[发明专利]一种水下闸门的非线性波检测方法

权利要求书

1.一种水下闸门的非线性波检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)波速计算

通过查阅工程资料、现场测量、结合监测资料反演，确定闸门面板的长、宽、厚、弹性模量、泊松比；求解兰姆波的波动方程：

其中ω是角频率，c_L是横波速度，c_T是纵波速度，h是半板厚，k是波数，绘制兰姆波的频散曲线，确定兰姆波的相速度与频率板厚乘积的关系；

根据相速度和群速度的关系：

确定兰姆波的群速度与频率板厚乘积的关系；

(2)耦合优化

采用窗函数m(t)调制正弦函数，生成激励信号：

窗函数调制是保证激励信号在中心频率ω₀具有能量的波峰，在兰姆波的频散曲线中，通过查询ω₀得到激励信号的传播速度；

通过Helmholtz分解将闸门面板的位移分解为标量势函数和矢量势函数Ψ之和，假设水无法传递剪力，其位移仅用标量势表示，得到如下运动方程：

闸门面板无水侧为自由表面，应力均为0，得到边界条件：

闸门面板挡水侧具有应力平衡和离面位移连续性条件：

联立式(4)～(6)，求解水体位移，表征兰姆波泄露进水体的能量；由于金属板和水体中的波数具有如下几何关系：

以此几何关系(7)作为限制条件，通过拉格朗日法求解水体位移的条件极值，找寻最优的波数kx和ky，减少兰姆波漏入水中的能量，增大兰姆波在闸门板中的能量；

(3)单点聚焦

在挡水面，将由7个换能器组成的线性阵列粘贴在闸门面板上，依次编号为1-7；每个换能器间距相等，均能独自激励、接收兰姆波信号；选取阵列的中心为坐标原点O，聚焦点的坐标记为O’，有

其中Δt为i号换能器较4号换能器要提早激振的时间，如Δt为负值，则表示i号换能器较4号换能器要延迟Δt；根据该准则设置各个换能器的激励时刻，保证各换能器激励波同时到达聚焦点，在聚焦点产生最大的散射波；

(4)信噪比提升

在完成激励后，换能器将采集到相邻6个换能器的激励；以两个相邻的换能器为例，记两个换能器的间距为Δx；激励信号在传递了Δx后的波形如下：

当k₀，k₁取A模态波数的前两阶泰勒展开系数时，得到由换能器a激励的A模态直达波；

当k₀，k₁取S模态波数的前两阶泰勒展开系数时，得到由换能器a激励的S模态直达波；

在换能器b接收的信号中，去除A和S模态的直达波后，得到换能器b的检测信号；

(5)损伤积度计算

在检测信号中包含两种成分，一种是线性波，频率和激励频率相等，来自于损伤线性散射、构造散射、边缘散射，另一种是非线性波，频率是激励频率的整数倍，来自损伤非线性散射；在频谱中提取整数倍频的频率成分，将非线性波的频谱能量相加，作为该聚焦点的损伤程度；

(6)损伤可视化

不断的变换聚焦点，并重复步骤3-5，得到各点的损伤程度，形成整个闸门的损伤图像。