基于改进拉伸技术的相干波相对速度变化精确测量及其在无损检测与结构健康监测中的应用

　　本文系统评述了拉伸互相关技术在超声波信号分析中的应用，重点探讨其在测量相干波相对速度变化(dv/v0)时的理论误差源与改进策略。通过理论推导揭示传统方法存在三个近似误差，提出创新的参考信号拉伸算法（算法2）和抗噪增强算法（算法3）。研究通过数值模拟和尼龙试件热致速度变化实验验证，证明改进算法可将测量精度提升至10-6量级，为声弹性测试（AEC）、无损检测（NDT）和结构健康监测（SHM）提供重要技术支撑。

　　

Section snippets

Coda wave case

拉伸技术最初由Lobkis和Weaver提出用于分析尾波（Coda waves）。该方法假设波速变化导致的信号差异可通过扰动信号的时间膨胀（时间缩放或拉伸）来描述。当材料发生均匀速度变化时，参考信号(s₀)与扰动信号(s₁)的关系可表示为：s₁(t) = k·s₀(t(1+dv/v₀))。相对速度变化(dv/v₀)通过...

Simulations

通过模拟实验评估拉伸技术的系统误差，对比传统算法与提出算法的性能，并验证第2节的理论分析。

Experimental setup

为验证理论与模拟结果，采用尼龙试件开展温度依赖性纵波速度（热声弹性系数）测量实验。选用尼龙6试条（12×1×0.5英寸³），因其波速和衰减随温度变化显著，有助于凸显算法引起的误差。

Temperature and ultrasonic data

图9显示实验期间温度变化及对应超声波信号。腔体温度在20°C至50°C间循环，尼龙试件实测温度范围为20°C至49.2°C。如图9(c)所示，信号衰减随温度升高显著增加，同时回波的信噪比（SNR）随回波次数明显下降。模拟结果表明增加传输时间可降低dv/v₀测量的相对误差。

Conclusion

本研究将原用于尾波分析的拉伸技术适配于相干波分析，实现精确测定相对速度变化(dv/v₀)。通过理论探索相干波间dv/v₀计算的系统误差，提出改进拉伸算法，并借助相干波信号模拟评估传统方法的相对误差及优化窗口选择策略。