基于脉冲反射原理的兰姆波检测缺陷定位研究

　　引言

　　兰姆波由于激励模式的频散特性,在任意给定的激发频率下,至少存在两种兰姆波模式,而各模式的群速度又随着激发频率的改变而发生变化,即频散。这使得信号中常存在多种模式,它们相互叠加,从时域中常常无法识别出各自的模式,使得缺陷位置的定位存在诸多难点。虽然兰姆波在传播过程中遇到缺陷后的作用机理还未研究透彻,但是从宏观上仍然可以把它视为一个以一定速度向前传播的波阵面,只不过这个波阵面的传播速度是随频厚积而变化的。当这个波阵面遇到缺陷反射体时,会发生折射、反射以及衍射,还会产生波形转换。当采用单发单收的方式来激发和接收兰姆波时,接收到的兰姆波信号是由传播的兰姆波遇到缺陷反射后得到的。

　　因此可以提出一个假设,即兰姆波检测时缺陷位置可采用常规超声波的基于脉冲反射原理的声程法进行定位。本文通过试验研究,证明了这一假设是可行的,并采用时域和时频域两种算法进行缺陷定位计算,都取得了较好的缺陷定位精度,同时比较了两种方法的优缺点。

　　1　兰姆波的频散特性

　　描述兰姆波波动特性的方程是瑞利—兰姆(Rayleigh-Lamb)方程[1],用Matlab编程对瑞利—兰姆方程进行数值求解,得到兰姆波在Q235热轧钢板中的相速度频散曲线(图1),计算中取纵波速度cl=5940m/s,横波速度cs=3240m/s。根据相速度频散曲线可以得到群速度频散曲线以及激发角曲线。由图1可知,兰姆波的相速度是随着频厚积的变化而变化,且不同的模式有不同的频散特性。

　　2　时频分析理论[2-4]

　　从统计的角度来看,各阶统计量与时间无关的信号称为平稳信号,而某阶统计量随时间改变的信号则称为非平稳信号。分析和处理平稳信号最常用也是最主要的方法是傅里叶变换,但是傅里叶变换只能确定哪些频率存在,而不能确定在特定某一时间哪些频率存在以及频率分量能量的集中程度。在现实生活中时变非平稳信号是非常普遍的,兰姆波也是典型的非平稳信号,单独使用时间分析和频率分析都不能充分描述非平稳信号的特性,这就需要对信号进行时—频联合描述。短时傅里叶变换(STFT)是研究非平稳信号最广泛使用的方法,其中的概念简单、意义明确,许多情况下,给出了与直观感知相符得很好的时—频构造。将信号时域局部化,并将各个局部化的时域信号加窗函数(本文选择用Hamming窗)后进行傅里叶变换。兰姆波的群速度频散曲线是在速度-频率空间上描述兰姆波不同模式的能量传播特性。将群速度频散曲线转换到时间—频厚空间,可得到各模式兰姆波的理论时频分布曲线。图2所示为传播距离为656mm时的理论时频分布曲线。