文摘

纵调制(VAM)技术可能是最广泛使用的非线性裂纹检测方法。VAM方法是基于调制的影响高频声波的低频振动。调制的强度与破坏的严重性和迄今为止使用损伤指数。损伤指数仅仅基于第一个边带的振幅谱域通常会导致争议的结果损害的严重程度。在这部作品中,非线性特征vibro-modulation被采用时频分析的基础上,系统地研究Zhao-Atlas-Marks(祖阿曼)分布。分析结果表明,边带分量的振幅调制低频振动和调制振幅的大小取决于裂纹。结果的基础上,定义一个新的损伤指数的强度调制。新的损伤指数更敏感更健壮和更好地与裂纹尺寸相关指数相比基于显然的振幅。

1。介绍

结构或非均质缺陷表现出很强的非线性振动和声学效果。特别强烈的非线性效应和裂缝中观察到的结构。这些影响包括更高的谐波和互调的一代高频声波的低频振动(1),并提供开发不同的无损检测技术的基础。

声调制(VAM)方法是基于一个高频超声波探测波传播的结构是由一个低频调制的振动。产生的调制波的非线性相互作用引起的裂缝的存在。背后的机制,然而,这些影响还知之甚少,(2- - - - - -4]。VAM现象通常是在频域测量并表现为显然在承运人的超声波频率等于总和和不同的激励频率及其整数倍。调制效应曾被观察到在几个应用程序。Ekimov et al。5)采用高频扭转波的VAM裂纹检测杆。扎伊采夫et al。6)提出了应用裂纹检测的非线性调制结构,讨论了非线性损伤结构的可能来源。Donskoy和好的7]VAM用来研究裂缝的存在,分层或质量差的结合。VAM技术的进一步应用中可以找到Zagrai et al。8]研究裂纹检测铝盘子。Duffour et al。9)调查的敏感性VAM技术,比较了传统阻尼测试impact-based声调制。大多数现有的相关研究在金属结构损伤的检测。最近,研究应用的VAM技术复合结构(10,11)和手性三明治板(12已报告。

VAM申请时损伤检测、损伤指数定义相关的大小对强度调制的破坏。这些指数依赖于载波频率的振幅显然。尽管VAM成功应用在各种损伤问题,看来目前使用的损伤指数在频域是不准确的,在许多情况下提供不可靠的结果(13]。

目前工作的主要目的是探讨声调制在时频域采用时频分析基于Zhao-Atlas-Marks(祖阿曼)分布,具有明显的优势减少信号之间的交叉项组件,通过锥形内核函数。我们假设在时域调制响应的特征可能会被证明是更敏感的相比在频域和的组合都可能导致损伤更敏感的指标和鲁棒性。此外,相信调制响应的时频分析可以强调潜在的非线性机制,使更有效的损伤诊断方法的应用。

2。方法

2.1。声调制(VAM)技术

在结构损伤(如裂缝)、强非线性振动和声学效果发生。利用这些现象导致声调制(VAM)技术的形成,这可能是使用最广泛的非线性,无损检测(NDT)方法对裂纹检测。特别是,VAM技术包括监测高频调幅 振动场通过标本进行额外的低频(破碎 )结构振动(通常是第一个结构模式)。如果标本未损坏的和适当的支持,两个振动字段不互动。但是如果存在裂缝,低频结构振动慢慢地打开和关闭裂缝。这个定期修改系统的动态特性,因此,调节超声波的振幅传播通过标本破碎。这一调制表现显然( 高频组件) 频率等于总和和不同的激励频率及其整数倍,也就是说, 调制的强度与破坏的严重性和迄今为止使用光谱FFT-based损伤指数( )的形式 在哪里 表示FFT在第一个级左右显然 ,分别。

2.2。Zhao-Atlas-Marks(祖阿曼)分布

时频分析(TF)提供了手段利用的能源相关特征裂缝响应信号在时间和频率可能会有所不同。许多TF方法受到交叉项的外观的影响,恶化了歧视权力在TF域。为了避免这种扭曲,Zhao-Atlas-Marks(祖阿曼)分布7]采用作为方法论的工具来表达的信息清晰地在TF域。特别是,祖阿曼分布属于的类别和二次时频表示,尤其是群减少干扰分布(rid)。rid科恩类的成员,因此,对于一个时间序列 ,他们可以被描述为以下通式: 在哪里 和 分别表示时间和频率 和 分别表示延迟和多普勒模糊的飞机。 表示模糊度函数,它与能量通过一个二维傅里叶变换(8]。 是所谓的,参数化或内核函数。祖阿曼分布推导出通过选择核函数如下: 在哪里 是一个窗口函数,沿频率轴导致平滑。因此,可以获得以下表达式定义祖阿曼的地理分布: 祖阿曼分布中被选中的rid由于其显著的优势,减少信号之间的交叉项组件,通过锥形内核函数(4)[7]。在目前的研究中,ZAM-based TF表示计算下 特遣部队的决议; 表示信号样本的数量。使用汉明窗平滑了 样品和 样品时间和频率,分别。

2.3。ZAM-Based调制效应分析

时间序列的祖阿曼分布 梁的VAM刺激反应,也就是说, ,更详细的剥削的调制效应可以通过分析的平均振幅和波动 在主显然( )在高频组件, ,还有的平均振幅和波动 在 激励频率, 。从这个角度看,平均值和变化幅度波动的动态范围,结合检测光谱特性的波动,可能与裂纹深度和提供洞察裂缝的存在会影响梁的方式在VAM刺激反应。

3所示。实验

测试进行树脂玻璃梁获得非线性调制响应进行进一步的信号处理。实验中使用的梁尺寸的2×2×40厘米,他们夹在两个沉重的钢嘴。为了避免额外的衰减和失真由于联轴器,梁很兴奋的力量 通过使用一个小的声音线圈权重2 gr在梁。线圈放置在永久磁铁,被两个波形生成器使用窦兴奋信号。一个微型传感器用于振动响应,被转移到一个采集系统和存储进行进一步分析。一个非常狭窄的最初引入光束。接下来,梁受到控制的动态加载导致裂纹扩展。由于树脂玻璃的结构,无法准确控制裂纹的传播导致任意裂纹深度。Bruel和4393·卡亚尔:压电传感器是用于高频激励。示意图表示和实际实现的照片设置在数据描述1(一)和1 (b),分别。介绍了最初,7%的疲劳裂纹深度 毫米的夹紧。然后,它的深度是最后的20%上升到45%。实验过程中两个连续正弦波同时引入梁。第一个 高频超声探头是波 kHz。第二波 低频振动的频率 赫兹,等于完整梁的共振频率。使用的采样频率是192千赫。图2描述了一段节选的测量响应无裂缝的三种不同裂纹深度情况下((a) (d)),分别。从图可以看出1,强烈调制组件存在和增加随着裂纹深度。

(一)
(一)
(b)
(b)
图1
示意图表示(A)和(b)的实际实现的实验装置。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图2
实验数据摘录(8192样品,采样频率192 kHz)中使用的祖阿曼无裂缝的分析,7%,20%,和45%的裂纹深度情况下((d) (a))。

4所示。结果与讨论

图3显示了估计 图中所示的数据2的四个检查裂纹深度,0%,7%,20%,和45%,放大的面积 kHz。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图3
祖阿曼的结果分析的实验数据图2(0%),7% (c), 20% (b)和45% (d)裂纹大小,分别。

显然,从这些情节很明显,一系列的 显然是明显的 在 赫兹和 赫兹是最明显的,而其余的人。值得注意的是随着裂纹深度的增加45%(图3 (d))的波动 频率是注意到,而有一个更集中的活动 整个时间轴(峰值的形式而不是频率山脊线),指示,可能“breathing-crack”机制的存在。应该注意的是,后者的行为也注意到在时域(见图2),当我们从0%到45%的裂纹深度。更具体地说,呼吸的周期性行为机制显然注意到调制振幅的时间序列,一个更深刻的例子是20%的情况下裂纹深度(图2 (c)),其中的92赫兹频率驱动呼吸效应。然而,当聚焦在高频区域,随着subfigures图3做,只有45%的情况下裂纹深度反映的后果在中央和侧lobe-frequencies呼吸效应,如前所述(参见图吗3 (d))。

估计的振幅 的图3在相应的VAM频率,31392赫兹(a), 31300赫兹(b),和31208赫兹(c)为每个裂纹大小(0%,7%,20%,45%),分别在图中进行了描述4。从后者,很明显, 振幅成反比的裂纹深度,而振幅波动 随着裂纹深度的增加也会增加。这可能是有道理的,因为考虑到非线性耗散效应的发生由于“裂纹呼吸”,随着裂纹深度的增加更明显。此外,有明显的周期性的振幅调制的情况下 (图4 (b));明显,但不是很强烈的,一个是明显的调幅 。这是进一步检查图5,祖阿曼的振幅波动的频谱变换在相应的VAM频率,也就是说,31392赫兹(a), 31300赫兹(b),和31208赫兹(c),裂纹尺寸的45%,分别说明。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图4
本级祖阿曼变换的振幅波动VAM频率,也就是说,31392赫兹(a), 31300赫兹(b),和31208赫兹(c)为每个裂纹大小(0%,7%,20%,45%),分别为。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图5
祖阿曼的振幅波动的频谱变换在相应的VAM频率,也就是说,31392赫兹(a), 31300赫兹(b),和31208赫兹(c),分别裂纹大小的45%。

很明显,从图5,低励磁频率 赫兹调节的振幅 (图5 (b)),而主要的第一谐波 ,也就是说, 赫兹,使振幅波动 (数据5(一个)和5 (c)、职责)。

集中在45%的裂纹深度情况下,频率调制(山脊变动)如图3 (d)进一步检查。特别是,图6揭示了相应的光谱特性的调制的VAM频率,也就是说,31392赫兹(a), 31300赫兹(b)和31208赫兹(c)。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图6
祖阿曼的频率调制的频谱变换在相应的VAM频率,也就是说,31392赫兹(a), 31300赫兹(b),和31208赫兹(c),分别裂纹大小的45%。

类似于祖阿曼的振幅调制的频谱特征变换如图5激励频率较低 赫兹调节频率波动 (数据6(一)和6 (c)、职责),而一个共存的 和 赫兹调节的频率波动 (图6 (b))。单独的损伤指数(sDI)(规范化的对应值45%裂纹深度情况下偏见消除了裂纹深度情况下0%)的基础上 (第一行),极大极小范围(第二行),相应的标准差(第三行)祖阿曼的变换,以及规范化的FFT级(第四行),在相应的VAM频率,也就是说,31208赫兹(左列),31300赫兹(中间列),和31392赫兹(右列),分别在图所示7。从后者推断的敏感性 根据裂纹深度变化明显高于所有其他sDI,主要捕获的过渡从20%到45%裂纹深度,表现出低效率的性能跟踪小裂缝。


图7
单独的损伤指数(sDI)的基础上 (第一行),极大极小范围(第二行),相应的标准差(第三行)祖阿曼的变换,以及规范化的FFT级(第四行)在相应的VAM频率,也就是说,31208赫兹(左列),31300赫兹(中间列),和31392赫兹(右列)。注意,FFT-based分析,只有31208赫兹(左列)和31392赫兹(右列)认为,由于FFT在中央高频振幅(31300赫兹)作为归一化因子。此外,在ZAM-based分析,所有值估计0.006 - -0.036秒的时间跨度为避免边缘效应,当所有数据样本获得(92001)被用于FFT-based分析增加其频率分辨率。

因此,sDI的平均值的情况 (图7第一行)可以被定义为最有效ZAM-based DI,即 。图8描述了 随着 中定义的(2)。显然, 超过 高灵敏度的裂纹深度变化,更好地捕捉裂纹的变化,甚至在小裂纹深度。


图8
损伤指数(DI)派生的平均值sDI的情况 (图7,第一行) 和 (图7,第四行) 。增加的敏感性 在 是很明显的。

比较了工作时的扎伊采夫et al。6裂纹检测),类似的行为可能会被识别。两个作品得出损伤指数基于振幅调制比基于频率调制。然而,后者损伤指数(6)出人意料地增加nonmonotonically随着裂纹的严重程度增加;在这里,因为它是来自图7(第二和第三行),损伤指标的基础上,频率波动(祖阿曼的范围和std)分布与裂纹深度增加单调,展示,不过,减少敏感的小裂缝识别。反过来,这是补偿的损伤指数基于逆祖阿曼振幅。此外,分析(6是容易mode-mixing效应;也就是说,一个固有模态函数(IMF)来自从业经验模态分解(6)由不同尺度的信号或信号类似规模的驻留在不同的国际货币基金组织(IMF)组件。Mode-mixing往往是间歇性的信号,这可能不仅导致严重的混叠的时频分布,但也使个人国际货币基金组织(IMF)的物理意义不清楚(9]。原因也许mode-mixing效应可能是扎伊采夫的异常行为等。6基于频率调制)损伤指数。这里提出的分析不会产生任何mode-mixing效果,因为它显然是显示时频分布的图3,使相关的损伤指数更健壮的间歇性的任何信号。

5。结论

在这部作品中,调查了声调制的光束在时频域中,利用时频分析基于Zhao-Atlas-Marks(祖阿曼)分布。祖阿曼的有效的时频表示振动信息,减少了交叉项信号组件之间通过其锥形核函数,允许详细的监测VAM影响梁的行为由于裂缝的存在。采用的假设,即在时域调制响应的特点可能被证明是更为敏感相比在频域和的组合都可能导致损伤指标更敏感和健壮,被证明是有效的。这是合理的实验结果推导出当应用VAM树脂玻璃梁不同裂纹深度的0%,7%,20%,45%。考虑到祖阿曼域和反应,特别是减少意味着祖阿曼在显然激发高频振幅随着裂纹深度的增加一个新的损伤指数形成,也就是说, 。后者导致一个更加敏感的反应相比,基于光束的光谱特征响应,也就是说, ,更好的捕捉裂纹变化,即使在小裂纹深度。这里介绍的有前景的结果使更高效的应用程序无损损伤诊断方法的应用程序。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。