用于各向异性复合材料全矩阵超声成像的高效波数法

《INTERNATIONAL JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCES》：Efficient wavenumber method for full-matrix ultrasonic imaging in anisotropic composites

　　

• 本文提出的方法能够准确重构各向异性准纵波波前。
• 各向异性波数计算一次后即可用于波场外推。
• 适用于各种碳纤维增强聚合物层压板及各向同性/碳纤维增强聚合物多层结构。
• 在成像效率与精度之间取得了良好的平衡。
• 该方法对各种常规碳纤维增强聚合物材料均有效。

引言
碳纤维增强聚合物（CFRP）因其优异的性能而被广泛应用于航空航天、交通运输、储能等领域。尽管CFRP制造技术不断进步，但内部缺陷可能会影响服役安全。因此，CFRP部件的无损检测至关重要。超声波全矩阵成像因其高分辨率而被广泛应用于工业无损检测。全矩阵采集涉及依次激励阵列元素并记录反射信号，产生包含详细波场信息的全矩阵数据集。

基于全矩阵数据的传统成像方法主要包括全聚焦方法和相移偏移。这些方法主要适用于声学参数不随波传播方向变化的各向同性材料。全聚焦方法通过根据阵列元素与图像像素之间的传播时间对全矩阵数据中的相应振幅求和来重构内部缺陷图像。由于其简单可靠，全聚焦方法已成为全矩阵成像的标准方法。

基于Christoffel方程的方法通过更准确地计算体波传播时间来改进传统全聚焦方法的成像精度。基于射线的均匀模型也通过改进传统全聚焦方法中的传播时间计算来提高精度，同时避免了复杂材料参数和计算的需求。

本研究提出了一种高效的全矩阵成像方法，用于检测各向异性碳纤维增强聚合物层压板和多层复合材料中的内部缺陷。该方法将各向异性直接引入频率-波数色散关系中，利用基于均匀模型校准的准纵波群速度分布导出的准纵波相速度分布。所得的各向异性波数关系能够高效地进行相移外推和碳纤维增强聚合物层压板及多层复合材料中的准纵波波场重构以实现缺陷成像。

论文结构：
- 第2节：介绍提出方法的理论基础
- 第3节：使用仿真和实验验证模型精度
- 第4节：通过八组仿真评估方法性能
- 第5节：通过四个实验案例验证方法
- 第6节：讨论方法性能和潜在改进
- 第7节：结论

CRediT作者贡献声明：
张伟：初稿撰写、可视化、软件、方法论、调查研究、形式分析、数据管理、概念设计
贾凯鹏：审阅与编辑、验证、调查研究、数据管理、概念设计
邱业庆：调查研究、数据管理
潘一峰：调查研究
郑晨：调查研究
杨东：调查研究
赵鹏：审阅与编辑、验证、监督、资源、项目管理、调查研究、资金获取

作者：张伟、贾凯鹏、邱业庆、潘一峰、郑晨、杨东、赵鹏