《一種基於小波分析的夾芯板超音波檢傷方法及套用》是哈爾濱工業大學深圳研究生院於2010年7月12日申請的發明專利，該專利的公布號為CN101915805A，專利公布日為2010年12月15日，發明人是查曉雄、葉福相。
《一種基於小波分析的夾芯板超音波檢傷方法及套用》所述方法包括如下步驟：發射和接收超音波：所述超音波發生器發射超音波，所述超音波接收器接收該超音波；獲取超音波波形圖：將超音波傳播路徑分為四種途徑：超音波經過一次垂直反射後沿鋼板傳播到達超音波接收器，超音波經過一次斜反射後直接到達超音波接收器，超音波經過兩次垂直反射後沿鋼板傳播到達超音波接收器，超音波經過兩次斜反射到達超音波接收器，獲取以上四種傳播途徑超音波波形圖；分析夾芯板損傷：根據獲取的四種傳播途徑的超音波波形圖分析夾芯板的損傷。
2017年12月11日，《一種基於小波分析的夾芯板超音波檢傷方法及套用》獲得第十九屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《一種基於小波分析的夾芯板超音波檢傷方法及套用》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種基於小波分析的夾芯板超音波檢傷方法及套用
- 公布號：CN101915805A
- 公布日：2010年12月15日
- 申請號：2010102256118
- 申請日：2010年7月12日
- 申請人： 哈爾濱工業大學深圳研究生院
- 地址：廣東省深圳市南山區西麗深圳大學城哈工大校區
- 發明人：查曉雄、葉福相
- Int. Cl.：G01N29/04(2006.01)I、G01N29/44(2006.01)I
- 專利代理機構： 深圳市科吉華烽智慧財產權事務所
- 代理人： 胡吉科
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
夾芯板在正常使用過程中，比較常見的損傷類型主要有：芯材拼縫損傷、冷熱交替導致粘膠老化引起的芯材與金屬面板脫膠的損傷和撞擊引起的凹坑損傷三種。這些損傷都將引起夾芯板承載力的降低，如果不能及時發現將很可能會導致事故的發生和人員傷亡。2010年7月前的技術對於夾芯板損傷的檢驗主要通過非金屬超聲檢測儀等設備進行分析，但在工程實踐中，由於受到場地噪聲以及不同傳播途徑的波的波形疊加的影響，僅依靠這種非金屬超聲檢測儀進行分析不能很好的得到夾芯板的健康狀況。
發明內容
專利目的
《一種基於小波分析的夾芯板超音波檢傷方法及套用》的目的是提供一種基於小波分析的夾芯板超音波檢傷方法，克服2010年7月前技術不能通過更為科學的分析方法進行精確的分析。
技術方案
《一種基於小波分析的夾芯板超音波檢傷方法及套用》的技術方案是：一種基於小波分析的夾芯板超音波檢傷方法，將超音波發生器和超音波接收器分別耦合於夾芯板預檢傷位置兩端，基於小波分析的夾芯板超音波檢傷方法包括如下步驟：
發射和接收超音波：所述超音波發生器發射超音波，所述超音波接收器接收該超音波；獲取超音波波形圖：將超音波傳播路徑分為四種途徑：超音波經過一次垂直反射後沿鋼板傳播到達超音波接收器，超音波經過一次斜反射後直接到達超音波接收器，超音波經過兩次垂直反射後沿鋼板傳播到達超音波接收器，超音波經過兩次斜反射到達超音波接收器，獲取以上四種傳播途徑超音波波形圖；分析夾芯板損傷：根據獲取的四種傳播途徑的超音波波形圖分析夾芯板的損傷。
該發明的進一步技術方案是：還包括在夾芯板的表面設定超音波定位的格線。
該發明的進一步技術方案是：所述超音波發射器和超音波接收器耦合於夾芯板預檢傷位置兩端，採用黃油作為耦合劑。
該發明的進一步技術方案是：在分析夾芯板損傷步驟中，包括對夾芯板無損傷位置的損傷探測分析。
該發明的進一步技術方案是：在分析夾芯板損傷步驟中，包括對夾芯板拼縫位置的損傷探測分析。
該發明的進一步技術方案是：在分析夾芯板損傷步驟中，包括對夾芯板芯材與面板脫膠位置的損傷探測分析。
該發明的進一步技術方案是：在分析夾芯板損傷步驟中，包括對夾芯板芯材與上層面板脫膠位置的損傷探測分析。
該發明的進一步技術方案是：在分析夾芯板損傷步驟中，包括對夾芯板芯材與下層面板脫膠位置的損傷探測分析。
該發明的進一步技術方案是：在分析夾芯板損傷步驟中，包括對面板為鋼板的夾芯板的表面鋼板凹陷位置的損傷探測分析。
該發明的技術方案是：將基於小波分析的夾芯板超音波檢傷方法套用於夾芯板。
改善效果
《一種基於小波分析的夾芯板超音波檢傷方法及套用》的技術效果是：該發明基於小波分析的夾芯板超音波檢傷方法，通過結合小波分析的理論，將超音波在夾芯板上的傳播分為四種傳播途徑，其檢測得到的超音波信號經過小波降噪、分解處理之後，可以通過考察其一二層小波分解結果確定傳播途徑的情況，通過考察三、四層小波分解得到的波形形狀和首波到達時間來識別出各種類型的損傷情況。該發明基於小波分析的夾芯板超音波檢傷方法能精確地識別多種類型的損傷情況。
附圖說明
圖1為《一種基於小波分析的夾芯板超音波檢傷方法及套用》的流程圖。
圖2為該發明的結構示意圖。
圖3為該發明無損位置的超音波回波信號和小波分析結果圖。
圖4為該發明小波分解變換結構圖。
圖5為該發明拼縫位置的超音波回波信號和小波分析結果圖。
圖6為該發明上面板與芯材脫膠位置的超音波回波信號和小波分析結果圖。
圖7為該發明下面板與芯材脫膠位置的超音波回波信號和小波分析結果圖。
圖8為該發明凹陷損傷位於兩換能器中間時的超音波回波信號和小波分析結果圖。
圖9為該發明凹陷損傷位於信號接收器下方時的超音波回波信號和小波分析結果圖。
圖10為該發明凹陷損傷位於信號發射器下方時的超音波回波信號和小波分析結果圖。
權利要求
1.《一種基於小波分析的夾芯板超音波檢傷方法及套用》特徵在於，將超音波發生器和超音波接收器分別耦合於夾芯板預檢傷位置兩端，基於小波分析的夾芯板超音波檢傷方法包括如下步驟：發射和接收超音波：所述超音波發生器發射超音波，所述超音波接收器接收該超音波；獲取超音波波形圖：將超音波傳播路徑分為四種途徑：超音波經過一次垂直反射後沿鋼板傳播到達超音波接收器，超音波經過一次斜反射後直接到達超音波接收器，超音波經過兩次垂直反射後沿鋼板傳播到達超音波接收器，超音波經過兩次斜反射到達超音波接收器，獲取以上四種傳播途徑超音波波形圖；分析夾芯板損傷：根據獲取的四種傳播途徑的超音波波形圖分析夾芯板的損傷。
2.根據權利要求1所述一種基於小波分析的夾芯板超音波檢傷方法，其特徵在於，還包括在夾芯板的表面設定超音波定位的格線。
3.根據權利要求1所述一種基於小波分析的夾芯板超音波檢傷方法，其特徵在於，所述超音波發生器和超音波接收器耦合於夾芯板預檢傷位置兩端，採用黃油作為耦合劑。
4.根據權利要求1所述一種基於小波分析的夾芯板超音波檢傷方法，其特徵在於，在分析夾芯板損傷步驟中,包括對夾芯板無損傷位置的損傷探測分析。
5.根據權利要求1所述一種基於小波分析的夾芯板超音波檢傷方法，其特徵在於，在分析夾芯板損傷步驟中,包括對夾芯板拼縫位置的損傷探測分析。
6.根據權利要求1所述一種基於小波分析的夾芯板超音波檢傷方法，其特徵在於，在分析夾芯板損傷步驟中,包括對夾芯板芯材與面板脫膠位置的損傷探測分析。
7.根據權利要求6所述一種基於小波分析的夾芯板超音波檢傷方法，其特徵在於，在分析夾芯板損傷步驟中,包括對夾芯板芯材與上層面板脫膠位置的損傷探測分析。
8.根據權利要求6所述一種基於小波分析的夾芯板超音波檢傷方法，其特徵在於，在分析夾芯板損傷步驟中,包括對夾芯板芯材與下層面板脫膠位置的損傷探測分析。
9.根據權利要求1所述一種基於小波分析的夾芯板超音波檢傷方法，其特徵在於，在分析夾芯板損傷步驟中,包括對面板為鋼板的夾芯板的表面鋼板凹陷位置的損傷探測分析。
實施方式
如圖1所示，《一種基於小波分析的夾芯板超音波檢傷方法及套用》的具體實施方式是：提供一種基於小波分析的夾芯板超音波檢傷方法，將超音波發生器和超音波接收器分別耦合於夾芯板預檢傷位置兩端，基於小波分析的夾芯板超音波檢傷方法包括如下步驟：
步驟100：發射和接收超音波，即：所述超音波發生器發射超音波，由於，超音波發生器耦合在夾芯板上，超音波經過夾芯板預檢傷位置傳向所述超音波接收器，所述超音波接收器接收該超音波。
該發明具體實施例中，使用主頻為45千赫茲，直徑38毫米的超聲換能器對夾芯板進行檢測。檢測時採用脈衝反射法，其中一個超聲換能器作為超音波發生器，另一個超聲換能器作為超音波接收器，兩換能器中心間距為200毫米。為了方便進行換能器的定位，先在夾芯板的表面打上以100毫米為刻度的格線，並用圓規在格線的交點上以略大於換能器半徑的尺寸為半徑畫上圓。該發明為了使超聲換能器能與鋼板較好的耦合在一起，採用黃油作為耦合劑。
步驟200：獲取超音波波形圖：將超音波傳播路徑分為四種途徑：超音波經過一次垂直反射後沿鋼板傳播到達超音波接收器，超音波經過一次斜反射後直接到達超音波接收器，超音波經過兩次垂直反射後沿鋼板傳播到達超音波接收器，超音波經過兩次斜反射到達超音波接收器，獲取以上四種傳播途徑超音波波形圖。
如圖2所示，具體來說，將超音波傳播路徑四種途徑為：超音波縱波在鋼板中的傳播速度為5800米/秒，面波在鋼板中的傳播速度約為2900米/秒。實測超音波在EPS芯材中的傳播速度為625米/秒。對於傳播途徑一：超音波經過一次垂直反射後沿鋼板傳播到達超音波接收器，計算得到超音波經過一次傳播途徑一傳播到達接收器的時間為
；對於傳播途徑二：超音波經過一次斜反射後直接到達超音波接收器，計算得到超音波經過一次傳播途徑一傳播到達接收器的時間為
；對於傳播途徑三：超音波經過兩次垂直反射後沿鋼板傳播到達超音波接收器，計算得到超音波經過一次傳播途徑三傳播到達接收器的時間為
；通對於傳播途徑四：超音波經過兩次斜反射到達超音波接收器，計算得到超音波經過一次傳播途徑四傳播到達接收器的時間為
。可見對於無損傷板，其底面一次回波到達時間分布在310微秒和410微秒之間，二次回波時間分布在567微秒和605微秒之間。
步驟300：分析夾芯板損傷：根據獲取的四種傳播途徑的超音波波形圖分析夾芯板的損傷。
以下實施例中的夾芯板尺寸為2000×1000×80毫米，其中芯材厚度80毫米，上下鋼板厚度0.6毫米，具體分析過程如下：
一、對夾芯板無損傷位置的損傷探測分析。
對於夾芯板無損傷位置，首先將超音波發生器和超音波接收器分別耦合於夾芯板預檢傷位置兩端，然後超音波發生器發射超音波，由於，超音波發生器耦合在夾芯板上，超音波經過夾芯板預檢傷位置傳向所述超音波接收器，所述超音波接收器接收該超音波。
如圖3所示，無損位置的超音波回波信號和小波分析結果圖中，超音波原始信號和經小波分解後，小波分解的一層和二層指的是採用小波函式對信號進行逐級分解的結果中的第一級和第二級的細節信號的結果，結果很好的顯示出了超音波通過途徑一、二和三到達接收器的信號到達時間。小波分解的三層和四層指的是採用小波函式對信號進行逐級分解的結果中的第三級和第四級的細節信號的結果。小波分解結果得到的波形比較規則，其包絡線均可表示為從200微秒到400微秒和從400微秒到800微秒的兩個峰值差不多的波，首波到達時間約為180微秒。該專利中主要是給出各種損傷情況下的夾芯板表現出來的超聲信號的結果的不同性狀。之後在工程實際中就可以通過將實際中測得的信號與這些性狀進行比較，來判斷夾芯板有無損傷，以及夾芯板的損傷類型。
具體來說：採用小波對信號分解的過程實質上就是從多尺度分析的角度，使用不同解析度逐級逼近待分析函式x（t），即使用低通和高通濾波器對信號進行逐級分解，用離散平滑逼近反映原始信號的概貌情況和使用離散細節信號反映原始信號的細節。採用Mallat算法對信號進行分解，由上一級的離散平滑信號分別與低通濾波器係數和高通濾波器係數取卷積，得到下一級的離散平滑信號和離散細節信號。小波分解變換結構如圖4所示。
二、對夾芯板拼縫位置的損傷探測分析。
對存在芯材拼縫的夾芯板區域進行了超音波檢測，該實施例中，拼縫寬度為8毫米，超音波發生器和超音波接收器分別耦合於拼縫位置兩端，超音波發生器發射超音波，由於，超音波發生器耦合在夾芯板上，超音波經過夾芯板預檢傷位置傳向所述超音波接收器，所述超音波接收器接收該超音波。
如圖5所示，在拼縫位置的超音波信號的一層和二層小波分解結果很好的顯示出了超音波通過途徑一和途徑三到達接收器的信號到達時間，通過途徑二傳播的信號到達時間識別效果較差，可見拼縫在一定程度上阻礙了超音波通過途徑二的傳播；此外在450微秒和480微秒左右處小波分解一層結果顯示出另有超音波信號通過其它途逕到達接收端，也為判斷板的損傷情況提供了依據。其三層、四層小波分解結果得到的波形較紊亂，波能量較小，其包絡線形狀也比較不規則，首波到達時間提前到150微秒左右。
三、對夾芯板芯材與面板脫膠位置的損傷探測分析。
夾芯板芯材與面板脫膠可分為兩種，一種是上層面板與芯材脫膠，一種是下層面板與芯材脫膠。EPS芯材與鋼面板之間發生脫膠之後，形成了一個相當粗糙的邊界層，這樣的邊界層將大大降低超音波的透射率，同時也將使超音波在邊界上發生漫反射現象。該發明中，超音波發生器和超音波接收器分別耦合於夾芯板芯材與面板脫膠位置兩端，超音波發生器發射超音波，由於，超音波發生器耦合在夾芯板上，超音波經過夾芯板預檢傷位置傳向所述超音波接收器，所述超音波接收器接收該超音波。
（一）對夾芯板芯材與上層面板脫膠位置的損傷探測分析。
如圖6所示，當夾芯板上層面板與芯材發生脫膠時，上層面板脫膠情況的小波分解一、二層結果只能識別出超音波通過途徑二傳播到達接收器的信號到達時間；另外，在200微秒到300微秒之間的峰值顯示出另有超音波信號通過其它途逕到達接收端。其三、四層小波分解結果得到的波形比較規則，首波到達時間提前到150微秒左右，其包絡線形狀為兩個連續的峰值均等的波，分布區域分別為從150微秒到340微秒和從340微秒到550微秒，之後能量幅值嚴重衰減。
（二）對夾芯板芯材與下層面板脫膠位置的損傷探測分析。
如圖7所示，當夾芯板下層面板與芯材發生脫膠時，下面板與芯材之間脫膠情況與上面板的類似，小波分解一、二層結果基本無法識別出通過以上描述的四個途徑傳播到達接收器的超音波信號；另外，在200微秒到300微秒之間的峰值顯示出另有超音波信號通過其它途逕到達接收端。其三、四層小波分解結果得到的波形比較規則，首波到達時間提前到140微秒左右，其包絡線形狀為兩個連續的波，第二個波的能量要比第一個波的能量小得多，分布區域分別為從140微秒到340微秒和從340微秒到600微秒，之後能量幅值嚴重衰減。
由於穿透鋼板入射到EPS芯材中的超音波能量本來就只占總能量的小部分，再加上由於上下面板與芯材脫膠產生了粗糙的空氣界面，導致超音波入射到芯材中的能量嚴重減少，並且在分界面上發生凌亂的漫反射現象，所以通過底面鋼板反射回來的超音波能量大大減少且到達時間變得更加離散，小波分析結果基本無法識別出底面回波的信號。另外，由於在上面板脫膠情況中，超音波要比下面板脫膠情況中在粗糙界面上多反射了一次，所以其能量衰減比下面板脫膠情況的更為嚴重。
四、對面板為鋼板的夾芯板的表面鋼板凹陷位置的損傷探測分析。
夾芯板在正常使用過程中很有可能會受到撞擊引起表面鋼板的凹陷，有時候這種損傷發生在不方便觀察的一面，這時候就需要用到超音波來檢測夾芯板的損傷。一般而言，凹陷損傷的面積比較小，以下實施例中，凹陷損傷的區域是長寬均大約為10厘米的區域。該發明中，超音波發生器和超音波接收器分別耦合於夾芯板表面鋼板凹陷位置兩端，超音波發生器發射超音波，由於，超音波發生器耦合在夾芯板上，超音波經過表面鋼板凹陷位置傳向所述超音波接收器，所述超音波接收器接收該超音波。因此，這裡對凹陷與兩個超音波換能器的三種不同相對位置情況的損傷檢測如下：
（一）凹陷損傷位於兩個換能器之間。
如圖8所示，一層和二層小波分解結果很好的識別出了通過途徑一傳播到達接收器的超音波信號；通過其它三種途徑傳播到達的超音波信號基本無法識別，說明其它三種傳播途徑受到破壞，為識別夾芯板損傷提供依據；其三、四層小波分解結果得到的波形比較規則，首波到達時間約為140微秒，包絡線形狀近似為一個從140微秒到400微秒的波，400微秒之後的超音波能量大幅衰減。這主要是因為中間位置處的下面板凹陷嚴重影響了超音波斜反射的方向，以及超音波的傳播，導致經過斜反射到達接收器的超音波能量大幅減少。
（二）凹陷損傷位於超音波接收器下方。
如圖9所示，一、二層小波分解基本無法在期望的時刻看到超聲回波信號到達接收器；另外，在200微秒到250微秒之間可發現有超音波信號通過其它傳播途逕到達接收器。其三、四層小波分解結果得到的波形與凹陷損傷位於兩個換能器之間的情況非常相似，比較規則，首波到達時間約為150微秒，包絡線形狀近似為一個從150微秒到400微秒的波，400微秒之後的超音波能量大幅衰減。可見超音波接收器下方的材料健康狀況對超聲回波信號的影響很大。
（三）凹陷損傷位於超音波發射器下方。
如圖10所示，一、二層小波分解結果識別出了通過途徑一傳播到達接收端的超聲回波信號；另外在480微秒左右和200微秒到250微秒之間識別到通過其它途徑傳播的超音波信號。三、四層小波分解結果得到波形比較規則，其首波到達時間約為150微秒，包絡線形狀近似為一個從150微秒到400微秒和一個從500微秒到800微秒的波，兩個波的峰值差不多，在400微秒和500微秒之間到達的超音波能量很小。
對比以上三種情況可以發現：當凹陷位置位於信號發射器與接收器之間或位於信號接收器下方時，接收器接收到的超音波信號相似，都是在300微秒之後能量大幅度減少；當凹陷位置位於信號發射器的正下方時，信號接收器接收到的超音波信號在兩個能量波峰之間出現了一個長達100微秒的能量低潮區。
榮譽表彰
2017年12月11日，《一種基於小波分析的夾芯板超音波檢傷方法及套用》獲得第十九屆中國專利優秀獎。
