本技術(shù)涉及高溫結(jié)構(gòu)的損傷檢測系統(tǒng)和方法，尤其涉及基于超聲導(dǎo)波的高溫結(jié)構(gòu)的損傷檢測系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

1、針對高超聲速飛行器的迎風(fēng)面高溫氣流損傷，其導(dǎo)波監(jiān)測原理為：將與飛行器的內(nèi)表面一體化集成，在飛行器的內(nèi)表面利用主動激發(fā)導(dǎo)波信號傳遞到迎風(fēng)面高溫區(qū)，通過布置的傳感器網(wǎng)絡(luò)組成區(qū)域接收響應(yīng)信號。迎風(fēng)面健康狀態(tài)下的響應(yīng)信號為基準(zhǔn)信號，導(dǎo)波信號在傳播過程中遇到的迎風(fēng)面高溫氣流損傷后傳播特性會產(chǎn)生變化，這種損傷狀態(tài)下的響應(yīng)信號為監(jiān)測信號，通過對比分析基準(zhǔn)信號與監(jiān)測信號時域、頻域、時頻域特征的變化，如信號的幅值、相位、能量等，來對迎風(fēng)面高溫氣流損傷進(jìn)行評估。

2、申請人提出了一種基于復(fù)合超聲導(dǎo)波的高溫結(jié)構(gòu)體損傷在線監(jiān)測系統(tǒng)和方法，公開號cn117233259a，本文對其全文引入。該系統(tǒng)可以用于監(jiān)測高溫飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)損傷，其中雙熱緩沖層一發(fā)一收模式傳播原理測量高溫飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)損傷的原理如圖1所示，測量信號由激勵傳感器s1發(fā)射，以縱波形式沿第一熱緩沖層b1傳播，進(jìn)入高溫飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)內(nèi)，以lamb波形式在高溫板殼結(jié)構(gòu)體d內(nèi)傳播，再經(jīng)過第二熱緩沖層b2被接收傳感器s2采集。

3、為了考察不同尺寸的熱緩沖層的隔熱效果，不同溫度下隔熱探頭的超聲導(dǎo)波信號收發(fā)能力以及所提出的系統(tǒng)在不同溫度下的損傷檢測有效性，設(shè)計了帶熱緩沖層的隔熱探頭構(gòu)成的隔熱換能器陣列。隔熱探頭陣列中的每個隔熱探頭都包括壓電換能器和壓電換能器下方的熱緩沖層。每對隔熱探頭組成一個探測路徑，其中一個隔熱探頭作為激勵隔熱探頭提供超聲波，即第一縱波，另一個隔熱探頭作為接收隔熱探頭接收由鋁合金平板傳遞的lamb波和第一縱波的復(fù)合超聲導(dǎo)波。

4、通過分布式布置的隔熱探頭組成超聲導(dǎo)波信號收發(fā)網(wǎng)絡(luò)，在結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)下收集基準(zhǔn)信號，在結(jié)構(gòu)疑似發(fā)生損傷時收集監(jiān)測信號，信號特征與損傷程度之間的對應(yīng)關(guān)系被稱為“損傷因子”，針對不同的能量傳遞模式，損傷因子有不同的表達(dá)形式。

5、損傷因子表征信號路徑控制區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)損傷嚴(yán)重程度與導(dǎo)波信號特征變化的關(guān)聯(lián)性，通過對監(jiān)測損傷因子變化趨勢可以識別損傷發(fā)生并定量地分析損傷擴(kuò)展規(guī)律。熱防護(hù)系統(tǒng)損傷的可以簡化成結(jié)構(gòu)阻尼的損失、結(jié)構(gòu)幾何形狀的變化與結(jié)構(gòu)熱性能的變化，同時影響超聲導(dǎo)波的模態(tài)與幅值。板殼類結(jié)構(gòu)中l(wèi)amb波信號傳播模態(tài)比較規(guī)則，損傷會導(dǎo)致導(dǎo)波幅值、相位和頻譜分布等信號特征發(fā)生變化。傳統(tǒng)超聲導(dǎo)波損傷診斷方法中常用不同條件下的信號能量或損傷信號與基準(zhǔn)信號間的相關(guān)系數(shù)作為損傷因子來表征信號路徑控制范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)損傷嚴(yán)重程度，但這種表征難以得到準(zhǔn)確的結(jié)果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本技術(shù)的目的之一在于解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提出一種改進(jìn)的結(jié)構(gòu)超聲導(dǎo)波健康監(jiān)測方法和系統(tǒng)。

2、為此，本技術(shù)的一些實(shí)施例提出了基于變分模態(tài)分解及模糊熵的高溫結(jié)構(gòu)超聲導(dǎo)波健康監(jiān)測系統(tǒng)，基于變分模態(tài)分解及模糊熵的高溫結(jié)構(gòu)超聲導(dǎo)波健康監(jiān)測系統(tǒng)，其包括第一隔熱探頭作為縱波激發(fā)部件，包括激勵壓電換能器和附連所述激勵壓電換能器第一熱緩沖結(jié)構(gòu)，所述激勵壓電換能器通過所述第一熱緩沖結(jié)構(gòu)附連于所述板殼結(jié)構(gòu)體以將激勵壓電換能器提供的激勵頻率的激勵以縱波形式傳導(dǎo)至板殼結(jié)構(gòu)體的與高溫表面相對的冷表面；至少一個第二隔熱探頭作為復(fù)合超聲導(dǎo)波接收部件接收復(fù)合超聲導(dǎo)波，包括接收壓電換能器和附連所述接收壓電換能器的第二熱緩沖結(jié)構(gòu)，所述接收壓電換能器通過所述第二熱緩沖結(jié)構(gòu)附連于所述板殼結(jié)構(gòu)體以將所述板殼結(jié)構(gòu)體傳導(dǎo)的復(fù)合超聲導(dǎo)波通過第二熱緩沖結(jié)構(gòu)傳送至接收壓電換能器；信號采集裝置，配置為采集所述接收壓電換能器接收的所述復(fù)合超聲導(dǎo)波信號；信號分析裝置，配置為將不同損傷時期的復(fù)合超聲導(dǎo)波信號的主模態(tài)分量的全局模糊熵定義為該損傷時期的損傷因子，通過監(jiān)測不同損傷時期的所述損傷因子的變化表征損傷擴(kuò)展趨勢，其中，每個損傷時期的所述損傷因子的判斷包括：利用變分模態(tài)分解方法分析該損傷時期的超聲導(dǎo)波信號并提取主模態(tài)分量；以及將所述主模態(tài)分量分割成若干個等長的小段，每一段作為一個局部特征；對每個所述局部特征應(yīng)用模糊化處理，得到模糊集合，對于每個局部特征，計算其隸屬度函數(shù)的熵值；將所有局部特征的熵值進(jìn)行聚合得到全局模糊熵其中，k為常數(shù)；μ(x)是信號隸屬度函數(shù)；將該全局模糊熵定義為所述損傷時期的所述損傷因子。

3、在一些實(shí)施例中，所述利用變分模態(tài)分解方法分析該損傷時期的超聲導(dǎo)波信號并提取主模態(tài)分量包括：對接收壓電換能器采集到的信號f(t)進(jìn)行初始化，uj＝aj(t)cos(ωjt+θj(t))，其中，aj(t)是模態(tài)的幅值，ωjt是模態(tài)的中心頻率，θj(t)代表模態(tài)相位；確定vmd分解的模態(tài)數(shù)量k，以及每個模態(tài)的初始中心頻率ωj(j＝1,2,...,k)；定義能量函數(shù)e(u,ω)，其中u是模態(tài)分量的集合，ω是中心頻率的集合，其中，能量函數(shù)包括模態(tài)分量與原始信號之間的誤差以及模態(tài)分量的平滑性約束兩部分；通過優(yōu)化算法求解所述能量函數(shù)的最小值，從而得到每個模態(tài)分量的中心頻率和模態(tài)函數(shù)；以及，依據(jù)每個所述模態(tài)分量的中心頻率和模態(tài)函數(shù)計算其頻譜能量，并選擇所述能量最大的模態(tài)分量作為所述主模態(tài)分量uk-max。

4、在一些實(shí)施例中，所述常數(shù)k的取值為1或2。

5、本技術(shù)的一些實(shí)施例提出了基于變分模態(tài)分解及模糊熵的高溫結(jié)構(gòu)超聲導(dǎo)波健康監(jiān)測方法該方法利用vmd提取導(dǎo)波信號主成分，并以其模糊熵作為損傷因子進(jìn)行損傷嚴(yán)重程度表征。其包括步驟：將不同損傷時期的復(fù)合超聲導(dǎo)波信號的主模態(tài)分量的全局模糊熵定義為該損傷時期的損傷因子，通過監(jiān)測不同損傷時期的所述損傷因子的變化表征損傷擴(kuò)展趨勢，其中，每個損傷時期的所述損傷因子的判斷包括：利用變分模態(tài)分解方法分析該損傷時期的超聲導(dǎo)波信號并提取主模態(tài)分量；以及將所述主模態(tài)分量分割成若干個等長的小段，每一段作為一個局部特征；對每個所述局部特征應(yīng)用模糊化處理，得到模糊集合，對于每個局部特征，計算其隸屬度函數(shù)的熵值；將所有局部特征的熵值進(jìn)行聚合得到全局模糊熵其中，k為常數(shù)；μ(x)是信號隸屬度函數(shù)；將該全局模糊熵定義為所述損傷時期的所述損傷因子。

6、在本技術(shù)的一些實(shí)施例的系統(tǒng)和方法中，基于一發(fā)一收雙熱緩沖層模式，驗證了vmd與模糊熵?fù)p傷因子在室溫和高溫(150℃)條件下在線監(jiān)測飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)損傷的可行性。

7、本技術(shù)的實(shí)施例借助變分模態(tài)分解方法應(yīng)對熱緩沖層帶來的信號混疊問題，通過控制帶寬來抑制復(fù)合導(dǎo)波的模態(tài)混疊現(xiàn)象。與經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(emd)原理不同，本技術(shù)的系統(tǒng)和方法采用的變分模態(tài)分解(vmd)的分解方式是利用迭代搜索變分模型最優(yōu)解來確定每個分解的分量中心頻率及帶寬，屬于完全非遞歸模型，該模型尋找模態(tài)分量的集合及其各自的中心頻率，而每個模態(tài)在解調(diào)成基帶之后是平滑的。

8、此外，本技術(shù)的實(shí)施例通過比較損傷前后的模糊熵值，可以評估損傷的嚴(yán)重程度。模糊熵的變化越大，表明損傷對信號的影響越大，損傷越嚴(yán)重。利用損傷前后超聲導(dǎo)波信號的模糊熵變化來衡量損傷的嚴(yán)重程度是一種有效的信號分析方法。通過定量分析信號的不確定性和混沌特性，可以為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和損傷評估提供有價值的信息。

9、因此本技術(shù)的系統(tǒng)和方法對于采樣和噪聲方面更具有魯棒性。