復(fù)合材料Lamb波時間反轉(zhuǎn)檢測方法研究現(xiàn)狀

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(火箭軍士官學(xué)校,青州 262500)

復(fù)合材料因?yàn)榫哂斜葟?qiáng)度高、比模量大、穩(wěn)定性好和可設(shè)計性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、土木工程、機(jī)械等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。然而，在復(fù)合材料生產(chǎn)和服役的各個環(huán)節(jié)，可能會產(chǎn)生各類缺陷以及損傷，進(jìn)而給結(jié)構(gòu)帶來安全隱患，因此對其進(jìn)行有效快速的檢測就顯得十分重要。在針對復(fù)合材料的眾多檢測方法中，超聲Lamb波檢測法因?yàn)榫哂幸恍﹥?yōu)勢被廣泛采用。

Lamb波首先由英國應(yīng)用數(shù)學(xué)家Horace Lamb提出，其指的是一種在有兩個平行自由表面結(jié)構(gòu)中傳播的彈性應(yīng)力波，也稱為板波或?qū)Р╗1]。超聲探頭激發(fā)出的超聲波入射到薄板中，受薄板上、下表面的約束，在傳播一定距離后，產(chǎn)生了一種既非橫波又非縱波的Lamb波。相比于傳統(tǒng)的超聲體波，Lamb波檢測具有明顯優(yōu)點(diǎn)：一方面體波檢測受換能器的限制，其覆蓋范圍較小，需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行逐點(diǎn)檢測，耗時耗力，而Lamb波由于在傳播路徑上衰減小，傳播距離長，當(dāng)發(fā)射/接收探頭距離較大時，一次檢測就可獲取結(jié)構(gòu)的整體信息，檢測區(qū)域較大；另一方面，Lamb波的多模式對不同厚度板的敏感性不同，使之既能檢測表面缺陷又能檢測內(nèi)部缺陷。目前，主要的Lamb波檢測方法有概率損傷法[2]、層析成像法[3]和時間反轉(zhuǎn)法[4]。其中，時間反轉(zhuǎn)法已經(jīng)在大型板狀結(jié)構(gòu)的缺陷識別和定位研究中得到了較為廣泛的應(yīng)用[5]。

1 Lamb波時間反轉(zhuǎn)法

時間反轉(zhuǎn)，又稱為時間逆轉(zhuǎn)，是一種不需要探頭和介質(zhì)的先驗(yàn)知識就能實(shí)現(xiàn)聲波自適應(yīng)聚焦的檢測方法，該方法最早由法國科學(xué)家Fink從光學(xué)領(lǐng)域引入到聲學(xué)領(lǐng)域，并首先應(yīng)用于體波的檢測中[6]，其借助由探頭陣列組成的時間反轉(zhuǎn)鏡，利用脈沖回波法實(shí)現(xiàn)對缺陷的檢測定位，隨著Lamb波檢測的優(yōu)點(diǎn)逐漸被人們所認(rèn)識，時間反轉(zhuǎn)方法也逐步應(yīng)用于Lamb波的檢測中[7-8]。

應(yīng)用Lamb波的時間反轉(zhuǎn)方法時，要求每個探頭既可以用作發(fā)射也可以用作接收，其操作過程如圖1所示，具體包括4步[9]：① 將原始激勵信號加載在探頭A上，在板中激勵出Lamb波檢測信號，并被探頭B接收；② 對探頭B上的接收信號進(jìn)行時間反轉(zhuǎn)，即VB(t)→VB(-t)；③ 將時間反轉(zhuǎn)信號加載在B探頭上進(jìn)行二次激勵，并在探頭A上進(jìn)行二次接收；④ 對接頭A上的二次接收信號進(jìn)行時間反轉(zhuǎn)，得到重構(gòu)信號。

圖1 Lamb波時間反轉(zhuǎn)方法示意

由于重構(gòu)信號的能量會在時間和空間上發(fā)生聚焦，若提取出聚焦主波峰并將其在相同尺度下與原始激勵信號進(jìn)行對比(兩種信號需要根據(jù)幅值的峰值進(jìn)行歸一化處理)，就可判斷出超聲波在結(jié)構(gòu)中的傳播是否為線性，若為線性，則表明結(jié)構(gòu)中無缺陷，否則就可能存在缺陷。

2 國外研究現(xiàn)狀

美國南卡大學(xué)的GIURGIUTIU教授[10]、斯坦福大學(xué)的CHANG教授[11]以及卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的 HOON等[12]，對Lamb波的時間反轉(zhuǎn)聚焦原理和過程進(jìn)行了研究和試驗(yàn)驗(yàn)證，北卡大學(xué)的YUAN等[13]通過探索研究發(fā)現(xiàn)，此方法在復(fù)雜結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測方面有較好的應(yīng)用前景。KULKARNI等[14]采用基元譜有限元方法研究了復(fù)合板中導(dǎo)波的時反特性。SOHN等[15]采用基元信號處理技巧對復(fù)合材料中Lamb波的時間反轉(zhuǎn)特性進(jìn)行了增強(qiáng)，重構(gòu)了激勵源發(fā)射信號，并對缺陷特征進(jìn)行了評價。GUO等[16]針對管道中存在的潛在結(jié)構(gòu)質(zhì)量問題，提出了基于時間反轉(zhuǎn)的非線性導(dǎo)波三維缺陷成像方法，并通過試驗(yàn)對影響成像質(zhì)量的距離和耦合壓力等因素進(jìn)行了分析。瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)ERIK等[17]從數(shù)學(xué)的角度提出了一種源時間反轉(zhuǎn)方法，與傳統(tǒng)時間反轉(zhuǎn)方法進(jìn)行了對比分析，并將其應(yīng)用于混凝土試件的聲發(fā)射檢測過程中。英國巴斯大學(xué)CIAMPA等[18]基于時間反轉(zhuǎn)方法提出了能夠?qū)Ω飨虍愋詮?fù)合材料結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的混響聲源進(jìn)行定位的實(shí)時成像方法。法國科學(xué)研究院SERGE等[19]對時間反轉(zhuǎn)方法用于人類牙齒超聲成像的可行性進(jìn)行了研究，表明該方法潛力巨大。CHUN等[20]從理論和試驗(yàn)角度研究了板狀結(jié)構(gòu)中Lamb波時間反轉(zhuǎn)的時空聚焦性，在此基礎(chǔ)上提出了一種基于分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)的成像方法，該方法克服了傳統(tǒng)相控陣中需要在脈沖回波模式下進(jìn)行操作的限制。HOON等[21]提出了一種用于缺陷檢測的增強(qiáng)時間反轉(zhuǎn)方法，該方法首先選用窄帶波形作為激勵信號來克服時反過程中的頻散特性，然后通過波包變換來保留住響應(yīng)信號中對缺陷敏感而對邊界反射不敏感的部分，從而識別出缺陷。

近年來，WATKINS等提出了一種改進(jìn)的時間反轉(zhuǎn)方法，在試驗(yàn)過程中不需要改變加載方式，發(fā)射探頭始終用于發(fā)射，接收探頭始終用于接收，從而提高了檢測效率。BONGJAE S等[22]發(fā)現(xiàn)了傳統(tǒng)損傷概率成像算法中的形狀因子參數(shù)β，該參數(shù)影響了成像的精確性，提出了一種準(zhǔn)確計算β值的方法，試驗(yàn)表明利用該方法能夠準(zhǔn)確評估缺陷的面積及大小。AGRAHARI等[23]通過試驗(yàn)和有限元仿真研究了壓電晶片與薄板間黏接層厚度、激勵信號頻率、板厚及晶片厚度對Lamb波時間反轉(zhuǎn)特性的影響。KANG等[24]通過研究發(fā)現(xiàn)丙烯酸圓管中時間反轉(zhuǎn)Lamb波的傳播類似于A0模式，和皮質(zhì)骨中慢導(dǎo)波的特征一致。GIRISH等[25]運(yùn)用小波譜有限元方法對薄層復(fù)合材料的Lamb波傳播過程進(jìn)行了仿真，并研究了其時間反轉(zhuǎn)特性。BENJAMIN等[26]基于Lamb波時間反轉(zhuǎn)方法，采用單探頭對復(fù)合材料薄板中的缺陷進(jìn)行檢測，由于多探頭對產(chǎn)生的激勵信號存在相互干擾并會導(dǎo)致時間反轉(zhuǎn)失敗，采用單探頭對的時間反轉(zhuǎn)檢測不失為一種更有效的缺陷檢測手段。PREVOROVSKY等[27]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度及探頭布局能對時間反轉(zhuǎn)重構(gòu)信號質(zhì)量造成影響，而且將周期數(shù)較多的信號用作激勵會使信噪比降低，不會改善信號重構(gòu)質(zhì)量。WANG等[28]利用有限元仿真對管中的缺陷檢測進(jìn)行研究，結(jié)果表明時間反轉(zhuǎn)的Lamb波信號具有線性疊加屬性，利用時間反轉(zhuǎn)方法能夠使信號能量在缺陷位置處發(fā)生聚焦，從而提高了對微小缺陷的檢測能力。BIJUDAS等[29]結(jié)合試驗(yàn)和仿真對鋁板進(jìn)行了無基準(zhǔn)缺陷成像研究，通過設(shè)定PZT晶片探頭位置和調(diào)制特定信號幅值，只激勵出單一的A0模式，結(jié)果表明運(yùn)用Lamb波時間反轉(zhuǎn)方法能有效識別出板中的缺陷。JED等[30]提出了一種修改的時間反轉(zhuǎn)成像算法，該算法適用于近場條件下的成像，即探頭與缺陷之間的距離小于2d2/λ(d為缺陷直徑，λ為波長)，仿真結(jié)果表明利用該方法重構(gòu)的信號質(zhì)量較高，能夠準(zhǔn)確評估缺陷尺寸。WANG等[31]采用時間反轉(zhuǎn)方法對聚焦信號波峰幅值與螺栓預(yù)緊力之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，結(jié)果表明隨著預(yù)緊力的增大，波峰幅值也逐漸增大，當(dāng)預(yù)緊力趨于飽和時，峰值維持不變。

圖2 玻璃纖維材料損傷識別現(xiàn)場

3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)也有很多單位開展了Lamb波時間反轉(zhuǎn)方法的應(yīng)用研究。南京航空航天大學(xué)王強(qiáng)等[32-36]分析給出了具體的損傷信號時間反轉(zhuǎn)聚焦增強(qiáng)過程，利用時間反轉(zhuǎn)方法對波源的自適應(yīng)聚焦能力建立了信號聚焦時刻的波動圖，實(shí)現(xiàn)了對損傷的可視化。針對玻璃纖維復(fù)合材料板開展了損傷檢測試驗(yàn)，損傷識別現(xiàn)場如圖2所示，結(jié)果表明，利用該方法能有效提高損傷散射信號的能量，對損傷進(jìn)行準(zhǔn)確定位。邱雷等[37]提出了一種基于Shannon復(fù)數(shù)小波的時間反轉(zhuǎn)成像方法，并用于碳纖維復(fù)合材料板結(jié)構(gòu)中的損傷檢測，結(jié)果表明，該方法能夠?qū)z測區(qū)域中的多個損傷進(jìn)行成像定位，誤差較小。鄭嘉楠[38]采用差信號實(shí)現(xiàn)了對玻璃纖維復(fù)合材料板無基準(zhǔn)損傷的定位識別，并提出采用時間窗函數(shù)來解決時間反轉(zhuǎn)過程中的直達(dá)波提取問題。蔡建等[39]為了克服傳統(tǒng)時間反轉(zhuǎn)方法操作復(fù)雜、消除Lamb波傳播時間的弊端，提出了一種虛擬時間反轉(zhuǎn)方法，并在碳纖維復(fù)合材料板上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明利用該方法能對Lamb波損傷散射波包進(jìn)行聚焦，實(shí)現(xiàn)對板中近鄰損傷的有效檢出。

武漢大學(xué)屈文忠等[40]運(yùn)用Lamb波時間反轉(zhuǎn)方法對鋁板進(jìn)行了損傷識別定位試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場如圖3所示，首先在鋁板的9個固定位置處黏貼9個PZT-5型圓形壓電片，并以耦合劑黏結(jié)的2個圓柱體來模擬損傷，然后采用調(diào)制的窄帶正弦信號進(jìn)行激勵，得到時間反轉(zhuǎn)算子及傳遞矩陣，通過分析算子的特征值及特征向量發(fā)現(xiàn)：第1、第 2 階特征向量以A0模式反向傳播，第 3、第 4 階特征向量以S0模式反向傳播，均聚焦于損傷散射體所處位置，由此得出結(jié)論：Lamb 波時間反轉(zhuǎn)分解方法對不同程度且距離較遠(yuǎn)的兩處損傷，能夠有效識別和準(zhǔn)確定位。張望等[41]采用非線性時間反轉(zhuǎn)理論有效識別出了金屬結(jié)構(gòu)中的閉合性裂紋。

圖3 鋁板損傷識別現(xiàn)場

北京工業(yè)大學(xué)的劉增華[42-44]課題組對時間反轉(zhuǎn)方法的應(yīng)用做了深入的研究，利用時間反轉(zhuǎn)法的多通道Lamb波聚焦的原理，準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)了1 mm厚鋁板中直徑為0.8 mm通孔缺陷的定位。周進(jìn)節(jié)[45]基于時間反轉(zhuǎn)方法提出了斜入射局部加載及利用壓電晶片陣列進(jìn)行缺陷檢測的兩種時間反轉(zhuǎn)檢測方法，并設(shè)計了一種高壓脈沖式激勵板卡，用于激勵壓電換能器產(chǎn)生導(dǎo)波，利用構(gòu)建的試驗(yàn)系統(tǒng)對含各種缺陷的鋼管進(jìn)行成像研究，在管道端面安裝16個沿周向均勻分布的壓電晶片用于激勵，另外在距端表面 32 mm位置處均勻安裝 16個壓電晶片用于接收，對 16組接收信號進(jìn)行疊加作為總接收信號，建立反射回波幅值與管中位置的對應(yīng)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)成像。鄧菲[46]通過試驗(yàn)論證了時間反轉(zhuǎn)聚焦方法可用于管道導(dǎo)波缺陷的檢測和定位，還可解決管道軸向位置相同的雙缺陷辨識問題。

哈爾濱工程大學(xué)的夏云龍等[47]提出了一種針對時間反轉(zhuǎn)算子特征值的分解算法，利用該算法分解出的特征向量能夠獲取聚焦目標(biāo)的相位信息，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的定位，通過理論分析和仿真試驗(yàn)證明了所提算法對水下目標(biāo)具有更好的選擇性聚焦和檢測效果，這為時間反轉(zhuǎn)區(qū)分多目標(biāo)提供了理論依據(jù)。雷亞輝[48]基于射線聲學(xué)的理論模型，對水下波導(dǎo)中的時間反轉(zhuǎn)目標(biāo)探測進(jìn)行了理論分析和仿真驗(yàn)證，證明了時間反轉(zhuǎn)方法的可行性和穩(wěn)健性，進(jìn)一步討論和仿真驗(yàn)證了迭代時間反轉(zhuǎn)方法的原理和特性，并以沉底和掩埋目標(biāo)為對象，研究了噪聲及多目標(biāo)對時間反轉(zhuǎn)方法應(yīng)用的影響。

哈爾濱理工大學(xué)的蔣慧琳[49]設(shè)計了一種基于時間反轉(zhuǎn)方法的檢測系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于鋁合金板材結(jié)構(gòu)的無損檢測中；陳妍[50]開展了不同因素影響下鋁板的時間反轉(zhuǎn)自聚焦試驗(yàn)，根據(jù)所得聚集信號及其聚焦增益和主副瓣比值，確定了具有較好聚焦效果的超聲波波型、幅值、頻率以及傳感器布局方式，并針對裂紋缺陷分別進(jìn)行了單通道和多通道試驗(yàn)，研究了裂紋的定位方法；滕飛[51]構(gòu)建了一套時間反轉(zhuǎn)的Lamb波檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由激光非接觸測振儀、任意波形信號發(fā)生器、壓電傳感器等設(shè)備組成，開展的試驗(yàn)結(jié)果表明，利用該系統(tǒng)能夠?qū)︿X板中人工模擬缺陷的存在與否和位置作出準(zhǔn)確判定。

大連理工大學(xué)趙乃志[52]通過研究發(fā)現(xiàn)，對于周向、軸向或斜向裂紋缺陷，經(jīng)時間反轉(zhuǎn)處理后的信號反射系數(shù)明顯增大，表明時間反轉(zhuǎn)方法可以用于小缺陷的檢測。暨南大學(xué)鐘凱慧[53]分別采用試驗(yàn)和數(shù)值模擬的手段，對管道中裂紋的檢測信號進(jìn)行時間反轉(zhuǎn)和重新加載，分析了管中導(dǎo)波的聚焦過程。南京郵電大學(xué)嚴(yán)夏軍[54]提出了一種基于時間反轉(zhuǎn)的Lamb 波損傷檢測方法，該方法運(yùn)用多種信號處理技術(shù)提取損傷信息，降低了噪聲影響，分別針對單損傷及多損傷情況進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明利用該方法能夠?qū)p傷進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

4 結(jié)語及展望

(1) Lamb波時間反轉(zhuǎn)方法雖然在檢測中不需要基準(zhǔn)信號就能夠?qū)崿F(xiàn)信號重構(gòu)，但是根據(jù)最終的檢測結(jié)果，檢測圖像會受到Lamb波多模態(tài)特性的影響，檢測水平低于傳統(tǒng)檢測方法，需要研究如何在試驗(yàn)中獲取單一模態(tài)信號是此方法需要解決的問題。

(2) 針對復(fù)合材料板的檢測，較多都是采用將壓電晶片膠黏在結(jié)構(gòu)表面的方式進(jìn)行，這種安裝方式對于很多復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，尤其是航空航天類結(jié)構(gòu)是不被允許的，所用黏接劑除了要保證與試件間的耦合效果，還要保證在長周期、反復(fù)多次的檢測過程中具備足夠的黏接強(qiáng)度，從而使黏接劑一旦黏接于試件表面，就很難清理，因此會對結(jié)構(gòu)造成一定損傷，從而限制了其在實(shí)裝上的應(yīng)用。干耦合超聲檢測并不需要使用耦合劑，只需將特制的干耦合超聲探頭直接置于試件表面采集檢測波形，再借助Lamb波時間反轉(zhuǎn)方法就可實(shí)現(xiàn)對復(fù)合材料中缺陷的判斷識別，操作方法簡單、無污染。在應(yīng)用干耦合探頭時，需要注意對不同探頭施加相同壓力，使探頭內(nèi)部彈簧壓縮量相同，保證探頭耦合壓力的一致。

(3)目前開展的Lamb波時間反轉(zhuǎn)有限元仿真計算主要針對單層薄板結(jié)構(gòu)中的缺陷，而對于固體火箭發(fā)動機(jī)殼體這類多層結(jié)構(gòu)而言，缺陷主要發(fā)生在黏接界面上，因此需要對多層結(jié)構(gòu)不同介質(zhì)中界面上超聲波的傳播情況進(jìn)行進(jìn)一步的分析研究。