随着近年来我国从工业大国到工业强国的转型，金属绞线在高铁、煤炭、石油、冶金、化工、船舶、电力、桥梁等领域中被大量使用。在《中国制造2025》等国家重大战略推进实施的背景下，各项基础设施全面建设使得金属绞线结构的安全使用愈加重要，复杂金属绞线结构损伤的有效检测方法研究已成为结构健康检测学科的前沿问题。超声导波检测技术作为一种前沿无损检测技术，具有检测效率高、检测距离长等优势，被广泛应用于管道、钢轨、锚索等结构的损伤检测。
作者从事金属绞线结构超声导波检测理论和应用研究已有多年，为使读者更好地理解超声导波检测技术在该结构上的推广与应用，将多年的研究成果进行汇总，并归纳总结成本书。全书共有6章，第1章概述了阵列超声导波检测方法及其研究现状； 第2章主要介绍了多层绞线结构中的超声导波频散曲线求解方法，并分析该结构中的导波传播特性及相关影响因素； 第3章分别介绍了面向多层绞线结构研制的针状式、气压紧式、环孔式阵列超声导波传感器； 第4章介绍了多层绞线结构中的阵列超声导波螺旋聚焦增强机制，并进行仿真分析和实验验证； 第5章介绍了多层绞线结构超声导波损伤识别方法，通过建立频散字典实现损伤信号的提取； 第6章介绍了多层绞线结构的时间反演损伤成像检测方法，实现损伤的直观显示。本书可以作为超声导波无损检测领域各个层次研究人员的参考书。
超声导波本身具有频散、多模态、衰减等特性，在多层绞线结构中的传播则更为复杂，绞线内层损伤散射信号通过绞线单线间的多次耦合传播，信号微弱且易被其余信号掩埋，因此，通过超声导波检测技术对多层绞线结构损伤进行检测，对多层绞线结构中的导波特性、包覆区承力索内层损伤增强及损伤成像、损伤导波信号提取等方面进行深入研究。因此，本书主要逻辑框架如下图所示。具体内容如下。
全书结构总图
第1章绞线结构阵列超声导波检测方法概述。对比绞线结构常用的无损检测方法，阐述超声导波检测技术在包覆区绞线结构检测方面的优势，整理分析复杂结构中超声导波特性求解方法、超声导波信号分析方法、超声导波成像聚焦三方面的国内外研究进展以及应用于多层绞线结构检测时尚须解决的问题。
第2章多层绞线结构超声导波传播特性研究。为解决传统方法难以求解多层螺旋耦合杆结构的导波频散曲线问题，提出一种基于扭曲坐标系的半解析有限元法。分析超声导波在绞线单线中的传播特性、杆间接触耦合作用以及螺旋结构对耦合杆中导波传播的影响，并结合包覆结构对绞线中导波传播影响分析，最终确定适用于检测的信号频率、模态及激励方式。
第3章压电阵列超声导波传感器设计。根据超声导波检测原理及面向绞线结构的多种检测需求，设计开发了一系列压电阵列超声导波传感器，即针状式阵列超声导波传感器、气压紧式阵列超声导波传感器、环孔式阵列超声导波传感器，为绞线结构损伤检测提供前端检测基础。
第4章阵列超声导波螺旋聚焦增强机制研究。根据绞线螺旋结构的几何特征，分析螺旋内层目标点与超声导波阵列之间的路程差，确立绞线中的阵列超声导波布置方式，提出基于全矩阵捕获的阵列超声导波螺旋聚焦增强方法； 建立绞线有限元模型，分析阵列超声导波信号通过螺旋聚焦在各层单线上的聚焦增强效果，以及螺旋聚焦对内层损伤散射信号的增强作用。
第5章多层绞线结构超声导波损伤识别方法。根据超声导波在包覆区绞线中的传播特性，建立能表征导波信号模态和传播距离的过完备原子库，提出损伤导波信号的交叉稀疏表示方法，大幅降低损伤信号稀疏表示结果稀疏度，提升损伤信号识别率，并提出一种虚拟双向时间反演的损伤成像方法。通过有限元仿真实验，分析该方法在包覆区绞线最外层损伤信号、内层损伤信号上的提取效果，并通过提取的反射端损伤信号和透射端损伤信号实现包覆区承力索的损伤成像。
第6章多层绞线结构时间反演损伤成像检测方法。提出一种虚拟双向时间反演成像方法，通过双层绞线验证其可行性。在此基础上提出虚拟双向时间反演成像检测方法，并通过包覆区承力索最外层单线损伤、内层全损伤、内层单线损伤成像检测实验，进行相关系列实验验证，并将全聚焦成像结果与虚拟双向时间反演成像结果进行对比。
本书的研究内容得到了国家自然科学基金项目(51975220、51305141)、广东省杰出青年基金项目(2019B151502057)、广东省自然科学基金项目(2014A030313248)的资助，在此表示由衷的感谢。还要感谢吴斯栋、何永奎、杨定民等，他们对本书的出版贡献了力量。
由于作者水平有限，难免有所疏漏，敬请读者批评指正。
作者
2024年6月
洪晓斌，男，现任机械与汽车工程学院副院长，同时兼任全国高校机械工程测试技术研究会中南区副理事长、中国仪器仪表学会测量与控制专业委员会常务理事、广东省智能无人船与系统工程技术研究中心主任、广东省无损检测分会秘书长、广东省无损检测技术标准委员会副秘书长等。近年来主持包括国家重点研发计划课题、广东省杰出青年基金、国家自然科学基金、广东省重点研发项目、广东省自然科学基金、国家中小型企业创新基金项目、粤港关键领域重点项目、省部产学研项目、博士点新教师基金、广州市重大科技项目等纵向项目20多项及企业委托横向项目10多项；发表SCI、EI收录学术论文50多篇；获授权发明专利32项（第一发明人授权发明专利22项）、计算机软件著作权8项；发布标准5项，编著教材1部、参与专著1部。近年来相关科研成果已获2020年中国专利优秀奖1项、2018年广东省科技进步奖1项、2018年中国仪器仪表学会科技进步奖1项、2015年中国仪器仪表学会科技创新奖1项等。长期从事现代检测技术及相关测控装备研究工作，目前主要致力于无损检测技术装备及网络化测控系统研发方面的研究，主要研究方向有：（1）无损检测技术与装备；（2）基于人工智能的无人化测控技术与应用。
第1章绞线结构阵列超声导波检测方法概述
1.1多层绞线结构介绍
1.2阵列超声导波检测概念
1.2.1超声导波定义
1.2.2群速度和相速度
1.2.3阵列超声导波
1.3绞线结构阵列超声导波成像检测基础
1.3.1单向阵列超声导波成像法
1.3.2全向阵列超声导波成像法
1.3.3时间反演阵列超声导波成像法
1.4绞线结构超声导波无损检测成像国内外研究现状
1.4.1绞线结构无损检测方法研究现状
1.4.2超声导波特性求解方法研究现状
1.4.3阵列超声导波信号分析方法研究现状
1.4.4阵列超声导波聚焦成像方法研究现状
第2章多层绞线结构超声导波传播特性研究
2.1多层螺旋耦合结构超声导波频散曲线的半解析有限元求解方法
2.1.1基于直角坐标系的直杆超声导波频散曲线求解方法
2.1.2基于螺旋坐标系的螺旋曲杆超声导波频散曲线求解方法
2.1.3基于扭曲坐标系的螺旋耦合杆结构超声导波求解方法
2.2螺旋耦合结构中的导波传播特性影响因素分析
2.2.1螺旋结构对单杆结构导波传播影响分析
2.2.2接触耦合作用对耦合杆结构中的导波传播影响分析
2.2.3螺旋耦合杆结构中的导波传播特性分析
2.3绞线结构中的超声导波传播特性分析
2.3.1双层绞线结构中的导波传播特性
2.3.2多层绞线结构中的导波传播特性
2.3.3包覆结构对绞线中的超声导波传播影响
2.4本章小结
第3章压电阵列超声导波传感器设计
3.1压电传感器设计基础
3.1.1敏感元件选择
3.1.2声学匹配
3.2针状式阵列超声导波传感器研制
3.2.1针状式传感器结构设计
3.2.2针状式传感器仿真分析
3.2.3针状式传感器测试
3.3气压紧式阵列超声导波传感器研制
3.3.1气压紧式阵列超声导波传感器结构设计
3.3.2气压紧式模块仿真分析
3.3.3气压紧式阵列超声导波传感器测试
3.4环孔式阵列超声导波传感器研制
3.4.1环孔式传感器结构设计
3.4.2环孔式传感器探头模块仿真分析
3.4.3环孔式传感器测试
3.5本章小结
第4章阵列超声导波螺旋聚焦增强机制研究
4.1螺旋耦合结构中阵列超声导波路程差分析
4.1.1耦合杆直径对波传播路程差的影响分析
4.1.2相邻层螺旋杆目标点之间的超声导波多路径分析
4.1.3螺旋结构内层目标点与超声导波阵列间路程差分析
4.2基于全矩阵捕获的阵列超声导波螺旋聚焦增强方法
4.2.1多层绞线阵列超声导波信号全矩阵捕获
4.2.2全矩阵捕获数据螺旋聚焦增强实现
4.3多层绞线阵列超声导波螺旋聚焦增强仿真分析
4.3.1阵列超声导波激励信号螺旋聚焦增强性能分析
4.3.2内层单线损伤信号螺旋聚焦增强分析
4.4多层绞线阵列超声导波螺旋聚焦增强实验
4.4.1绞线检测实验平台
4.4.2内层全损伤信号增强
4.4.3内层单线损伤信号增强
4.5本章小结
第5章多层绞线结构超声导波损伤识别方法
5.1基于交叉稀疏表示的超声导波损伤信号识别方法
5.1.1绞线结构中超声导波信号稀疏性分析
5.1.2基于稳态相位法的承力索频散字典设计
5.1.3损伤信号交叉稀疏分解算法
5.2多层绞线结构损伤信号识别仿真分析
5.2.1最外层损伤仿真分析
5.2.2内层全损伤仿真分析
5.2.3内层单线损伤仿真分析
5.3多层绞线结构损伤信号识别实验
5.3.1最外层损伤信号识别
5.3.2内层全损伤信号识别
5.3.3内层单线损伤信号识别
5.4本章小结
第6章多层绞线结构时间反演损伤成像检测方法
6.1基于虚拟合成的时间聚焦TRM检测方法
6.1.1虚拟合成时间聚焦检测方法
6.1.2双层绞线损伤成像检测实验
6.2多层绞线结构虚拟双向时间反演成像方法
6.2.1虚拟双向时间反演成像机理
6.2.2多层绞线结构损伤成像实现
6.3基于双向时间反演的多层绞线结构损伤成像检测
6.3.1最外层单线损伤成像
6.3.2内层全损伤成像
6.3.3内层单线损伤成像
6.4本章小结
参考文献
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