基于激光超声的热防护材料损伤检测技术研究

作     者：李圣贤 

作者单位：南京航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱永凯

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：激光超声 热防护材料 信号处理 损伤检测 缺陷重构 

摘      要：热防护材料的结构健康状况将直接影响高超音速飞行器的飞行安全,热防护材料制造及使用过程中的损伤检测是保障材料结构特性完整的前提。而激光超声技术是一种融合了光学法与超声检测法的新兴无损检测技术,以其非接触、频带宽、波型丰富及能远距离工作等优势被广泛用于新型材料的损伤检测。本文旨在研究一种基于激光超声的热防护材料损伤检测技术,通过处理、分析检测回波信号实现热防护材料的厚度检测及内部缺陷定位。首先,本文基于ANSYS软件建立了材料模型,通过热应力耦合分析仿真研究了激光超声波在含缺陷材料内部的传播过程。其次,提出了一种基于小波降噪、切比雪夫带通滤波及Morlet连续小波变换的混合改进型激光超声信号处理及包络提取算法,可实现对激光超声回波信号降噪、截取窄带信号及提取信号包络幅值谱,并对比Hilbert包络提取算法验证了该算法提取的信号包络具有较高的光滑度及分辨率。此外,为了使信号处理结果可视化程度更高,本文基于Matlab GUI设计了一种可视化软件系统,该系统主要包括信号处理模块、厚度检测及缺陷定位模块,具有良好的显示效果且实时性较高。最后,研究了温度对激光超声信号的影响,并拟合出不同温度下的超声波波速计算公式。基于搭建的激光超声无损检测系统分别进行了热防护材料的厚度检测、内部缺陷检测及定位实验研究,并分析了测量误差及定位误差产生的原因,实验证明该技术具有较高的检测精度。最后,基于三次样条插值算法实现了对材料截面的二维重构,通过与超声相控阵B扫图像对比,分析了两种技术进行热防护材料损伤检测的独特优势。根据上述理论及实验研究说明本文提出的信号处理及包络提取算法具有良好的检测及定位效果,从而证明本文基于激光超声进行热防护材料损伤检测的技术是切实可行的。