板类结构非对称缺陷的超声兰姆波衍射层析成像方法研究

In view of Lamb wave diffraction tomography for an idealized model of symmetric defects currently ignoring the mode coupling effects, this project presents a theoretical and experimental investigation of Lamb wave diffraction tomography for defects that are most likely to be found in practical plate-like structures. For some asymmetric defects such as blind holes in plates, the scattering and mode conversion mechanism of the interaction of Lamb waves with defects is theoretically studied so as to realize fast high-precision solution to Lamb wave scattering acoustic field. The relationship between scattering spectrum and objective function characterizing defects under Born approximation is established, which forms the basis for efficient parametric inversion and image reconstruction. Linear inversion algorithm is developed to adjust the near-field scattering model and image reconstruction of incomplete projection data. This project will break through the limitation of the current single parameter inversion, enabling the simultaneous reconstructions of the defect size and severity. The excitation, propagation and best reception are experimentally studied. The foundation and conditions of Lamb wave diffraction tomography used for asymmetric defects and the recognition, extraction and processing of multimode Lamb wave signals are researched from the technique and methodology. This project will promote Lamb wave diffraction tomography to a new level, and provide a new way of thinking and theoretical basis for Lamb wave quantitative nondestructive evaluation of asymmetric defects, with important scientific significance and application prospects.

鉴于目前国际上基于对称缺陷理想模型的兰姆波衍射层析成像忽略了模式耦合的影响，本项目提出更接近实际板类结构缺陷的兰姆波衍射层析成像的理论和测试方法。针对板中某种非对称缺陷如盲孔：从理论上研究兰姆波与缺陷相互作用发生散射和模式转换的传播机理，实现兰姆波散射声场的高精度快速求解；建立Born近似下兰姆波散射波谱与描述缺陷的目标函数之间的关系，形成有效的缺陷参数反演和图像重建的基础；发展有效的反演算法以适用近场散射模型和不完全投影数据的图像重建；突破目前单参数反演的局限性，实现对缺陷尺寸和严重程度的同时重建。从实验上研究兰姆波信号的激发、传播和最佳接收。从技术和方法上研究衍射层析成像在非对称缺陷兰姆波检测中应用的基础和条件，以及多模式兰姆波散射信号的识别、提取和处理。本项目将兰姆波衍射层析成像推向一个新的层次，为非对称缺陷的兰姆波定量无损评价提供一种新思路和理论依据，具有重要的科学意义和应用前景。

针对当前兰姆波衍射层析成像中忽视模式耦合的影响以及假定远场散射条件，本项目提出更接近实际板类结构缺陷的兰姆波衍射层析成像的理论和测试方法，取得了一系列具有理论和实际价值的基础性研究成果。主要包括：①兰姆波与非对称盲孔缺陷相互作用的模型建立和理论分析。采用不同理论模型，研究了三种基本导波模式S0、A0、SH0与部分穿透孔缺陷之间的相互作用，对这三种模态的远场散射特性进行了分析，并对不同模型方法的结果进行了比较；②采用现代信号分析方法有效去除兰姆波检测信号中的冗余信息和识别多个模态。将匹配追踪方法用于兰姆波检测信号的分析，在Chirplet原子基础上添加弯曲算子进行改进，以更好地匹配频散和多模式兰姆波信号的特征。研究了基于学习训练过完备字典的匹配追踪方法，可根据兰姆波信号的特点自适应地构造字典库。这些方法的运用能较好地去除噪声等无效冗余信息，有效地识别和分离兰姆波的多模式，改善兰姆波特征信息的清晰度和特征提取的精度；③基于稀疏重建的兰姆波结构损伤定位。因为利用了功能强大的稀疏重建技术，当结构中存在多个缺陷、多模式以及测量信号中含有噪声时，该方法比一般方法如延迟求和法更为适用；④利用散射场信息的兰姆波衍射层析成像方法研究。对不同形状的缺陷，分析比较了前向和后向、转换和非转换兰姆波模式散射场数据的层析成像结果，结果表明：采用非转换模式的全散射场数据可以较好地重建出不同形状的缺陷;⑤兰姆波瞬态散射声场的可视化。不同时刻的瞬态散射声场直观的显示了兰姆波和缺陷的相互作用，有助于理解波的传播和散射过程。本项目的研究成果为兰姆波衍射层析成像在板类结构非对称缺陷无损检测中的实际应用提供了理论支撑。