薄壁結構損傷識別的超聲導波多模態融合成像方法

2023-05-05 02:52:34左浩邢嬌康敬東惠記莊

西安交通大學學報 2023年4期

左浩,邢嬌,康敬東,惠記莊

(長安大學工程機械學院,710064,西安)

薄壁板是構成各種航空結構的重要組成部分,包括飛機機翼、機身和水平尾翼等結構件。隨著航空工業的快速發展,航空器結構設計的長壽命、輕質、高可靠性、高維護性的設計對結構的使用安全性和高可靠性提出了越來越高的要求[1]。

結構損傷識別問題的本質是信號特征的辨識[2]?；诔晫Рǖ慕Y構損傷識別技術是通過捕捉結構損傷引起的導波信號變化對結構的損傷狀況進行評估,具有檢測效率高、對多種損傷敏感以及檢測范圍大等優點,是當前主動結構健康監測領域的研究熱點[3-5]。在超聲導波損傷檢測中,為了最大程度抑制多模態和頻散效應的影響,提高損傷檢測的時頻聚集性,通常選擇窄帶脈沖信號作為超聲導波激勵信號。Michaeals等[6]利用寬頻帶Chirp信號激勵,通過頻域濾波處理可以提取所需的窄頻帶響應信號。不同于窄帶脈沖激勵,寬頻帶Chirp信號激發出的超聲導波信號包含有豐富的頻率成分,通過一次激勵就可以獲得整個頻帶范圍內窄帶響應信號,從而節省實驗時間,且得到的窄頻帶響應信號比直接采用窄帶激勵信號具有更高的信噪比。目前國內外學者提出的基于超聲導波的結構損傷成像方法主要有延遲疊加成像[7-8]、概率損傷重構成像[9-10]和稀疏成像[11-12]等。這些損傷成像方法大多采用稀疏傳感器陣列,在損傷識別過程中需要健康結構的響應信號作為基準信號來分離損傷散射回波信號。而在實際中,基準信號往往無法提前獲得,且檢測環境的變化會引起超聲導波響應信號的變化,從而導致損傷誤報[13]。此外,受限于響應信號波包寬度及波包混疊,這些稀疏傳感器陣列成像方法定位精度和分辨率不高,難以實現多損傷定位。

相控陣成像技術屬于密集傳感器陣列,通過調整陣列換能器陣元發射和接收信號的相位延遲,使各陣元發射和接收的超聲波束在空間疊加合成,達到超聲波束聚焦、偏轉和波束形成等效果,形成清晰的成像[14]。常規相控陣聚焦需要采用多通道同步硬件設備系統,精確控制各激勵陣元的激勵延遲時間,同步激勵多個傳感器陣元,才能對超聲波束進行精確的相位控制。Holmes等[15]提出了全聚焦成像(total focusing method,TFM),該方法利用相控陣傳感器單激勵-單接收獲得全矩陣數據,通過后處理數據的方法實現全矩陣數據在待檢測區域內任意點動態聚焦。胡宏偉等[16]基于Fermat原理計算兩層介質下各陣元的延遲時間,建立兩層介質相控陣全聚焦成像算法,實現楔塊式檢測時的全聚焦成像。全聚焦成像具有比常規相控陣超聲成像技術更高的檢測分辨率和信噪比,可以提高檢測自動化程度[17]。常規相控陣聚焦成像算法未考慮超聲導波頻散和多模態效應造成響應信號波包能量彌散、波包相互混疊、幅值降低,從而無法進行相控陣聚焦成像[18-19]。Prado等[20]利用線性映射補償技術消除超聲導波頻散效應,將幅值的全聚焦成像和相位的符號相干系數成像融合,實現了鋁板結構損傷成像和定位。隨后,Liu等[21]研究了密集型矩形陣列對超聲導波損傷成像質量的影響。Xu等[22]利用反向傳播消除Lamb波信號的頻散效應,提出全聚焦與波形相關系數綜合成像方法,有效提高了損傷成像的信噪比。這些結構損傷成像方法考慮超聲導波頻散效應的影響,將超聲導波響應信號的幅值與相位信息融合,實現了無基準信號的結構損傷成像和定位。

本文基于全聚焦成像方法,考慮超聲導波頻散和多模態特性,提出適用于薄壁結構損傷識別的相控陣超聲導波多模態融合成像方法。該方法利用頻散預補償技術消除超聲導波響應信號的頻散效應,使其適用于相控陣聚焦成像。不同于現有相控陣超聲導波成像方法,該方法利用不同模態超聲導波頻散特性差異明顯的特點,融合A0模態和S0模態相控陣超聲導波全聚焦成像結果,有效提高損傷成像的分辨率和信噪比,抑制旁瓣,避免產生偽像。

1 相控陣全聚焦成像

考慮由N個傳感器組成的一維線性相控陣列,如圖1所示。利用激勵信號s0(t)依次激勵每個傳感器,同時各傳感器接收響應信號,形成N×N組單通道激勵-接收響應信號sij(t)。

圖1 全聚焦成像原理Fig.1 Schematic diagram of total focusing imaging

根據全聚焦成像算法[15],待檢測區域內任意一點的像素值為

(1)

(2)

式中:tij為超聲波從激勵傳感器i到聚焦點再到接收傳感器j的飛行時間;xi為激勵傳感器坐標;xj為接收傳感器坐標;c為超聲波的傳播速度。

2 相控陣超聲導波全聚焦成像

2.1 單模態超聲導波傳播模型

超聲導波存在于厚度與其波長數量級相同的板中,考慮等厚度各向同性薄板結構中超聲導波的傳播特性。在激勵信號s0(t)作用下,板結構中任意位置響應信號s(x,t)的頻域表達式為

S(ω)=H(ω)S0(ω)

(3)

式中:S0(ω)為激勵信號s0(t)的頻域形式;H(ω)為激勵點至任意位置x的傳遞函數。

在超聲導波傳播模型中,傳遞函數H(ω)可以表征為相位調制項,即

H(ω)=e-jk(ω)x

(4)

式中:k(ω)為波數;ω為角頻率。

超聲導波在結構中傳播,相位調制項中波數k(ω)與角頻率ω呈非線性關系,使得不同頻率成分超聲導波具有不同程度的相位延遲,導致相速度與群速度不一致,即頻散效應[23]。頻散效應是超聲導波的固有特性,即響應信號s(x,t)波包隨著傳播距離x和傳播時間t增大,導致超聲導波能量彌散、波包寬度增加、幅值降低,從而影響檢測的精度和分辨率,也會進一步增大信號特征辨識與損傷特征信息提取的難度。厚度為2 mm的6061型鋁板的頻率-波數曲線如圖2所示。

圖2 6061型鋁板頻率-波數域Fig.2 Frequency-wave number of 6061 aluminum plate

2.2 超聲導波頻散預補償

為了抑制頻散效應,Zeng等[24]提出了超聲導波頻散預補償技術,通過調整激勵信號中不同頻率成分的激勵時間實現超聲導波響應信號的頻散抑制。頻散預補償激勵信號的頻域形式為

G0(ω)=S0(ω)D(L,ω)=S0(ω)ejk(ω)L

(5)

式中:D(L,ω)=ejk(ω)L為超聲導波頻散補償因子;L為頻散預補償距離。

利用頻散預補償信號g0(t)激勵,則任意位置響應信號的頻域G(ω)、時域g(x,t)分別為

G(ω)=G0(ω)e-jk(ω)x=S0(ω)e-jk(ω)(x-L)

(6)

(7)

利用聚焦點距離為0.3 m的超聲導波頻散預補償激勵信號激勵,不同位置響應信號時域波形如圖3 所示。當傳播距離小于0.3 m時,頻散效應過補償,超聲導波響應信號存在未完全補償的頻散效應;當傳播距離為0.3 m時,頻散效應完全補償,在聚焦點位置獲得未頻散的響應信號,此時波包時域寬度最窄,幅值最大;當傳播距離大于0.3 m時,頻散效應欠補償,超聲導波響應信號出現頻散效應。

圖3 頻散預補償響應信號時域圖Fig.3 Time domain signals of dispersion pre-compensation

2.3 相控陣超聲導波全聚焦

相控陣超聲導波聚焦原理如圖4所示?？紤]超聲導波的頻散效應,使各傳感器發射超聲導波在P點聚焦,構造新的超聲導波頻散預補償激勵信號的頻域形式為

(8)

圖4 相控陣超聲導波聚焦原理Fig.4 Schematic diagram of phased array focusing

在結構損傷檢測中,如果聚焦點不存在損傷缺陷,則不會產生損傷散射回波;如果P處存在損傷缺陷,則損傷缺陷可以認為是次波源,向外發射損傷散射回波。傳感器接收損傷散射信號gij(t)的頻域形式為

HiD(ω)[S0(ω)D(Li+Lj,ω)]HDj(ω)=

[HiD(ω)S0(ω)HDj(ω)]ejk(ω)(Li+Lj)

(9)

令Sij(ω)=HiD(ω)S0(ω)HDj(ω),則

Gij(ω)=Sij(ω)ejk(ω)(Li+Lj)

(10)

式中Sij(ω)為無延遲單通道激勵-接收響應信號sij(t)的頻域形式。

考慮頻散效應的影響,相控陣超聲導波全聚焦成像IG(x,y)為

(11)

2.4 相控陣超聲導波多模態融合成像

超聲導波豐富的模態成分使其對于不同的損傷類型均具有較高的檢測靈敏度。不同模態超聲導波頻散特性差異非常大,抑制了其中某一種模態超聲導波的頻散作用,會加劇其他模態超聲導波的頻散作用,導致非目標模態超聲導波更加頻散。

因此,考慮超聲導波多模態特性,利用數據融合技術將不同模態相控陣超聲導波全聚焦成像結果融合,相控陣超聲導波多模態融合成像為

(12)

3 實驗驗證

3.1 實驗系統及實驗對象

超聲導波損傷檢測實驗平臺的硬件系統包括普源DG4062任意波形發生器、安泰電子ATA-2042功率放大器和泰克TBS2014示波器,PZT壓電陶瓷作為激勵/接收傳感器陣元。該實驗系統可以實現任意激勵信號的發生、功率放大以及響應信號的采集與存儲。

待檢測實驗對象為6061型鋁板,尺寸參數為1 000 mm×1 000 mm×2 mm,材料參數為:彈性模量E=68.9 GPa,密度ρ=2 690 kg/m3,泊松比ν=0.33。在鋁板中心位置布置PZT1-PZT9組成的線性傳感器陣列,各傳感器陣元的間距為10 mm,傳感器陣元的直徑為8 mm,厚度為0.5 mm。在實驗過程中,首先在鋁板表面位置(0,250 mm)貼有PZT模擬表面損傷D1,用于鋁板結構單損傷識別實驗研究;其次,在該鋁板表面位置(-100 mm,150 mm)鉆直徑為9 mm的通孔模擬貫穿損傷D2,在鋁板表面位置(150 mm,300 mm)貼PZT模擬表面損傷D3,用于鋁板結構多損傷識別實驗研究。鋁板結構尺寸及線性傳感器陣列布置如圖5所示。

圖5 鋁板結構尺寸參數及線性傳感器陣列布置Fig.5 Dimension parameters of aluminum plate and linear sensor array arrangement

3.2 超聲導波中心頻率選擇

多模態是超聲導波的固有特性,即在任意激勵頻率下,結構中至少存在兩種模態超聲導波。由鋁板的頻散曲線可知,即使在低頻段,仍然存在A0、S0兩種模態超聲導波。為了獲得近似單一模態的超聲導波,通過調整激勵信號的中心頻率,就可以得到某一模態占優的超聲導波響應信號,該方法稱之為頻率調諧技術[25]。

利用頻率調諧技術,研究中心頻率范圍為40 kHz至800 kHz的A0模態和S0模態超聲導波響應信號的幅值,如圖6所示。由圖6可以看出:當激勵信號的中心頻率在低頻段(低于200 kHz),A0模態超聲導波占主導;當激勵信號的中心頻率在高頻段(高于200 kHz),S0模態超聲導波占主導。因此,選擇中心頻率150 kHz和300 kHz所對應的A0模態和S0模態超聲導波響應信號作為檢測波形。

圖6 不同頻率超聲導波響應信號幅值Fig.6 Amplitude response curves of guided wave responses with different frequencies

3.3 單損傷識別

本小節通過鋁板結構單損傷識別實驗驗證本文所提相控陣超聲導波多模態融合成像方法的有效性和精確性。

在實驗中,為了減少實驗時間,激勵信號采用寬頻帶Chirp信號。實驗系統近似為一個線性系統,窄頻帶脈沖激勵響應信號的頻域表達式為[6]

(13)

式中:Sd(ω)、Sc(ω)分別為窄頻帶脈沖激勵、寬頻帶Chirp激勵信號的頻域表達式;Rc(ω)為寬頻帶激勵響應信號的頻域表達式。

線性傳感器陣列PZT1-PZT9每個陣元依次激勵寬頻Chirp信號,其余8個PZT陣元接收響應信號。依次激勵結束后,可以采集72組單通道激勵-接收響應信號。利用式(13)提取中心頻率為150、300 kHz的A0模態和S0模態窄帶超聲導波響應信號,如圖7所示。

利用單模態超聲導波全聚焦與超聲導波多模態融合成像得到鋁板結構單損傷成像結果如圖8所示,圖中白色×表示損傷實際位置,黑色○表示損傷識別結果。為了便于比較,在損傷成像結果中,所有結果均用最大像素值進行歸一化處理,并在20 dB范圍內顯示[26]。

由于抑制了頻散效應的影響,采用A0模態或者S0模態超聲導波,能夠實現相控陣超聲導波全聚焦成像。然而,采用單一模態超聲導波進行損傷聚焦成像,在成像結果中存在著很強的噪聲干擾,檢測分辨率不高,甚至S0模態相控陣超聲導波全聚焦成像結果存在偽像;采用幅值與相位信息融合成像方法能夠識別結構損傷,且識別損傷位置精度較高,但在(0,350 mm)區域位置也存在偽像;采用多模態融合相加成像方法,損傷識別結果存在著很強的噪聲干擾,且檢測分辨率不高。

圖7 實驗過程及窄帶響應信號提取流程Fig.7 Flowchart of experiment and narrowband response signal extraction

(a)A0模態超聲導波聚焦成像

(b)S0模態超聲導波聚焦成像

(c)超聲導波幅值與相位融合成像[19]

(d)多模態超聲導波相加融合成像

(e)多模態超聲導波相乘融合成像

對于中心頻率150 kHz的A0模態超聲導波的波長λA0為10.3 mm,此時陣元間距d≈λA0,相控陣超聲檢測的聲學特性較好,使得回波響應的主瓣寬度變窄,具有較高的檢測分辨率,損傷D1的識別結果為(-2 mm,234 mm)。對于中心頻率300 kHz的S0模態超聲導波的波長λS0為17.8 mm,此時陣元間距d<λS0,相控陣超聲檢測的聲學特性變差,導致回波響應的主瓣寬度變寬,降低了檢測分辨率,損傷D1的識別結果為(-2 mm,252 mm)。

為了提高相控陣超聲導波損傷檢測的定位精度和分辨率,將A0模態和S0模態損傷成像結果進行融合,識別損傷D1的位置為(-4 mm,252 mm),且具有很高的定位精度和分辨率。相比于單一模態相控陣超聲導波全聚焦成像結果,相控陣超聲導波全聚焦多模態融合成像效果最好,具有很高的定位精度,能夠有效提高損傷成像的分辨率和信噪比,避免產生偽像。

鋁板結構單損傷識別側視圖如圖9所示,圖中虛線為損傷實際位置。由圖9可以看出,相控陣超聲導波全聚焦多模態融合成像方法具有很高的定位精度和最小的主瓣寬度,可有效抑制旁瓣,避免產生偽像。主瓣寬度越窄,結構損傷成像分辨率越高;旁瓣的存在會產生強背景噪聲,甚至會產生偽像,造成損傷定位失敗。

(a)x=0

(b)y=250 mm

3.4 多損傷識別

第二個實驗算例是鋁板結構多損傷識別。在單損傷識別實驗鋁板試件表面預制通孔損傷D2及表面損傷D3,用于模擬不同類型多損傷。

利用單模態相控陣超聲導波全聚焦成像與相控陣超聲導波聚焦多模態融合成像得到鋁板結構多損傷成像結果如圖10所示,損傷成像結果在30 dB范圍內顯示。利用A0模態超聲導波,能夠有效地識別損傷D1、D2,對于D3識別幅值不高,如圖10(a)所示。利用S0模態超聲導波,則能夠有效識別損傷D1、D2和D3,具有較高的定位精度,如圖10(b)所示。與鋁板結構單損傷識別結果類似,采用單模態相控陣超聲導波全聚焦成像存在著很強的噪聲干擾,檢測分辨率不高。利用相控陣超聲導波聚焦多模態融合成像算法,能有效識別3個損傷,損傷識別精度非常高,同時具有很高的定位精度和分辨率,如圖10(c)所示。