铝合金结构损伤的多模态导波相控阵高精度检测方法及系统

本技术涉及铝合金无损检测，特别是涉及一种铝合金结构损伤的多模态导波相控阵高精度检测方法、系统、计算机设备及存储介质。

背景技术：

1、航空铝合金薄壁结构因具有高比强度、优异的成型性与抗疲劳性能，被广泛应用于飞机蒙皮、舱壁、翼肋及航天器关键承力部件中。该类结构在长期承受交变载荷、极端温度及环境腐蚀等苛刻服役条件下，极易萌生并扩展疲劳裂纹、应力腐蚀裂纹、冲击损伤及腐蚀等缺陷，直接威胁飞行器的结构完整性与运行安全。

2、超声lamb波因在板状结构中传播距离远、衰减较小、对薄板结构损伤敏感等特点，已成为薄壁结构无损检测与结构健康监测领域的重要研究对象。在此基础上，将相控阵技术引入lamb波检测，通过电子扫描与动态聚焦可以实现对大面积结构的快速扫查，因此多模态导波相控阵检测技术被认为是解决航空铝合金薄壁结构广域、高效检测需求的重要方向。

3、然而，lamb波在传播过程中固有的频散特性与多模态特性，使得其在工程应用中面临显著困难。频散特性导致不同频率成分的波以不同速度传播，造成波包展宽、幅值衰减和相位畸变；多模态特性则导致接收信号中包含多个传播速度各异的波包，增加了信号解析的难度。目前，工业领域广泛应用的商用相控阵超声检测仪器主要为纵波检测而设计，其延时计算、角度标定和距离测量均基于恒定纵波声速。当将该类仪器直接用于lamb波检测时，仪器预设声速与实际lamb波模态相速度之间存在显著差异，导致波束偏转角与聚焦深度产生系统偏移，缺陷影长显示出现固定比例偏差，缺陷定量精度难以满足工程需求。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够降低声速失配对成像精度的影响，抑制频散对缺陷识别的不利影响以实现高精度检测的铝合金结构损伤的多模态导波相控阵高精度检测方法、系统、计算机设备及存储介质。

2、第一方面，本技术提供了一种铝合金结构损伤的多模态导波相控阵高精度检测方法。所述方法包括：

3、获取目标铝合金板材的频散曲线，根据所述频散曲线确定各阶lamb波模态的相速度和群速度；

4、基于snell定律，根据楔块声速与各所述相速度计算各理论入射角，确定至少两个斜入射楔块的入射角；

5、分别以各所述斜入射楔块对含预制缺陷的铝合金试块进行相控阵扇扫检测，记录各入射角下缺陷回波的增益值和最大可识别声程，根据所述增益值和所述最大可识别声程确定优选入射角；

6、以所述优选入射角、扫查范围、孔径、焦距、聚焦类型和角度步进作为待优化参数，建立所述待优化参数的三水平正交实验表，按照所述正交实验表进行相控阵扇扫成像实验，记录各组实验条件下的缺陷显示影长、回波信噪比和最大可识别距离；

7、根据所述显示影长与缺陷实际尺寸的差值获得影长偏差，以所述影长偏差、所述回波信噪比和所述最大可识别距离为评价指标，对所述正交实验表进行极差分析和方差分析，确定各所述待优化参数对各项评价指标的影响主次与显著性，并确定最优扫查参数组合；

8、以所述最优扫查参数组合对所述目标铝合金板材进行相控阵扇扫检测，输出检测结果图像。

9、在其中一个实施例中，所述获取频散曲线，包括：基于rayleigh-lamb频散方程对所述目标铝合金板材的厚度、弹性模量、泊松比和密度进行数值求解，获得所述频散曲线。

10、在其中一个实施例中，所述根据楔块声速与各所述相速度计算各理论入射角，包括：通过以下公式求解所述理论入射角：

11、

12、其中，为所述理论入射角，为楔块声速，为lamb波模态的相速度。

13、在其中一个实施例中，所述最大可识别距离的获取方式包括：从探头中心在所述铝合金试块表面的投影点起，沿扫查方向将所述探头移动至缺陷回波幅值降低至预设截止幅值的位置，将所述投影点与所述位置之间的水平距离记录为所述最大可识别距离。

14、在其中一个实施例中，所述极差分析，包括：分别计算各所述待优化参数在各水平下各评价指标的均值，以同一所述待优化参数在同一评价指标下各水平均值的最大值与最小值之差作为所述极差。

15、在其中一个实施例中，所述方差分析，包括：分别计算各所述待优化参数的平方和与均方，以正交实验未安排因素列的离差平方和与组内重复观测值的离差平方和之和作为误差项，计算各所述待优化参数的f值。

16、在其中一个实施例中，所述缺陷显示影长的测定方式包括：移动探头至缺陷回波幅值最大位置并保存扇扫图像，根据所述扇扫图像中不同颜色区域的边界确定所述缺陷显示影长；

17、所述回波信噪比的测定方式包括：以缺陷回波峰值幅值与缺陷回波之后无结构反射指示的噪声窗口幅值之比作为所述回波信噪比。

18、第二方面，本技术还提供了一种铝合金结构损伤的多模态导波相控阵高精度检测系统。所述系统包括：

19、频散曲线获取模块，用于获取目标铝合金板材的频散曲线，根据所述频散曲线确定各阶lamb波模态的相速度和群速度；

20、入射角计算模块，用于基于snell定律，根据楔块声速与各所述相速度计算各理论入射角，确定至少两个斜入射楔块的入射角；

21、入射角筛选模块，用于分别以各所述斜入射楔块对含预制缺陷的铝合金试块进行相控阵扇扫检测，记录各入射角下缺陷回波的增益值和最大可识别声程，根据所述增益值和所述最大可识别声程确定优选入射角；

22、正交实验执行模块，用于以所述优选入射角、扫查范围、孔径、焦距、聚焦类型和角度步进作为待优化参数，建立所述待优化参数的三水平正交实验表，按照所述正交实验表进行相控阵扇扫成像实验，记录各组实验条件下的缺陷显示影长、回波信噪比和最大可识别距离；

23、参数优化模块，用于根据所述显示影长与缺陷实际尺寸的差值获得影长偏差，以所述影长偏差、所述回波信噪比和所述最大可识别距离为评价指标，对所述正交实验表进行极差分析和方差分析，确定各所述待优化参数对各项评价指标的影响主次与显著性，并确定最优扫查参数组合；

24、检测执行模块，用于以所述最优扫查参数组合对所述目标铝合金板材进行相控阵扇扫检测，输出检测结果图像。

25、第三方面，本技术还提供了一种计算机设备。所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述铝合金结构损伤的多模态导波相控阵高精度检测方法。

26、第四方面，本技术还提供了一种计算机可读存储介质。所述计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述铝合金结构损伤的多模态导波相控阵高精度检测方法。

27、上述铝合金结构损伤的多模态导波相控阵高精度检测方法、系统、计算机设备及存储介质，通过对目标铝合金板材进行频散预分析以确定各阶lamb波模态的相速度和群速度，并基于snell定律根据楔块声速与各模态相速度定量匹配理论入射角，再通过入射角预筛选实验从多个理论入射角中确定优选入射角，从而在激励阶段实现了与目标模态相匹配的声速条件，减小了仪器预设声速与实际波速之间的失配程度。在此基础上，以优选入射角以及扫查范围、孔径、焦距、聚焦类型和角度步进作为待优化参数建立三水平正交实验表，通过相控阵扇扫成像实验系统采集各组参数组合下的缺陷显示影长、回波信噪比和最大可识别距离数据，进而以影长偏差、回波信噪比和最大可识别距离为评价指标进行极差分析和方差分析，确定各待优化参数对各项评价指标的影响主次与显著性，最终获得最优扫查参数组合。由此，本技术通过“频散预分析—入射角匹配—参数系统优化”的完整技术链条，在不改变商用仪器硬件配置和成像算法的前提下，降低了声速失配对成像精度的影响，抑制了频散导致的波包展宽对缺陷识别的不利影响，最终实现了对铝合金薄壁结构损伤的高精度相控阵检测。