哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要
无损检测技术能够对材料、构件、结构的损伤和缺陷进行监测与评估，从
而实现其使用过程中的安全性和稳定性。其中超声导波检测技术具有穿透性强、
长距离传播和高灵敏度等特点，因此可以广泛应用于检测各种结构缺陷，例如
裂纹、疲劳损伤、腐蚀和脆化等。全波形反演是一种广泛应用于地震中的成像
技术，该技术通过对波在介质中传播的波形数据进行处理，来重建介质的结构
和性质。基于超声导波的损伤识别方法具有覆盖范围大，检测效率高的优点，
将其与全波形反演算法相结合，相对于传统的层析成像方法，考虑了高阶散射
和衍射，可以进一步提高其损伤成像效果并拓展应用范围。本文基于全波形反
演的超声导波层析成像技术开展研究，具体研究内容如下：
本研究基于超声导波的全波形反演算法，旨在实现钢板结构损伤和钢板混
凝土脱空缺陷成像检测。该算法利用超声导波的频散理论激励特定模态和频率
的导波，通过扫描带有缺陷的钢板和钢-水泥砂浆板，使用全波形反演算法反
演特征参数，并根据超声导波频厚积和速度的关系重建厚度图，最终实现基于
超声导波的全波形反演成像。
首先，本研究介绍了超声导波的基本概念和相关理论，推导出Lamb波的
频散方程并绘制频散曲线，选取合适的激励频率和激励方式。然后，针对全波
形反演的相关理论进行算法设计，利用有限差分法进行波场的二维模拟，实现
正演计算。反演方面，采用伴随矩阵法求取梯度，并引入正则化因子提高算法
的稳定性，利用拟牛顿L-BFGS算法求取伪海森矩阵，进行参数模型的更新和
反演迭代，实现对二维平面板不同深度目标损伤区域的识别，验证了基于超声
导波的全波形反演算法的可行性。
其次，本研究在三维平面板上进行了ANSYS数值模拟，模拟过程由简单
到复杂逐步递进，包括不同直径的圆孔缺陷、不同边长的方形缺陷以及多个缺
陷，模拟了不同工况下的反演效果。同时，本研究还讨论了影响算法检测精度
的因素，通过调整频率值、传感器阵列类型、缺陷的宽度等来分析各因素变量
对重建精度的影响程度。结果表明，频率的大小和缺陷宽度对于重建精度的影
响最大。同时，本研究拟合了重建精度随缺陷宽度变化的曲线，得出可以识别
的最小缺陷尺寸为0.81λ，并基于此进一步提出一组线性方程，为估计特定缺
陷宽度、深度和中心频率的误差提供了一种简单的方法。
最后，本研究基于平面钢板和钢-水泥砂浆板进行了超声导波的全波形反
I
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演检测试验。在平面钢板上切割任意尺寸的一字形损伤和圆孔型损伤，调整换
能器阵列的类型、位置、数量，对缺陷进行检测，以探究对重建效果的影响。
基于平面钢-水泥砂浆板进行试验，以模拟钢板混凝土的脱空识别，采用内支
模的方式进行不同尺寸的脱空处理，并填充相应尺寸的泡沫板，以模拟实际工
程中的脱空。本研究推导了超声导波在双层介质中的传播模型，并绘制出平面
钢-水泥砂浆板的频散曲线。设计试验程序并对接收到的信号数据做有效处理，
实现了缺陷的反演。调整水泥砂浆的脱空尺寸，以探究反演效果的变化，验证
超声导波的全波形反演算法检测在工程领域的可行性，为钢板混凝土脱空的检
测提供一种高效、准确的检测方法。
综上所述，本研究提出了一种基于超声导波的全波形反演算法，实现了对
钢板结构缺陷和钢-水泥砂浆板脱空的高精度成像检测。该算法具有较高的可
靠性和适用性，通过实验验证，本算法能够有效地实现检测缺陷，可为工程结
构和材料的无损检测提供一种高效、可靠的成像方法。
关键词：超声导波；全波形反演；无损检测；损伤成像
II
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Abstract
Non-destructivetestingtechnologycanmonitorandevaluatethedamageand
defectsofmaterials,componentsandstructures