结构微缺陷振动调制超声效应随机共振增强检测研究

Structure microdefect is a kind of critical hidden danger for safe service of engineering structure systems. It is of great significance for effective detection of inner microdefect to timely predict structure failure and maintain healthy service. Nonlinear ultrasonic detection displays certain sensitivity to microdefect, and also shows a great challenge in the detection effectivity. This project focuses on the method of nonlinear ultrasonic detection based on vibro-acoustic modulation (VAM). The scientific objective is to discover the novel principle in effectively enhancing the VAM effect by using the stochastic resonance (SR), and then develop the novel methodology for structure microdefect detection. This research will focus on the specific tasks as follows: (i) Combination of two nonlinear effects, including the SR and the VAM, to explore the principle of SR enhancing structure vibration resonance and hence enhancing the VAM effect;(ii) Construction of a kind of bistable structure system with two stable vibration states to investigate the enhanced VAM effect of the bistable structure under the excitation of broadband vibration; (iii) Methodology of microdefect detection on severity and localization of the bistable structure by the VAM effect. The research of this project will reveal the influence of nonlinear effects on structure microdefect detection, and will enable obvious improvement of anti-interference for detecting the microdefect. The success of the project will build an effective technique of enhanced VAM detection of bistable structure microdefect, provide novel principle and novel methodology for reliable diagnosis of engineering structure microdefect, and thus has an important theoretical and practical meaning.

结构微缺陷是工程结构服役的重大安全隐患，内部微缺陷的有效检测对于及时预测结构损伤、保障结构健康服役具有极其重要的意义。非线性超声检测显示了对微缺陷的一定敏感性，但在检测效果上也存在很大的挑战。本项目针对基于振动声调制效应的非线性超声检测方法，致力于研究利用随机共振增强结构微缺陷振动声调制检测的新原理与新技术。研究主要包括三个方面：结合随机共振和振动声调制两种非线性效应探讨随机共振增强结构共振从而增强振动声调制效应的原理；构造一种具有振动双稳态的双稳结构系统，研究宽带振动激励下双稳结构振动声调制的增强效应；系统地研究双稳结构微缺陷振动声调制检测的量化和定位技术。该项研究将揭示非线性效应对结构微缺陷检测的影响，能够显著改善结构微缺陷检测的抗干扰性。本项目的成功实施将构建一种有效的双稳结构微缺陷振动声调制增强检测技术，为工程结构微缺陷的可靠诊断提供新的原理与方法，具有重要的理论和实践意义。

本项目针对基于振动声调制效应的非线性超声检测方法，旨在研究结构微缺陷在随机共振系统下的振动调制超声效应，从而建立利用随机共振增强结构微缺陷振动声调制检测的新原理与新技术。围绕以上目标，我们从非线性结构模型与随机共振理论、结构缺陷超声成像基础、结构微缺陷振动调制超声效应、结构微缺陷振声调制增强检测技术等方面展开研究，取得以下有特色的创新性成果：（1）通过悬臂梁磁铁耦合物理建模研究，创新性提出包括三稳态势阱的多种新型势阱模型，揭示了其增强非线性系统稳定性的动力学机制；（2）在缺陷声源定位和成像方面，通过时频分析和声阵列研究，提高了声源成像的精度和抗干扰能力；（3）利用磁铁耦合结构系统，发现了非共振区振动声调制以及频移振动声调制等新的非线性超声效应，并揭示了其动力学原因；（4）利用双稳结构振动的宽频响应和特殊滞回现象，实现微缺陷的振动声调制增强检测，成功用于微缺陷的定量评估和定位成像。四年来，在《Appl. Phys. Lett.》、《J. Sound Vib.》、《Mech. Syst. Signal Process.》、《Rev. Sci. Instrum.》、《ASME J. Vib. Acoust.》、《Meas. Sci. Technol.》等期刊发表论文25篇（SCI检索24篇），另外发表国际会议论文5篇（EI检索4篇），在Google Scholar被引用近200次，单篇引用最高36次。申请中国发明专利3项，已获授权1项。培养博士学位研究生 4 名、硕士学位研究生4名。项目负责人入选2013年度教育部“新世纪优秀人才”和2016年度中国科学院“青年创新促进会”等人才计划。该项目研究揭示了非线性动力学对结构微缺陷超声检测的促进作用，拓展了传统振动声调制的坏境适应性，能够显著改善结构微缺陷振动声调制检测的抗干扰能力，为工程结构微缺陷的可靠诊断提供了新的原理与方法，具有重要的理论和实践意义。