复合材料Lamb波时间反转检测方法研究现状

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(火箭军士官学校,青州 262500)

复合材料因为具有比强度高、比模量大、稳定性好和可设计性强等优点，在航空航天、土木工程、机械等领域的应用越来越广泛。然而，在复合材料生产和服役的各个环节，可能会产生各类缺陷以及损伤，进而给结构带来安全隐患，因此对其进行有效快速的检测就显得十分重要。在针对复合材料的众多检测方法中，超声Lamb波检测法因为具有一些优势被广泛采用。

Lamb波首先由英国应用数学家Horace Lamb提出，其指的是一种在有两个平行自由表面结构中传播的弹性应力波，也称为板波或导波[1]。超声探头激发出的超声波入射到薄板中，受薄板上、下表面的约束，在传播一定距离后，产生了一种既非横波又非纵波的Lamb波。相比于传统的超声体波，Lamb波检测具有明显优点：一方面体波检测受换能器的限制，其覆盖范围较小，需要对结构进行逐点检测，耗时耗力，而Lamb波由于在传播路径上衰减小，传播距离长，当发射/接收探头距离较大时，一次检测就可获取结构的整体信息，检测区域较大；另一方面，Lamb波的多模式对不同厚度板的敏感性不同，使之既能检测表面缺陷又能检测内部缺陷。目前，主要的Lamb波检测方法有概率损伤法[2]、层析成像法[3]和时间反转法[4]。其中，时间反转法已经在大型板状结构的缺陷识别和定位研究中得到了较为广泛的应用[5]。

1 Lamb波时间反转法

时间反转，又称为时间逆转，是一种不需要探头和介质的先验知识就能实现声波自适应聚焦的检测方法，该方法最早由法国科学家Fink从光学领域引入到声学领域，并首先应用于体波的检测中[6]，其借助由探头阵列组成的时间反转镜，利用脉冲回波法实现对缺陷的检测定位，随着Lamb波检测的优点逐渐被人们所认识，时间反转方法也逐步应用于Lamb波的检测中[7-8]。

应用Lamb波的时间反转方法时，要求每个探头既可以用作发射也可以用作接收，其操作过程如图1所示，具体包括4步[9]：① 将原始激励信号加载在探头A上，在板中激励出Lamb波检测信号，并被探头B接收；② 对探头B上的接收信号进行时间反转，即VB(t)→VB(-t)；③ 将时间反转信号加载在B探头上进行二次激励，并在探头A上进行二次接收；④ 对接头A上的二次接收信号进行时间反转，得到重构信号。

图1 Lamb波时间反转方法示意

由于重构信号的能量会在时间和空间上发生聚焦，若提取出聚焦主波峰并将其在相同尺度下与原始激励信号进行对比(两种信号需要根据幅值的峰值进行归一化处理)，就可判断出超声波在结构中的传播是否为线性，若为线性，则表明结构中无缺陷，否则就可能存在缺陷。

2 国外研究现状

美国南卡大学的GIURGIUTIU教授[10]、斯坦福大学的CHANG教授[11]以及卡内基梅隆大学的 HOON等[12]，对Lamb波的时间反转聚焦原理和过程进行了研究和试验验证，北卡大学的YUAN等[13]通过探索研究发现，此方法在复杂结构的健康监测方面有较好的应用前景。KULKARNI等[14]采用基元谱有限元方法研究了复合板中导波的时反特性。SOHN等[15]采用基元信号处理技巧对复合材料中Lamb波的时间反转特性进行了增强，重构了激励源发射信号，并对缺陷特征进行了评价。GUO等[16]针对管道中存在的潜在结构质量问题，提出了基于时间反转的非线性导波三维缺陷成像方法，并通过试验对影响成像质量的距离和耦合压力等因素进行了分析。瑞士苏黎世联邦理工大学ERIK等[17]从数学的角度提出了一种源时间反转方法，与传统时间反转方法进行了对比分析，并将其应用于混凝土试件的声发射检测过程中。英国巴斯大学CIAMPA等[18]基于时间反转方法提出了能够对各向异性复合材料结构中产生的混响声源进行定位的实时成像方法。法国科学研究院SERGE等[19]对时间反转方法用于人类牙齿超声成像的可行性进行了研究，表明该方法潜力巨大。CHUN等[20]从理论和试验角度研究了板状结构中Lamb波时间反转的时空聚焦性，在此基础上提出了一种基于分布式传感器网络的成像方法，该方法克服了传统相控阵中需要在脉冲回波模式下进行操作的限制。HOON等[21]提出了一种用于缺陷检测的增强时间反转方法，该方法首先选用窄带波形作为激励信号来克服时反过程中的频散特性，然后通过波包变换来保留住响应信号中对缺陷敏感而对边界反射不敏感的部分，从而识别出缺陷。

近年来，WATKINS等提出了一种改进的时间反转方法，在试验过程中不需要改变加载方式，发射探头始终用于发射，接收探头始终用于接收，从而提高了检测效率。BONGJAE S等[22]发现了传统损伤概率成像算法中的形状因子参数β，该参数影响了成像的精确性，提出了一种准确计算β值的方法，试验表明利用该方法能够准确评估缺陷的面积及大小。AGRAHARI等[23]通过试验和有限元仿真研究了压电晶片与薄板间黏接层厚度、激励信号频率、板厚及晶片厚度对Lamb波时间反转特性的影响。KANG等[24]通过研究发现丙烯酸圆管中时间反转Lamb波的传播类似于A0模式，和皮质骨中慢导波的特征一致。GIRISH等[25]运用小波谱有限元方法对薄层复合材料的Lamb波传播过程进行了仿真，并研究了其时间反转特性。BENJAMIN等[26]基于Lamb波时间反转方法，采用单探头对复合材料薄板中的缺陷进行检测，由于多探头对产生的激励信号存在相互干扰并会导致时间反转失败，采用单探头对的时间反转检测不失为一种更有效的缺陷检测手段。PREVOROVSKY等[27]通过试验发现环境温度及探头布局能对时间反转重构信号质量造成影响，而且将周期数较多的信号用作激励会使信噪比降低，不会改善信号重构质量。WANG等[28]利用有限元仿真对管中的缺陷检测进行研究，结果表明时间反转的Lamb波信号具有线性叠加属性，利用时间反转方法能够使信号能量在缺陷位置处发生聚焦，从而提高了对微小缺陷的检测能力。BIJUDAS等[29]结合试验和仿真对铝板进行了无基准缺陷成像研究，通过设定PZT晶片探头位置和调制特定信号幅值，只激励出单一的A0模式，结果表明运用Lamb波时间反转方法能有效识别出板中的缺陷。JED等[30]提出了一种修改的时间反转成像算法，该算法适用于近场条件下的成像，即探头与缺陷之间的距离小于2d2/λ(d为缺陷直径，λ为波长)，仿真结果表明利用该方法重构的信号质量较高，能够准确评估缺陷尺寸。WANG等[31]采用时间反转方法对聚焦信号波峰幅值与螺栓预紧力之间的关系进行了研究，结果表明随着预紧力的增大，波峰幅值也逐渐增大，当预紧力趋于饱和时，峰值维持不变。

图2 玻璃纤维材料损伤识别现场

3 国内研究现状

国内也有很多单位开展了Lamb波时间反转方法的应用研究。南京航空航天大学王强等[32-36]分析给出了具体的损伤信号时间反转聚焦增强过程，利用时间反转方法对波源的自适应聚焦能力建立了信号聚焦时刻的波动图，实现了对损伤的可视化。针对玻璃纤维复合材料板开展了损伤检测试验，损伤识别现场如图2所示，结果表明，利用该方法能有效提高损伤散射信号的能量，对损伤进行准确定位。邱雷等[37]提出了一种基于Shannon复数小波的时间反转成像方法，并用于碳纤维复合材料板结构中的损伤检测，结果表明，该方法能够对检测区域中的多个损伤进行成像定位，误差较小。郑嘉楠[38]采用差信号实现了对玻璃纤维复合材料板无基准损伤的定位识别，并提出采用时间窗函数来解决时间反转过程中的直达波提取问题。蔡建等[39]为了克服传统时间反转方法操作复杂、消除Lamb波传播时间的弊端，提出了一种虚拟时间反转方法，并在碳纤维复合材料板上进行了试验验证，结果表明利用该方法能对Lamb波损伤散射波包进行聚焦，实现对板中近邻损伤的有效检出。

武汉大学屈文忠等[40]运用Lamb波时间反转方法对铝板进行了损伤识别定位试验，试验现场如图3所示，首先在铝板的9个固定位置处黏贴9个PZT-5型圆形压电片，并以耦合剂黏结的2个圆柱体来模拟损伤，然后采用调制的窄带正弦信号进行激励，得到时间反转算子及传递矩阵，通过分析算子的特征值及特征向量发现：第1、第 2 阶特征向量以A0模式反向传播，第 3、第 4 阶特征向量以S0模式反向传播，均聚焦于损伤散射体所处位置，由此得出结论：Lamb 波时间反转分解方法对不同程度且距离较远的两处损伤，能够有效识别和准确定位。张望等[41]采用非线性时间反转理论有效识别出了金属结构中的闭合性裂纹。

图3 铝板损伤识别现场

北京工业大学的刘增华[42-44]课题组对时间反转方法的应用做了深入的研究，利用时间反转法的多通道Lamb波聚焦的原理，准确实现了1 mm厚铝板中直径为0.8 mm通孔缺陷的定位。周进节[45]基于时间反转方法提出了斜入射局部加载及利用压电晶片阵列进行缺陷检测的两种时间反转检测方法，并设计了一种高压脉冲式激励板卡，用于激励压电换能器产生导波，利用构建的试验系统对含各种缺陷的钢管进行成像研究，在管道端面安装16个沿周向均匀分布的压电晶片用于激励，另外在距端表面 32 mm位置处均匀安装 16个压电晶片用于接收，对 16组接收信号进行叠加作为总接收信号，建立反射回波幅值与管中位置的对应关系，从而实现成像。邓菲[46]通过试验论证了时间反转聚焦方法可用于管道导波缺陷的检测和定位，还可解决管道轴向位置相同的双缺陷辨识问题。

哈尔滨工程大学的夏云龙等[47]提出了一种针对时间反转算子特征值的分解算法，利用该算法分解出的特征向量能够获取聚焦目标的相位信息，实现对目标的定位，通过理论分析和仿真试验证明了所提算法对水下目标具有更好的选择性聚焦和检测效果，这为时间反转区分多目标提供了理论依据。雷亚辉[48]基于射线声学的理论模型，对水下波导中的时间反转目标探测进行了理论分析和仿真验证，证明了时间反转方法的可行性和稳健性，进一步讨论和仿真验证了迭代时间反转方法的原理和特性，并以沉底和掩埋目标为对象，研究了噪声及多目标对时间反转方法应用的影响。

哈尔滨理工大学的蒋慧琳[49]设计了一种基于时间反转方法的检测系统，并将其应用于铝合金板材结构的无损检测中；陈妍[50]开展了不同因素影响下铝板的时间反转自聚焦试验，根据所得聚集信号及其聚焦增益和主副瓣比值，确定了具有较好聚焦效果的超声波波型、幅值、频率以及传感器布局方式，并针对裂纹缺陷分别进行了单通道和多通道试验，研究了裂纹的定位方法；滕飞[51]构建了一套时间反转的Lamb波检测系统，该系统主要由激光非接触测振仪、任意波形信号发生器、压电传感器等设备组成，开展的试验结果表明，利用该系统能够对铝板中人工模拟缺陷的存在与否和位置作出准确判定。

大连理工大学赵乃志[52]通过研究发现，对于周向、轴向或斜向裂纹缺陷，经时间反转处理后的信号反射系数明显增大，表明时间反转方法可以用于小缺陷的检测。暨南大学钟凯慧[53]分别采用试验和数值模拟的手段，对管道中裂纹的检测信号进行时间反转和重新加载，分析了管中导波的聚焦过程。南京邮电大学严夏军[54]提出了一种基于时间反转的Lamb 波损伤检测方法，该方法运用多种信号处理技术提取损伤信息，降低了噪声影响，分别针对单损伤及多损伤情况进行了试验，结果表明利用该方法能够对损伤进行准确定位。

4 结语及展望

(1) Lamb波时间反转方法虽然在检测中不需要基准信号就能够实现信号重构，但是根据最终的检测结果，检测图像会受到Lamb波多模态特性的影响，检测水平低于传统检测方法，需要研究如何在试验中获取单一模态信号是此方法需要解决的问题。

(2) 针对复合材料板的检测，较多都是采用将压电晶片胶黏在结构表面的方式进行，这种安装方式对于很多复合材料结构，尤其是航空航天类结构是不被允许的，所用黏接剂除了要保证与试件间的耦合效果，还要保证在长周期、反复多次的检测过程中具备足够的黏接强度，从而使黏接剂一旦黏接于试件表面，就很难清理，因此会对结构造成一定损伤，从而限制了其在实装上的应用。干耦合超声检测并不需要使用耦合剂，只需将特制的干耦合超声探头直接置于试件表面采集检测波形，再借助Lamb波时间反转方法就可实现对复合材料中缺陷的判断识别，操作方法简单、无污染。在应用干耦合探头时，需要注意对不同探头施加相同压力，使探头内部弹簧压缩量相同，保证探头耦合压力的一致。

(3)目前开展的Lamb波时间反转有限元仿真计算主要针对单层薄板结构中的缺陷，而对于固体火箭发动机壳体这类多层结构而言，缺陷主要发生在黏接界面上，因此需要对多层结构不同介质中界面上超声波的传播情况进行进一步的分析研究。