在長距離超聲導(dǎo)波無損檢測中,通常采用回波法進(jìn)行缺陷檢測,但當(dāng)缺陷靠近遠(yuǎn)端時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)在常規(guī)監(jiān)測時(shí)域區(qū)間內(nèi)缺陷回波丟失的問題,即遠(yuǎn)場盲區(qū)問題,而該區(qū)域往往是缺陷高發(fā)區(qū)。本文以長桿方鋼為例,對(duì)超聲導(dǎo)波檢測中的遠(yuǎn)場盲區(qū)問題進(jìn)行研究。主要工作和創(chuàng)新性成果如下:1.為提高仿真效率,采用二維等效模型進(jìn)行方鋼超聲導(dǎo)波模型的簡化,通過仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)比的方法,驗(yàn)證了該等效模型的有效性。在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法研究中,為減小實(shí)驗(yàn)中耦合劑引起的信號(hào)衰減,提出并研制了鋰基油脂作為實(shí)驗(yàn)用超聲耦合劑,有效改善了超聲信號(hào)在探頭與試件接觸處的透射性能;從理論上合理解釋了實(shí)驗(yàn)中的特定非期望波產(chǎn)生的原因(即入射波小角度偏差),分析了非期望波對(duì)入射總能量的分配的影響;2.對(duì)基于雙探頭反射法的長距離超聲導(dǎo)波盲區(qū)現(xiàn)象及接收信號(hào)特點(diǎn)進(jìn)行了理論分析和推導(dǎo)。基于理論分析,推導(dǎo)出超聲導(dǎo)波盲區(qū)的量化范圍;總結(jié)出缺陷反射波形的五種常見模態(tài)轉(zhuǎn)換形式,分析了超聲導(dǎo)波盲區(qū)缺陷波形的疊加規(guī)律:3.提出基于第Ⅰ、Ⅱ監(jiān)測時(shí)域區(qū)間差值包絡(luò)相關(guān)運(yùn)算的盲區(qū)缺陷定位算法。通過將接收信號(hào)中第Ⅰ、Ⅱ監(jiān)測時(shí)域區(qū)間波形與仿真波形包絡(luò)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,判斷缺陷位置,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性;4.提出基于時(shí)頻轉(zhuǎn)換方法的缺陷形狀識(shí)別算法。以經(jīng)典的方形、三角形和圓形形狀的缺陷為例,先對(duì)接收波形采用時(shí)頻轉(zhuǎn)換PWVD算法得到第Ⅰ、Ⅱ監(jiān)測時(shí)域區(qū)間的時(shí)頻圖,再采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行損傷分類識(shí)別。論文采用仿真方法建立了1200張三種形狀的中間傷和邊界傷樣本庫,測試結(jié)果表明,中間缺陷和邊界缺陷分類的識(shí)別準(zhǔn)確度分別為0.89和0.85。綜上所述,本文從方鋼二維等效模型、超聲導(dǎo)波盲區(qū)相關(guān)理論和缺陷檢測算法等方面進(jìn)行了研究,相關(guān)研究結(jié)果為超聲導(dǎo)波盲區(qū)檢測理論和方法提供一定的參考。
【學(xué)位單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：TG115.285
【部分圖文】：

西安理工大學(xué)博士學(xué)位論文2(a)德國埃舍德高速列車事故現(xiàn)場(b)韓國江源道高速列車事故現(xiàn)場圖1-1列車脫軌造成的重大事故Fig.1-1Seriousaccidentscausedbyaderailmentofatrain(a)韓國首爾市圣水大橋事故現(xiàn)場(b)中國武夷山公館大橋事故現(xiàn)場圖1-2橋梁坍塌造成的重大事故Fig.1-2Seriousaccidentscausedbythecollapseofabridge為了解決上述無損檢測技術(shù)的缺點(diǎn)，以實(shí)時(shí)在線方式提供動(dòng)態(tài)評(píng)估結(jié)果的大結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[6]。隨著近代多學(xué)科交叉融合模式蓬勃發(fā)展，力學(xué)、材料學(xué)、計(jì)算機(jī)、信號(hào)處理、人工智能、深度學(xué)習(xí)等學(xué)科融合，使得結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測得到進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)大型結(jié)構(gòu)及設(shè)備的自動(dòng)化智能化檢測日趨成熟。充分利用多種傳感器形成固定功能源件，對(duì)檢測對(duì)象進(jìn)行連續(xù)、實(shí)時(shí)、在線的大范圍監(jiān)測，基于長時(shí)間段獲取的測量結(jié)果，對(duì)多種環(huán)境情況下被測對(duì)象隱藏異常狀態(tài)提供性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)估預(yù)測結(jié)果，為專業(yè)的工程技術(shù)人員提供較為全面的結(jié)構(gòu)健康信息，幫助他們有效地完成相應(yīng)維護(hù)工作。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測對(duì)于大型工程結(jié)構(gòu)和設(shè)備故障修理以及維護(hù)有重要的意義[7]，在降低人工維護(hù)費(fèi)用的同時(shí)，提高了大型結(jié)構(gòu)安全檢測的可靠性，并且在故障預(yù)測和事故預(yù)警等方面有進(jìn)一步深入應(yīng)用的潛力。相對(duì)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)中龐大、笨重、冗余的檢測方式，新的檢測技術(shù)越來越注重采用輕便、快捷以及檢測范圍廣的智能化檢測方法。新型技術(shù)中最具代表性的就是應(yīng)用于結(jié)構(gòu)傷損檢測的超聲導(dǎo)波技術(shù)，該技術(shù)是目前NDT/SHM領(lǐng)域最熱門的前沿技術(shù)之一。近十年，超聲導(dǎo)波理論分析以及仿真方面的研究飛速前進(jìn)，相關(guān)領(lǐng)域的論文及課題研究碩果豐盛，同時(shí)在實(shí)際質(zhì)檢應(yīng)用技術(shù)方面也取得了長足的發(fā)展。美國無損檢測學(xué)會(huì)(AmericanSocietyforNondestructiveTesting,ASNT)、美?

西安理工大學(xué)博士學(xué)位論文12圖2-1頻散現(xiàn)象示意圖Fig.2-1Schematicdiagramofthedispersionphenomenon根據(jù)超聲導(dǎo)波的頻散特性，對(duì)于幾何形狀與物理屬性確定的傳播媒介，不同頻率的超聲導(dǎo)波其相速度也不同；但在一定的導(dǎo)波頻率下，單一模態(tài)的導(dǎo)波相速度是唯一的，群速度也為恒定值。由于材質(zhì)的特殊、幾何形狀的復(fù)雜、彈性介質(zhì)的不連續(xù)性，使其具有無限種類的導(dǎo)波模態(tài)特性，這種在相同頻率下存在多種模態(tài)的性質(zhì)稱作導(dǎo)波的多模態(tài)特性。例如在鋼軌結(jié)構(gòu)中的超聲導(dǎo)波具有多模態(tài)。除此之外，在不同激勵(lì)方式、衰減系數(shù)、振型等特征影響下，也均會(huì)導(dǎo)致多模態(tài)特性的產(chǎn)生。當(dāng)導(dǎo)波群速度差異越大，導(dǎo)波模態(tài)之間的差異越大。鑒于超聲導(dǎo)波的多模態(tài)特性，在激勵(lì)所需特定導(dǎo)波模態(tài)時(shí)，可能會(huì)同時(shí)激發(fā)出多個(gè)不同模態(tài)，因此為有助于導(dǎo)波信號(hào)的特征提取，一般應(yīng)選取與其它模態(tài)速度差異較大的導(dǎo)波模態(tài)。2.1.3超聲導(dǎo)波折射反射特性當(dāng)超聲導(dǎo)波傳播到兩種物體界面時(shí)，會(huì)發(fā)生反射、折射以及模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象。超聲導(dǎo)波的激勵(lì)入射方式對(duì)于超聲導(dǎo)波的檢測源有非常重要的影響，關(guān)乎整體檢測的實(shí)際效果。入射是邊界傳播問題，主要涉及兩種界面間的反射和折射特性理論，具體分析超聲導(dǎo)波源入射兩種介質(zhì)條件變化，對(duì)超聲導(dǎo)波實(shí)際導(dǎo)波波形的影響。一、界面邊界條件界面邊界條件對(duì)波在界面上的反射和折射有重要的影響。一般情況下，兩種材料的連續(xù)界面可分為剛性界面、滑移界面和真空界面。若建立如圖2-2所示的坐標(biāo)系，圖中x0為界面，1x方向與界面平行,3x為界面法線方向,03x部分為介質(zhì)1,03x部分為介質(zhì)2，平面03x為兩種介質(zhì)的界面。

西安理工大學(xué)博士學(xué)位論文14csccSSII1sinsin)()()()((2.6)式中：c)(I為入射波波速；c)(S為散射波波速；c為入射波和散射波沿界面的共同波速。圖2-3Snell定理的慢度圖Fig.2-3SlownessgraphofSnell"stheorem2.1.4超聲導(dǎo)波衰減特性超聲導(dǎo)波在長距離傳播中，為準(zhǔn)確地分析預(yù)測超聲波的形變化情況，必然考慮整個(gè)振動(dòng)情況中的衰減特性。彈性介質(zhì)中的超聲波，隨著傳播距離的增加，由于能量損失使得波的振動(dòng)具有明顯的衰減現(xiàn)象。目前研究分析引起超聲衰減的原因主要集中在三個(gè)方面：一、波束擴(kuò)散引起的擴(kuò)散衰減超聲導(dǎo)波在介質(zhì)中的傳播距離增加時(shí)，波的能量會(huì)逐漸擴(kuò)散，使得有效傳播途徑中能量強(qiáng)度逐漸減小，該種聲能損耗現(xiàn)象稱為擴(kuò)散衰減。擴(kuò)散衰減主要與聲源特點(diǎn)的相關(guān)，不受傳播介質(zhì)屬性影響。依據(jù)聲源波振面的幾何形狀，超聲波可分為平面波、柱面波及球面波。在聲源的遠(yuǎn)場中，球面波聲場中質(zhì)點(diǎn)的振幅與聲波的傳播距離成反比，而聲壓與振幅成正比，因此球面波的聲壓與聲波傳播距離成反比；柱面波聲場中質(zhì)點(diǎn)的振幅與聲波傳播距離的平方根成反比，由于聲壓與振幅成正比，因此柱面波的聲壓與聲波傳播距離的平方根成反比；對(duì)于平面波，波束傳播時(shí)相互平行而不擴(kuò)散，因此聲壓并不隨傳播距離而變化，不會(huì)發(fā)生擴(kuò)散衰減。二、傳播介質(zhì)吸收引起的吸收衰減通常傳播介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)間存在一定的粘滯性，介質(zhì)的振動(dòng)會(huì)使得質(zhì)點(diǎn)間發(fā)生內(nèi)摩擦，進(jìn)而導(dǎo)致超聲波能量發(fā)生一定的損耗。介質(zhì)本身是一個(gè)熱導(dǎo)體，能量會(huì)在介質(zhì)中的稠密與稀疏部分進(jìn)行熱傳遞，則超聲波的能量會(huì)進(jìn)一步發(fā)生衰減。這種由于介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)間發(fā)生內(nèi)摩擦和熱傳導(dǎo)導(dǎo)致聲能衰減、損耗的現(xiàn)象稱為吸收衰減。超聲波的吸收衰減在非均勻介質(zhì)中比在均勻介質(zhì)中更為嚴(yán)重。通常認(rèn)為超聲波吸收衰減與
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2870600