[发明专利]一种载波调制非线性超声导波损伤检测方法

说明书

本发明公开了一种载波调制非线性超声导波损伤检测方法，包括根据检测对象的频率响应特性选取高低频率成分，将高频成分进行延时处理并与低频成分组合构成调制载波信号；采用单激励‑单接收方式进行信号采集，由单一激励换能器激发已调制的含高频成分与低频成分的调制载波信号，载波信号传播时与损伤相互作用产生非线性调制效应，并通过透射法由接收换能器采集；根据高频成分的到达时间和端面反射回波时间截取信号进行分析，对信号滤波和归一化处理后，采用经验模态分解方法对接收信号进行分解，根据分解的各IMF频谱信息选取包含基频和非线性频率成分的IMF分量进行信号重构；提取高频与低频调制旁瓣的差频分量，即非线性成分分量，计算非线性系数，以无损伤非线性系数为基准，对材料损伤程度进行评估。

技术领域

本发明涉及无损检测技术及结构健康监测技术领域，尤其涉及一种载波调制非线性超声导波损伤检测方法。

背景技术

航空航天飞行器、桥梁工程、船舶工程以及输油管道等大型工程结构在长期服役中，受到外部环境影响，如疲劳、腐蚀效应及材料老化等影响，结构表面或内部不可避免的会有缺陷形成。缺陷的产生严重破坏了工程材料的结构完整性，致使其性能急剧下降，从而在实际使用过程中引发严重事故。为避免引起突发事故，结构健康监测技术得到了广泛关注和发展。结构健康监测(structural health monitoring，简称SHM)是一种在线监测技术，在不破坏结构件完整性的前提下，对工程材料进行不间断监测，对收集到的结构响应信号进行分析，并对材料是否存在损伤以及损伤的位置和程度进行评估。为保证工程材料在使用过程中的可靠性，采取有效的检测手段对材料进行损伤检测是十分有必要的。

超声导波检测技术具有传播距离长、检测效率高、成本低、对人体无害等优点，在无损检测领域得到广泛的应用。超声导波检测技术主要分为线性超声导波和非线性超声导波检测技术两大类。线性超声导波检测技术通常根据信号的时间与幅值特征的变化进行检测，对于尺寸大于波长的裂纹和孔洞等损伤具有较高的检测精度和灵敏度，但对于微裂纹、疲劳损伤、分层损伤进行检测时，时间和幅值特征的变化非常不明显，导致检测结果不准确。非线性超声导波检测技术不受传播波长的限制，在材料内部存在的微缺陷或状态变化非常敏感。非线性超声导波检测技术通常对接收信号的频域进行分析，主要观测的是材料存在的非线性效应，如高次谐波和调制旁瓣等。其中高次谐波法由于受仪器非线性和材料非线性影响测量结果不能准确描述由缺陷产生的非线性效应。调制旁瓣法通过两列超声信号在传播途径中与缺陷相互作用产生的非线性效应可以更准确的描述缺陷的非线性效应。但是，调制旁瓣法需要多个激励源，且非线性分量相对基频分量而言非常微弱，严重影响检测的准确度。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种载波调制非线性超声导波损伤检测方法。

本发明的目的通过以下的技术方案来实现：

一种载波调制非线性超声导波损伤检测方法，包括以下步骤：

步骤S1根据检测对象的频率响应特性选取高低频率成分，将高频成分进行延时处理并与低频成分组合构成调制载波信号；

步骤S2采用单激励-单接收方式进行信号采集，由单一激励换能器激发已调制的含高频成分与低频成分的调制载波信号，载波信号传播时与损伤相互作用产生非线性调制效应，并通过透射法由接收换能器采集；

步骤S3根据高频成分的到达时间和端面反射回波时间截取信号进行分析，对信号滤波和归一化处理后，采用经验模态分解方法对接收信号进行分解，根据分解的各IMF频谱信息选取包含基频和非线性频率成分的IMF分量进行信号重构；

步骤S4提取高频与低频调制旁瓣的差频分量，即非线性成分分量，计算非线性系数，以损伤非线性系数为基准，对材料损伤程度进行评估。

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：

实现对工程材料反射信号弱微小损伤进行有效、准确的检测；