[发明专利]基于超声阵列底面反射法的各向异性材料损伤评价方法

说明书

基于超声阵列底面反射法的各向异性材料损伤评价方法，属于材料检测与评价领域。该方法包括以下步骤：基于超声阵列底面反射法采集各向异性材料试样A扫描信号；对不同阵元组合对应信号进行连续小波变换并读取最高近似系数对应声时，计算不同入射角下的纵波声速，并从信号中读取最高幅值；改变超声阵列与试样接触面内旋转角，获取纵波声速、最高幅值随旋转角的分布曲线；对试样在不同损伤程度分别重复上述步骤，建立不同入射角、旋转角下纵波声速、最高幅值与损伤程度之间的关系。该方法可得到各向异性材料纵波声速、最高幅值随入射角、旋转角的三维分布，测试过程简单、重复性好，可实现损伤程度的多参量评价。

技术领域

本发明涉及基于超声阵列底面反射法的各向异性材料损伤评价方法，属于高端装备检测领域。

背景技术

各向异性材料在很多高端装备领域有着重要的应用。例如，定向凝固镍基高温合金广泛用于航空发动机，碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon Fiber ReinforcedPlastics，CFRP)等被广泛应用于航空航天领域。对应服役环境严苛，不可避免发生损伤。因此，若能对材料或构件的损伤进行有效的无损评价，便可提前预警损伤后期带来的严重危害，对确保高端装备的承载性能和服役可靠性意义重大。

基于超声的无损检测评价技术具有灵活性高，速度快且无破坏性等优点，有效性已经在多个方面被证实。但如何简单、可靠、高效地获取超声特征是损伤评价过程中的关键问题。超声阵列底面反射法(back-wall reflection method,BRM)是近年来基于相控阵超声发展起来的一种新型信号采集方法，基于发射阵元和接收阵元的位置关系可以准确、方便地获取不同入射角的超声信号。但是各向异性材料的声学特性在三维空间分布较为复杂，发生损伤以后，三维空间分布又因损伤的形式、程度不同而不同。现有超声评价方法主要提取单一角度或方向对应的特征量，难以全面反映损伤特征，灵敏度较低，效果并不理想。因此，开展基于超声阵列底面反射法的各向异性材料损伤评价研究，对于保证高端装备的承载性能和服役可靠性具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供基于超声阵列底面反射法的各向异性材料损伤评价方法，通过对不同损伤程度的各向异性材料进行超声阵列底面反射法信号采集并进行连续小波变换，改变超声阵列与各向异性材料试样接触面内旋转角，建立不同入射角、旋转角下纵波声速、最高幅值与损伤程度之间的相关关系，并得到各向异性材料纵波声速、最高幅值随入射角、旋转角的三维分布。该方法测试过程简单，测试结果准确度高、重复性好，提取特征值可以实现不同损伤程度的多参量评价，对各向同性、各向异性材料的老化损伤和早期力学损伤都具有良好的应用前景。

本发明采用的技术方案为：基于超声阵列底面反射法的各向异性材料损伤评价方法，首先将各向异性材料加工成等厚板状试样，利用基于超声阵列的底面反射法采集各向异性材料试样在不同损伤程度的底面回波A扫描信号；对接收信号进行连续小波变换并读取最高近似系数对应的声时，计算不同入射角下的纵波声速，并从A扫描信号中读取最高幅值；改变超声阵列与各向异性材料试样接触面内旋转角，获取纵波声速、最高幅值随旋转角的分布曲线；对于不同损伤程度的各向异性材料试样，得到不同入射角、旋转角下纵波声速、最高幅值与损伤程度之间的关系，并建立特征值与损伤程度之间的关系。具体的计算步骤如下：

(1)超声阵列底面反射法信号采集

将各向异性材料加工为等厚板状试样。以超声阵列某一阵元作为发射阵元，其他作为接收阵元，独立接收试样底面回波A扫描信号。

(2)基于小波变换读取声时及纵波声速计算

对步骤(1)中采集到的A扫描信号进行连续小波变换，读取不同阵元信号最高近似系数对应的声时，根据超声阵列发射阵元和其他阵元的尺寸、位置关系，计算超声入射角：

θ_ij＝arctan((2d)/|x_i-x_j|) (1)