基于超声导波换能器阵列的腐蚀性缺陷几何形态识别

将构件中缺陷几何形态与其边界和载荷条件结合起来，是实现构件完整性、可靠性、安全性和寿命无损评估准确预测的一条有效途径；真实和量化地得到材料中缺陷几何形态参数是实现准确评估和预测的重要前提；腐蚀性缺陷普遍发生于运输和存储腐蚀性物质的容器以及船舶和飞行器等板壳类构件上，导致壁厚变薄和更大的安全隐患，及时检测到腐蚀性缺陷的出现并监测其扩展状况，对保障该类设备的在役安全运行具有重要意义；兰姆波在板中传播时声场遍及整个壁厚且传播距离较远，因而常用于板类材料的检测；本项目拟利用超声导波换能器阵列技术识别腐蚀性缺陷几何形态参数，研究换能器阵列的配置方式及发射和接收技术，分析超声导波在有腐蚀性缺陷板类构件中的声场分布规律，建立换能器阵列声场的数学模型以及描述缺陷几何形态特性的椭球体数学模型，研究超声导波参数与缺陷几何形态参数的理论关系，最终实现对板类构件半腐蚀性缺陷几何形态参数的量化识别。

对广泛应用于船舶、飞行器以及运输和存储腐蚀性物质的容器等板壳类构件上的腐蚀性缺陷进行及时检测并对其扩展情况进行监测，对提高设备的完整性、可靠性和安全性，保障设备的在役安全运行具有重要意义。本项目在换能器阵列结构的优化配置和收发控制技术、换能器阵列向量声场数学模型、缺陷几何形态数学模型、导波声束与缺陷界面的相互作用及其理论描述方面开展了大量的研究工作。采用数学物理方程建立了超声导波在各向同性和各向异性介质中的传播模型，通过频散方程二分法求解，获得的传播规律以及单模态超声导波激励和控制方法；通过仿真分析，建立了超声导波传播和声波与缺陷相互作用的有限元模型；采用时频域联合分析和经验模态分解方法获取了单模态导波信号参数对缺陷几何特征敏感性；在前述研究的基础上，通过对阵列换能器结构的优化配置和收发控制技术以及在透射和反射模式下的阵列成像技术研究，提出了能够对腐蚀性缺陷几何形态和位置等信息综合表示的特征参数扫描成像和椭圆阵列成像技术，并搭建了具有自主知识产权的超声导波换能器阵列腐蚀性缺陷阵列检测系统。经仿真分析和实验验证表明：该技术缺陷定位准确，缺陷尺寸的检测误差小于等于8%。