基于超声阵列底面反射法的各向异性材料损伤评价方法

1.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：

2.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 reinforced plastics，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。
3.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。


技术实现要素：

4.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。
5.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：
6.(1)超声阵列底面反射法信号采集
7.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。
8.(2)基于小波变换读取声时及纵波声速计算
9.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：
10.θ
ij
＝arctan((2d)/|x
i-xj|)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
11.其中，θ
ij
为超声入射角，xi，xj分别为发射阵元和接收阵元位置，d为板状试样厚度，各角度下纵波声速计算如下：
[0012][0013]
其中t
ij
为不同阵元信号最高近似系数对应的声时。从a扫描信号中读取最高幅值，建立纵波声速、最高幅值随入射角的变化曲线。
[0014]
(3)超声阵列不同旋转角下信号采集
[0015]
改变超声阵列与各向异性材料试样接触面内旋转角，确保旋转过程中耦合良好。重复步骤(1)和(2)，采集不同旋转角下的a扫描信号，计算不同旋转角下纵波声速、最高幅值随入射角的变化曲线，获得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。
[0016]
(4)不同损伤程度的信号采集
[0017]
对于不同损伤程度下的各向异性材料试样，重复步骤(1)～步骤(3)，获取纵波声速、最高幅值随入射角、旋转角的分布，并建立该分布随损伤参量的变化趋势。
[0018]
(5)超声特征值提取与损伤程度评价
[0019]
分析步骤(4)所得结果的分布特征，提取特定入射角、旋转角下纵波声速、最高幅值作为超声特征值，并建立其与损伤参量的关联关系，评价各向异性材料损伤程度。
[0020]
所述损伤为老化损伤和早期力学损伤。
[0021]
本发明的有益效果是：通过这种基于超声阵列底面反射法的各向异性材料损伤评价方法，得到不同入射角、旋转角下纵波声速、最高幅值，选取超声特征值并建立其与损伤程度参量的关联关系，评价各向异性材料损伤程度。超声无损检测技术具有无破坏性、适用于大型构件检测以及低成本的优点，并且该方法测试过程简单，测试结果准确度高、可重复，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。
附图说明
[0022]
图1是底面回波超声阵列信号采集系统示意图。
[0023]
图2是cfrp单向板试样老化0h超声阵列1号阵元接收的a扫描信号。
[0024]
图3是cfrp单向板(老化0h和120h)纤维方向与超声阵列不同夹角条件下纵波声速分布曲线图：(a)0
°
；(b)45
°
；(c)90
°
。
[0025]
图4是cfrp单向板(老化0h和120h)纤维方向与超声阵列不同夹角条件下最高幅值分布图：(a)0
°
；(b)45
°
；(c)90
°
。
[0026]
图5是cfrp单向板(老化0h)(a)纵波声速、(b)最高幅值随入射角、旋转角的三维分布图。
[0027]
图6是cfrp单向板(老化120h)(a)纵波声速、(b)最高幅值随入射角、旋转角的三维分布图。
[0028]
图7是cfrp单向板不同老化时间入射角为90
°
时纵波声速变化图。
[0029]
图8是cfrp单向板不同老化时间1号阵元接收信号最高幅值变化图。
具体实施方式
[0030]
(1)超声阵列底面反射法信号采集
[0031]
所用各向异性材料样品为cfrp单向板，预浸料经热压罐成型制备而成。采用的超声阵列底面回波信号采集系统示意图如图1所示。通过multix 相控阵超声检测系统，控制5l64-nw1型线性阵列探头激励和接收超声波信号，采集cfrp单向板试样底面回波a扫描信号。如图2为老化0h条件下超声阵列与cfrp试样表面纤维方向旋转角成0
°
时1号阵元发射并接收的a扫描信号。
[0032]
(2)基于小波变换读取声时及纵波声速计算
[0033]
选取小波基“mexh”小波作为基函数，对步骤(1)中采集到的试样底面回波a扫描信号进行连续小波变换，读取经小波变换后不同阵元信号的最高近似系数对应的声时。已知超声阵列探头相邻阵元中心间距p为1mm，试样厚度d为5.55mm，以5号阵元接收信号为例，超声波入射角计算根据式(1)计算。该入射角下对应的超声波纵波声速根据(2)式计算。
[0034][0035][0036]
对于不同入射角下的超声波最高幅值分布，采用1～11号阵元接收的a扫描信号一次底面回波的最高幅值作为基准进行比较，由此方法得到纵波声速、最高幅值随入射角的变化曲线如图3(a)和图4(a)所示。
[0037]
(3)超声阵列不同旋转角下信号采集
[0038]
基于图1所示采集系统，保证超声阵列探头固定，使超声阵列与cfrp单向板试样接触面内旋转角成特定角度，重复步骤(1)和(2)，计算不同旋转角下纵波声速、最高幅值随入射角的变化曲线，获得cfrp单向板试样(老化0h和120h)纵波声速、最高幅值随入射角、旋转角的三维分布如图5和图6所示。
[0039]
(4)不同损伤程度的信号采集
[0040]
对步骤(1)中cfrp单向板试样进行70℃恒温水浴湿热老化，老化时间分别为0h、120h。重复步骤(1)至步骤(3)，获取纵波声速、最高幅值随入射角、不同旋转角的分布。
[0041]
(5)超声特征值提取与损伤程度评价
[0042]
从步骤(4)中的分布曲线提取入射角为90
°
下的纵波声速、1号阵元接收信号最高
幅值，建立不同声学参量随老化时间的变化关系，如图7和8所示，纵波声速减小，最高幅值降低，即衰减增大。表明cfrp单向板试样70℃湿热老化随时间的延长，声学参量发生变化，实现了cfrp单向板试样湿热老化损伤程度的多参量表征。