隨著近年來(lái)我國(guó)從工業(yè)大國(guó)到工業(yè)強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)型，金屬絞線(xiàn)在高鐵、煤炭、石油、冶金、化工、船舶、電力、橋梁等領(lǐng)域中被大量使用。在《中國(guó)制造2025》等國(guó)家重大戰(zhàn)略推進(jìn)實(shí)施的背景下，各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施全面建設(shè)使得金屬絞線(xiàn)結(jié)構(gòu)的安全使用愈加重要，復(fù)雜金屬絞線(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷的有效檢測(cè)方法研究已成為結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)學(xué)科的前沿問(wèn)題。超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)作為一種前沿?zé)o損檢測(cè)技術(shù)，具有檢測(cè)效率高、檢測(cè)距離長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于管道、鋼軌、錨索等結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)。

作者從事金屬絞線(xiàn)結(jié)構(gòu)超聲導(dǎo)波檢測(cè)理論和應(yīng)用研究已有多年，為使讀者更好地理解超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)在該結(jié)構(gòu)上的推廣與應(yīng)用，將多年的研究成果進(jìn)行匯總，并歸納總結(jié)成本書(shū)。全書(shū)共有6章，第1章概述了陣列超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法及其研究現(xiàn)狀； 第2章主要介紹了多層絞線(xiàn)結(jié)構(gòu)中的超聲導(dǎo)波頻散曲線(xiàn)求解方法，并分析該結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)波傳播特性及相關(guān)影響因素； 第3章分別介紹了面向多層絞線(xiàn)結(jié)構(gòu)研制的針狀式、氣壓緊式、環(huán)孔式陣列超聲導(dǎo)波傳感器； 第4章介紹了多層絞線(xiàn)結(jié)構(gòu)中的陣列超聲導(dǎo)波螺旋聚焦增強(qiáng)機(jī)制，并進(jìn)行仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證； 第5章介紹了多層絞線(xiàn)結(jié)構(gòu)超聲導(dǎo)波損傷識(shí)別方法，通過(guò)建立頻散字典實(shí)現(xiàn)損傷信號(hào)的提��； 第6章介紹了多層絞線(xiàn)結(jié)構(gòu)的時(shí)間反演損傷成像檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)損傷的直觀顯示。本書(shū)可以作為超聲導(dǎo)波無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域各個(gè)層次研究人員的參考書(shū)。

超聲導(dǎo)波本身具有頻散、多模態(tài)、衰減等特性，在多層絞線(xiàn)結(jié)構(gòu)中的傳播則更為復(fù)雜，絞線(xiàn)內(nèi)層損傷散射信號(hào)通過(guò)絞線(xiàn)單線(xiàn)間的多次耦合傳播，信號(hào)微弱且易被其余信號(hào)掩埋，因此，通過(guò)超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)對(duì)多層絞線(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)多層絞線(xiàn)結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)波特性、包覆區(qū)承力索內(nèi)層損傷增強(qiáng)及損傷成像、損傷導(dǎo)波信號(hào)提取等方面進(jìn)行深入研究。因此，本書(shū)主要邏輯框架如下圖所示。具體內(nèi)容如下。

全書(shū)結(jié)構(gòu)總圖

第1章絞線(xiàn)結(jié)構(gòu)陣列超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法概述。對(duì)比絞線(xiàn)結(jié)構(gòu)常用的無(wú)損檢測(cè)方法，闡述超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)在包覆區(qū)絞線(xiàn)結(jié)構(gòu)檢測(cè)方面的優(yōu)勢(shì)，整理分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)中超聲導(dǎo)波特性求解方法、超聲導(dǎo)波信號(hào)分析方法、超聲導(dǎo)波成像聚焦三方面的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展以及應(yīng)用于多層絞線(xiàn)結(jié)構(gòu)檢測(cè)時(shí)尚須解決的問(wèn)題。

第2章多層絞線(xiàn)結(jié)構(gòu)超聲導(dǎo)波傳播特性研究。為解決傳統(tǒng)方法難以求解多層螺旋耦合桿結(jié)構(gòu)的導(dǎo)波頻散曲線(xiàn)問(wèn)題，提出一種基于扭曲坐標(biāo)系的半解析有限元法。分析超聲導(dǎo)波在絞線(xiàn)單線(xiàn)中的傳播特性、桿間接觸耦合作用以及螺旋結(jié)構(gòu)對(duì)耦合桿中導(dǎo)波傳播的影響，并結(jié)合包覆結(jié)構(gòu)對(duì)絞線(xiàn)中導(dǎo)波傳播影響分析，最終確定適用于檢測(cè)的信號(hào)頻率、模態(tài)及激勵(lì)方式。

第3章壓電陣列超聲導(dǎo)波傳感器設(shè)計(jì)。根據(jù)超聲導(dǎo)波檢測(cè)原理及面向絞線(xiàn)結(jié)構(gòu)的多種檢測(cè)需求，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一系列壓電陣列超聲導(dǎo)波傳感器，即針狀式陣列超聲導(dǎo)波傳感器、氣壓緊式陣列超聲導(dǎo)波傳感器、環(huán)孔式陣列超聲導(dǎo)波傳感器，為絞線(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)提供前端檢測(cè)基礎(chǔ)。

第4章陣列超聲導(dǎo)波螺旋聚焦增強(qiáng)機(jī)制研究。根據(jù)絞線(xiàn)螺旋結(jié)構(gòu)的幾何特征，分析螺旋內(nèi)層目標(biāo)點(diǎn)與超聲導(dǎo)波陣列之間的路程差，確立絞線(xiàn)中的陣列超聲導(dǎo)波布置方式，提出基于全矩陣捕獲的陣列超聲導(dǎo)波螺旋聚焦增強(qiáng)方法； 建立絞線(xiàn)有限元模型，分析陣列超聲導(dǎo)波信號(hào)通過(guò)螺旋聚焦在各層單線(xiàn)上的聚焦增強(qiáng)效果，以及螺旋聚焦對(duì)內(nèi)層損傷散射信號(hào)的增強(qiáng)作用。

第5章多層絞線(xiàn)結(jié)構(gòu)超聲導(dǎo)波損傷識(shí)別方法。根據(jù)超聲導(dǎo)波在包覆區(qū)絞線(xiàn)中的傳播特性，建立能表征導(dǎo)波信號(hào)模態(tài)和傳播距離的過(guò)完備原子庫(kù)，提出損傷導(dǎo)波信號(hào)的交叉稀疏表示方法，大幅降低損傷信號(hào)稀疏表示結(jié)果稀疏度，提升損傷信號(hào)識(shí)別率，并提出一種虛擬雙向時(shí)間反演的損傷成像方法。通過(guò)有限元仿真實(shí)驗(yàn)，分析該方法在包覆區(qū)絞線(xiàn)最外層損傷信號(hào)、內(nèi)層損傷信號(hào)上的提取效果，并通過(guò)提取的反射端損傷信號(hào)和透射端損傷信號(hào)實(shí)現(xiàn)包覆區(qū)承力索的損傷成像。

第6章多層絞線(xiàn)結(jié)構(gòu)時(shí)間反演損傷成像檢測(cè)方法。提出一種虛擬雙向時(shí)間反演成像方法，通過(guò)雙層絞線(xiàn)驗(yàn)證其可行性。在此基礎(chǔ)上提出虛擬雙向時(shí)間反演成像檢測(cè)方法，并通過(guò)包覆區(qū)承力索最外層單線(xiàn)損傷、內(nèi)層全損傷、內(nèi)層單線(xiàn)損傷成像檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行相關(guān)系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并將全聚焦成像結(jié)果與虛擬雙向時(shí)間反演成像結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

本書(shū)的研究?jī)?nèi)容得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51975220、51305141)、廣東省杰出青年基金項(xiàng)目(2019B151502057)、廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014A030313248)的資助，在此表示由衷的感謝。還要感謝吳斯棟、何永奎、楊定民等，他們對(duì)本書(shū)的出版貢獻(xiàn)了力量。

由于作者水平有限，難免有所疏漏，敬請(qǐng)讀者批評(píng)指正。

作者
2024年6月