(jié)果

無損傷時，調(diào)整主動相控陣的各個壓電傳感器單元的時間延遲為0s，0.722μs，1.160μs，1.307μs，1.160μs，0.722μs和0s，以便使之聚焦在100mm，0°處。通過激光測振儀測量該工況下波的聚焦結(jié)果，包括發(fā)射、疊加、聚焦和發(fā)散的整個過程，如圖7所示：在Lamb波被相控陣單元激發(fā)之后，不同的波陣面隨著傳播疊加在一起并形成了具有方向性的波束，并且能夠在預(yù)設(shè)的焦點處進行單模態(tài)A₀波的聚焦；隨著時間延遲，該單模態(tài)A₀波波束能夠?qū)φ麄€探測區(qū)域進行很好的掃描和單點聚焦。將時間延遲調(diào)整為10.815μs，9.611μs，8.132μs，6.405μs，4.458μs，2.315μs和0s，則波束的聚焦點為100mm，30°處，如圖8所示。同理，聚焦點也可以通過調(diào)整時間延遲的方法，聚焦于100mm，45°處，如圖9所示。根據(jù)最終的波場匯總圖可以看到，由主動相控陣發(fā)射的單模態(tài)波束具有相控陣的典型特點：有明顯的聚焦焦點，具有方向性的A₀波束，主瓣突出、伴有若干旁瓣，并且只在聚焦點有顯著疊加放大效果，波在過早或者過晚都是發(fā)散而非聚焦，表明本文提出的方法成功地構(gòu)建了真時延單模態(tài)Lamb波相控陣系統(tǒng)，并且能夠靈活地用于損傷檢測。尤其需要指出的是，圖9中檢測到了一個非常微小的初始劃痕，劃痕很小，難以采用其他方法檢測出來，然而本發(fā)明的單模態(tài)Lamb波相控陣系統(tǒng)對損傷十分敏感，能夠很明顯地將其識別出來。

(2)損傷構(gòu)件的試驗結(jié)果

在無損傷情況試驗之后，于100mm，0°處粘貼兩個尺寸為12.7mm×12.7mm永磁鐵模擬損傷。通過對位粘貼磁鐵，限制鋁板在該區(qū)域的面外位移，可以在試驗中安全且快速地在任意位置模擬“損傷”，并在試驗結(jié)束后隨著磁鐵的移開，恢復(fù)成無損傷的情況，不會留下任何永久損傷，方便多次試驗。

當(dāng)由主動相控陣激發(fā)出的單模態(tài)Lamb波的波束在傳播過程中，遇到了該“損傷”區(qū)域，部分波會散射回來，并由被動相控陣接收到散射回波，用于識別粘貼磁鐵“損傷”區(qū)域的位置和大小。更進一步，如果主動相控陣發(fā)射的單模態(tài)Lamb波束恰好聚焦在附有磁鐵的“損傷”區(qū)域時，會出現(xiàn)非常明顯的回波，伴隨著散射回波突出幅值，根據(jù)前文中提到的損傷成像算法，能夠有效地計算出損傷的位置和大小。

如圖10所示，聚焦0°時，聚焦點和設(shè)置的損傷點位置完全重合，因此在單模態(tài)Lamb波波束遇到磁鐵設(shè)置的“損傷”時，產(chǎn)生了很強的回波，向各個方向散射，并傳播回被動相控陣系統(tǒng)中，從激光檢測的匯總圖中可以看出原有波束被反射回來并形成幅值很高的回波。而在如圖11和圖12所示，聚焦30°和45°中，在損傷不變的基礎(chǔ)上，由于聚焦點位置的變化，雖然依舊產(chǎn)生了部分散射回波，但由于單模態(tài)A₀波束主要能量集中并不在該區(qū)域上，原有損傷并沒有在波束成形方向上產(chǎn)生出很強的損傷回波。因此，單模態(tài)Lamb波相控陣有很強的方向性和排他性，能夠有針對性地檢測特定區(qū)域的損傷，具有很好的空間分辨率。從圖12中還可以看到，其對該聚焦點及該聚焦方向上的損傷很敏感，即使是很微小的劃痕，由于單模態(tài)Lamb波束集中聚焦放大的作用，也可以產(chǎn)生很強的散射回波，空間分辨率高。

實施例3

在上述激光測振儀檢測基礎(chǔ)上，被動超聲相控陣也同時啟動對被檢測區(qū)域進行損傷檢測。被動相控陣的檢測原理是通過接收損傷處的反射回波，根據(jù)成像算法得到損傷大小和位置等幾何參數(shù)，本小節(jié)中分別展示不同損傷情況的檢測結(jié)果。

(1)無損傷情況下的試驗結(jié)果

首先是無損傷情況下的損傷檢測結(jié)果，試驗設(shè)置與上述激光測振儀檢測試驗相同，在激光檢測的同時完成被動相控陣的損傷識別和定位。將被動相控陣接收到的信號首先經(jīng)過20kHz-500kHz的帶通濾波器濾掉低頻振動信號并排除高頻噪聲干擾。

采用互相關(guān)函數(shù)對信號傳播時間進行分析，兩個信號互相關(guān)函數(shù)表達式為：

其中，x(t)是基本的窄帶脈沖(Tone-burst)激勵信號，而y(t)是被動相控陣接收到的信號，τ是兩個信號的時間間隔，R_xy(τ)是函數(shù)在該時間間隔下互相關(guān)函數(shù)值。通過上述互相關(guān)函數(shù)公式可以求解當(dāng)一個波包與基本窄帶脈沖信號的互相關(guān)函數(shù)最大值對應(yīng)的時間便是兩個信號的時間差，即該模態(tài)波的傳播時間。

在板中沒有損傷的狀況下，主動相控陣發(fā)射出單模態(tài)Lamb波只有遇到板的邊界才會形成較強的反射信號，從而產(chǎn)生回波由被動相控陣接收到。被動相控陣接收到的波形如圖13所示，其中由鋁板邊界反射的S₀波包和A₀波包分別在圖中用藍(lán)色和紅色虛線圈出，可以看出無損情況下S₀和A₀波幅值接近，且A₀波在該頻率下會產(chǎn)生很強的頻散現(xiàn)象，波形產(chǎn)生很大的變形和拉伸，此外，除了最短途徑的反射回波，被動相控陣還接收到了多路徑的復(fù)雜回波。

通過互相關(guān)函數(shù)可以計算得到S₀模態(tài)波包的由主動相控陣發(fā)射到遇到邊界反射回被動相控陣全程往返的傳播時間為t₁＝168μs，A₀模態(tài)波包的傳播時間為t₂＝420μs，如圖14所示。而S₀波包和A₀波包在該激勵信號的中心頻率100kHz下的理論波速分別是5,465m/s和2,172m/s，由此計算得到的傳播距離分別是918.1mm和912.2mm。實際波全程往返的距離為914.4mm，與測量結(jié)果誤差很小，可以用此波速很好地區(qū)分S₀波包和A₀波包，并識別后續(xù)工況的損傷位置。

(2)損傷情況1

損傷情況1是將兩個尺寸為12.7mm×12.7mm磁鐵粘貼在100mm，0°處，用于模擬損傷情況，如圖15所示。為了檢測其損傷大小和位置，通過NI公司的LabVIEW軟件，控制單模態(tài)A₀波相控陣檢測系統(tǒng)的時間延遲序列，掃描整個待檢測區(qū)域，聚焦點從50mm以25mm為步長遞增到250mm，同時聚焦角度從-90°以15°為步長增加到90°，使用被動相控陣系統(tǒng)接收信號并確定損傷位置。

以超聲相控陣的焦點聚焦在100mm，0°的工況中第二通道采集到的信號為例，其中被動相控陣接收到的包含損傷的信號和健康條件下的基準(zhǔn)信號如圖16所示，損傷信號和健康信號的差信號如圖17所示。從有損傷信號和差信號中可以看出，單模態(tài)Lamb波相控陣明顯增強了A₀波信號的幅值，降低了S₀模態(tài)波的干擾，避免了多模態(tài)的耦合，能夠?qū)p傷進行更好地定位。其中，差信號只與新設(shè)置損傷有關(guān)，排除了包含初始劃痕和鋁板邊界等健康情況的信號，用單模態(tài)Lamb波相控陣差信號按照相控陣成像的方法進行組裝，對損傷進行識別。從圖17中的差信號中可以明顯地看出：由于損傷存在而散射回來的S₀波包和A₀波包，到達鋁板邊界后被反射回來的S₀波包和A₀波包，以及其他路徑反射的復(fù)雜波包。其傳播的時間各不相同，代表了損傷與相控陣的距離和不同路徑傳播的往返距離。在真時延單模態(tài)Lamb相控陣的作用下，由于損傷反射回來A₀模態(tài)的波幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于S₀模態(tài)，能更好地識別損傷。

在主動相控陣聚焦點為100mm，30°時，提取被動相控陣所有7個壓電傳感器單元的差信號，如圖18所示。各個通道的差信號存在不同的時間延遲，尤其是對于選定的A₀波包。為了將其重構(gòu)在一起，需要根據(jù)式(6)基于發(fā)射信號的延遲進行重構(gòu)和疊加，組裝得到單模態(tài)Lamb波相控陣系統(tǒng)合成信號來計算損傷的大小和位置。最終將被檢測區(qū)域所有掃描點得到的差信號進行重構(gòu)得到最終檢測結(jié)果如圖19所示，可以看出其與磁鐵設(shè)置的“損傷”位置吻合很好。

(3)損傷情況2

同樣的，將兩個尺寸為38.1mm×12.7mm(1.5inch×0.5inch)永磁鐵粘貼在鋁板的125mm，15°處，用于形成另一種損傷情況，如圖20所示。同樣可以在被動相控陣中接收到損傷產(chǎn)生的信號，由于損傷布設(shè)的位置較之前損傷情況遠(yuǎn)一些，因此損傷散射回波的A₀波包傳播時間變長，如圖21和圖22所示。同樣根據(jù)差信號對損傷進行重構(gòu)，得到被檢測區(qū)域的損傷檢測結(jié)果如圖23所示，與該工況下?lián)p傷位置吻合。體現(xiàn)了真時延單模態(tài)Lamb相控陣對損傷非常敏感，能夠靈活且有效地對板狀結(jié)構(gòu)進行損傷檢測。