1、的成像效果仿真图。第二章碳纤维复合材料声场仿真研究声场仿真探头中心频率探头的选型需要考虑以下几方面的关键因素探头的类型尺寸及其中心频率的大小。超声波在固体中传播，应考虑声波的衰减，而声波的衰减与材料的性质及频率有密切的关系。在同种材料中，超声波频率越高，能量衰减也越大，传播距离越大，声波衰减也越大。粗晶粒材料或者厚度较大的材料宜选用频率较低的超声波，这样可以提高检测缺陷的能力，因此，针对不同性质的材料应选择合适的超声波频率，这样可以达到较好的检测缺陷的效果。般情况下，超声波频率范围为到之间。在目前的实验条件下，有三种常用频率探头，分别为和。通过仿真平台研究这三种探头在碳纤维复合材料中的声场分布，如图所示。由图中可以看出，中心频率为与时，主瓣宽度较小，指向性较好，但是的探头幅值衰减较大。综合以上考虑，为最佳探头中心频率。中心频率为中心频率为时间幅值时间幅值第。

2、向量，使用基于共轭梯度算法的神经网络对三种缺陷进行识别分类。论文结构安排本文针对碳纤维复合材料进行了检测方法的研究，以及对其内部常见缺陷进行了识别方法的探索。论文框架如下第章介绍了碳纤维复合材料的应用背景，由于其越来越广泛的应用领域使第章绪论得对它的检测方法的要求也不断提高。其次介绍了碳纤维复合材料在缺陷检测和识别领域的国内外的研究现状。第二章对碳纤维复合材料仿真实验研究进行了详细的介绍。通过声场仿真模块选择检测参数，包括探头中心频率类型尺寸以及楔块的选型，确定超声波声场模型。通过缺陷响应，设置缺陷类型大小和位置得到缺陷成像效果。第三章在基于对超声学基础的了解上，介绍了超声相控阵的工作原理，对碳纤维复合材料检测展开实验研究，详细介绍了实验的过程。针对得到的实验结果进行了详细的分析并指出不足。第四章介绍了小波包分析和神经网络技术的基本理论，指出方法对本课题的。

3、结果，进而优化了探头，改进了检测方法，此外，人性化的人机操作界面容易被普遍的无损检测工作人员接受。通过仿真结果的指导，使得实际检测更加的高效，同时节约了检测成本。样本设置在仿真过程中，首先需要确定检测材料的性质，如样本形状尺寸，材料属性等性质。本课题研究对象为碳纤维复合材料。样本几何形状为平面，长为，宽为，高为，如图所示。碳纤维复合材料表面光滑，因此在仿真中，将其表面设定为光滑表面，粗糙度设定为，碳纤维复合材料选用中包含的配置文件，在本课题中，由于不涉及到缺陷的定量问题，因此将碳纤维复合材料看作是均匀结构，超声波在实验板中的传播速度也不予考虑。图样本仿真检测方案选择本课题中，针对碳纤维复合材料中三种常见缺陷分层夹杂脱粘进行检测，为了使得缺陷的成像效果达到最好，需要优化探头，改进方法，即对超声波的声场进行仿真研究。确定超声波声场参数后，通过缺陷响应得到三种缺。

4、目录第章绪论碳纤维复合材料应用背景碳纤维复合材料无损检测研究概况碳纤维复合材料常规检测方法碳纤维复合材料新型无损检测技术碳纤维复合材料缺陷识别研究概况本课题研究主要内容论文结构安排第二章碳纤维复合材料声场仿真研究仿真平台样本设置检测方案选择声场仿真缺陷响应本章小结第三章碳纤维复合材料缺陷检测实验研究超声相控阵检测技术超声相控阵原理超声相控阵检测系统实验过程实验材料实验装置检测结果分析本章小结第四章碳纤维复合材料缺陷的识别与分类缺陷特征提取小波包基本理论碳纤维复合材料的小波包分析构造特征向量缺陷识别方法神经网络寸及其中心频率楔块类型以及相控阵中的延迟法则，进而确定检测声场的性质。在仿真的基础上，使用超声相控阵系统检测包含三种缺陷分层夹杂脱粘的碳纤维复合材料板，得到扫图与扫图，并对其进行分析。基于编程语言，对提取的扫信号数据进行小波包变换，寻找特征值，构造特征。

5、分割成多个点声源，计算各点声源的声场,最后根据叠加原理，得到工件内的瞬时声场。缺陷响应模块利用声场仿真模块中得到的声场计算它与缺陷之间的相互作用，在中设置了多种类型缺陷，有裂纹等平面类型缺陷空心体积类型缺陷实心体积类型缺陷，这些缺陷有不同的形状，可以用来模拟第二章碳纤维复合材料声场仿真研究实际应用中的不同缺陷。近似模型包括模型模型模型。不同的缺陷类型采用不同的近似模型，对于裂纹和体积型的缺陷，采用模型近似，模型主要针对平面缺陷的边缘衍射信号，模型适用于包含固体夹杂物的缺陷。针对碳纤增强维复合材料板的无损检测，采用超声仿真模块确定检测方案。在超声仿真中，包括声场仿真与缺陷响应两部分，在声场仿真中分别对样本材料和几何形状相控阵延迟法则以及探头进行设置后，模拟和的声场分布，并生成动画，在缺陷响应部分，还可以设置不同大小和形状的缺陷。使用很短的计算时间提供准确的仿。

6、二章碳纤维复合材料声场仿真研究中心频率为中心频率为图三种不同中心频率探头声场分布而在本实验中，碳纤维复合材料实验板的厚度为，缺陷在层压板的中间铺设夹杂，分析信号时只截取缺陷所在位置处的波形，与底波无关，超声波在板中的衰减对实验结果的影响较小，综合考虑影响成像的各个因素，在这里选用中心频率为探头。如图所示为三种频率探头在检测同种缺陷时的成像结果，从三个图中可以发现当中心频率为时成像效果最好。中心频率为时间时间幅值幅值第二章碳纤维复合材料声场仿真研究中心频率为中心频率为图不同中心频率探头成像效果探头类型及尺寸超声相控阵中使用的探头有多种类型，在仿真软件中也有多种探头供用户选择，例如单阵元探头线性阵列探头矩形阵列探头环形阵列探头椭圆阵列探头以及双椭圆阵列探头。不同的探头用来检测不同的结构件，线性阵列探头结构简单，加工容易，能够检测大部分结构简单的零件，尤其是平面。

7、用性。对实验得到的数据进行小波包处理，实现缺陷的识别与分类。第五章是对本课题工作内容的总结，指出在本课题研究中出现的不足之处，然后对课题的展望，指出进步的研究内容。第二章碳纤维复合材料声场仿真研究第二章碳纤维复合材料声场仿真研究仿真平台在航空航天核工业等领域中，为满足不同的应用需求，研制出各种新型材料，这些材料有着不同的结构，复杂程度也不同，但与此同时，加大了检测的难度。随着超声无损检测技术的广泛应用，为了提高检测效率，节约检测成本，因此，在实际检测之前有必要制定套有效的检测方案，而仿真技术的出现解决了这问题。在国外，已经有多家研究机构开发了多种超声仿真检测软件，随着需求的发展，在超声仿真方面几款仿真软件较为成熟法国原子能委员会开发的，美国电力研究院开发的以及瑞典无损检测中心的等。而相比于国外，国内在超声仿真软件开发方面的发展显得较为缓慢，浙江大学在二十世。

8、测与识别显得极为重要。近年来，超声相控阵技术以其灵活便捷高效的特点广泛应用在工业领域。本文针对碳纤维复合材料内部缺陷的检测方法展开深入的研究。首先利用仿真软件中的声场仿真模块与缺陷响应模块确定实验检测方案，在仿真中，根据实际情况，设定样本参数，包括样本的尺寸和属性；确定适合检测碳纤维复合材料内部缺陷的超声波声场特性，包括对超声探头的尺寸中心频率的确定；为了更好的耦合性，添加楔块并对其选型。确定声场参数后，在缺陷响应模块中模拟缺陷，包括缺陷的大小形状及位置，得到缺陷的成像效果，验证了实验方案的可行性。在仿真的基础上，利用超声相控阵系统检测碳纤维复合材料内部三种常见缺陷分层夹杂脱粘，得到三种缺陷的扫图与扫图。分析三种缺陷信号的扫图，可以初步判断缺陷类型，但是在未知缺陷的情况下不能准确获取缺陷类型信息。对原始扫信号数据进行傅立叶变换得到频域特征，结合时频信号详细。

9、九十年代研发了无损检测工艺制定专家系统，冶金部压力容器检测站研制的无损检测专用软件，但在以声学理论为基础，模拟超声场方面的仿真技术还处于相对空白状态。但是，我国利用国外超声仿真软件进行检测，已有多个成功的应用案例，如北京航空材料研究院的梁菁等人在仿真软件的基础上提出了多区域动态深度聚焦的方法。这些在本课题中，采用开发的仿真软件。仿真软件包括三个仿真模块，分别为超声仿真，涡流仿真，射线仿真。这些模块为实际的检测提供有效的检测方案，从而提高了无损检测技术的质量。此外，该软件中还包含了成像和数据分析模块，以便于得到仿真图像并对实验数据进行初步处理。超声仿真模块有两个主要功能，分别是声场仿真模块和缺陷响应模块，前者是对探头发出的超声波在工件内形成的超声场进行计算，后者是对声场与各类缺陷之间的相互作用进行计算。声场仿真模块是基于弹性动力学的声束方法，将探头的整个声源。

10、说明并表示了谢意。学位论文作者签名签字日期年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印缩印或扫描等复制手段保存汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。保密的学位论文在解密后适用本授权说明学位论文作者签名导师签名签字日期年月日签字日期年月日中文摘要随着科学技术的进步，碳纤维复合材料在航空航天和军事工业领域汽车工业领域土木建筑领域能源和电子等工业领域获得广泛的应用。但是，由于碳纤维复合材料会在制造过程中或者在使用过程中会形成各种形式的缺陷，这些缺陷的存在影响材料的各项性能指标，使碳纤维复合材料构件的应用受到定的限制，导致整个结构件的报废，造成重大经济损失。因此，研究碳纤维复合材料中缺陷产生的原因以及对不同缺陷的。

11、析，三种缺陷没有显著差异，不能进行准确识别。本文针对上述问题进步探索，提出了种行之有效的方法，并在实验中得到验证。分析碳纤维复合材料中超声波波形信号可以发现，缺陷信号属于非平稳瞬态高频信号，而小波包分析针对这类型的信号有非常良好的处理效果，因此非常适用于本文研究的对象。对提取的原始扫信号进行小波包分解与系数重构，提取特征值，构造特征向量。通过八个特征值识别三种缺陷，神经网络技术以其优越的非线性映射能力而被广泛应用在模式识别领域。构建三层神经网络，按照共轭梯度算法对网络进行训练，最后使用该网络对三种缺陷进行识别和分类，识别率达到。结果表明利用超声相控阵技术可以提高缺陷检测效率，对缺陷有良好的成像效果；小波包分析与神经网络方法的结合有效的对碳纤维复合材料中三种常见缺陷进行了识别与分类，并且有较高的缺陷识别率。关键词碳纤维复合材料超声相控阵小波包神经网络缺陷识别。

12、构材料，因此应用十分广泛，线性阵列探头可以实现维方向上波束的偏转，矩形阵列探头可以实现二维方向上波束的偏转，面阵列探头不仅能实现声束的偏转，还能实现声束的聚焦。在这里碳纤维复合材料为光滑的简单平面结构，因此选择线性阵列探头进行检测，其阵元宽度设定为，长度为，相邻阵元间距为，激发个阵元时孔径宽度为，阵元数目为，相邻阵元中心间距为，如图所示为线性阵列排列图。碳纤维复合材料缺陷检测方法研究学科专业仪器科学与技术研究生郭薇指导教师李健副教授天津大学精密仪器与光电子工程学院二零四年十月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确。

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