CN102998370A - 一种工程结构无基准Lamb波时间反转损伤监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种工程结构无基准Lamb波时间反转损伤监测方法，步骤是：在待测结构上布置一组激励/传感阵列；组建检测通道，采集所有激励/传感通道的Lamb波响应信号；对响应信号进行截取再进行时间反转，得到时反结构响应信号；将时反结构响应信号再次加载到对应的激励上，并在相应的传感上采集时反聚焦结构响应信号；在各检测通道得到的时反聚焦结构响应信号中，提取聚焦主波峰与旁瓣信号的出现时间差，以此为特征参数，采用椭圆定位方法，计算得出损伤的位置和大致范围，分析、判定待测结构的健康情况。此方法可消除频散效应引起的波包扩展和信号混叠，实现无基准主动Lamb波损伤定位和监测，有助于结构健康监测的实用化。

Description

一种工程结构无基准Lamb波时间反转损伤监测方法

技术领域

本发明涉及一种板类结构无基准主动Lamb波时间反转损伤监测的方法。

背景技术

随着对结构安全性、可靠性要求的不断提高，结构损伤的在线监测和诊断日益引起人们的高度重视，为了防止结构损伤所带来的灾难或损失，必须对结构进行有效的监测。

Lamb波是在自由边界条件下，固体结构中传播的弹性导波，由于其衰减慢、传播距离远，且对结构中的微小损伤十分敏感，因此，在航空航天、高速铁路以及船舶等工程领域受到了越来越广泛的重视。由于损伤会引起Lamb波的散射，因此根据Lamb波损伤散射信号的损伤监测与评估技术研究是当前的热点。然而，Lamb波传播存在频散及多模效应，微弱的损伤散射信号波包容易淹没在直达波、边界反射以及模式变换和噪声当中，目前大多数Lamb波损伤监测研究都采用损伤前后响应直接相减的方法来获取Lamb波损伤散射信号，而环境参数变化、人为操作误差等方面的因素，也会使得响应信号发生变化，采用上述的差信号方法就容易引入这些外部因素引起的信号偏差，造成损伤监测的误判。

基于以上考虑，本发明人针对现有的基于Lamb波损伤散射信号的结构损伤监测方法进行研究改进，本案由此产生。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种工程结构无基准Lamb波时间反转损伤监测方法，其可消除频散效应引起的波包扩展和信号混叠，实现无基准主动Lamb波损伤定位和监测，有助于结构健康监测的实用化。

为了达成上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种工程结构无基准Lamb波时间反转损伤监测方法，包括下列步骤：

（1）在待测结构上，根据检测区域大小，布置一组压电传感器组成激励/传感阵列；

（2）在激励/传感阵列中选择作为激励的压电传感器设为P_i，作为传感的压电传感器设为P_j，组建检测通道，采集结构当前状态下所有激励/传感通道的Lamb波响应信号f_ij，其中i，j＝1，2，3，…，i，j为正整数，且i≠j；

（3）根据各通道中激励-传感组合与边界的距离关系，对响应信号f_ij进行截取，截去所有的边界反射信号，仅保留直达波和内部散射信号，并对截取后的信号进行时间反转，得到时反结构响应信号f’_ij，其中i，j＝1，2，3，…，且i≠j；

（4）将时反结构响应信号f’_ij再次加载到对应的激励P_i上，并在相应的传感P_j上采集时反聚焦结构响应信号f_Fij，其中i，j＝1，2，3，…，且i≠j；

（5）在各检测通道得到的时反聚焦结构响应信号f_Fij中，提取聚焦主波峰与旁瓣信号的出现时间差△t_ij，以此为特征参数，根据Lamb波传播波速，采用椭圆定位方法，计算得出损伤的位置和大致范围，分析、判定待测结构的健康情况，其中i，j＝1，2，3，…，且i≠j。

上述步骤（2）的详细步骤为：

（21）在结构当前状态下，通过函数发生器和功率放大器将Lamb波超声信号加载到作为激励的压电传感器P_i上，在结构中激发激励信号；

（22）依次选取各压电传感器P_j作为传感，其中j=1，2，3，…，且j≠i，经电荷放大器将P_i激励下的Lamb波结构响应信号传感、放大并采集进入控制计算机中，得到P_i激励下的所有激励/传感通道下的Lamb波响应信号f_ij，其中j＝1，2，3，…，且j≠i；

（23）选择另外一个压电传感器作为激励，重复步骤（21）、（22）过程，得到所有激励/传感通道下的Lamb波响应信号f_ij，其中i，j＝1，2，3，…，且i≠j。

上述步骤（21）中，所述的激励信号为窄带信号，以激发出单模式为主的Lamb波结构响应信号。

上述步骤（4）的详细步骤为：

（41）通过函数发生器和功率放大器将步骤（3）截取时反后的时反结构响应信号f’_ij加载到对应的激励P_i上，在结构中激发激励信号；

（42）选取与信号f’_ij相对应的压电传感器P_j作为传感，经电荷放大器将P_i激励下的Lamb波聚焦结构响应信号传感、放大并采集进入控制计算机中，得到该激励/传感通道下的Lamb波时反聚焦结构响应信号f_Fij；

（43）选择另一组截取时反信号，重复步骤（41）、（42）过程，直至得到所有激励-传感通道下的Lamb波时反聚焦结构响应信号。

上述步骤（5）的详细步骤为：

（51）针对当前状态下的Lamb波时反聚焦结构响应信号f_Fij，提取聚焦主波峰信号峰值和旁瓣信号峰值之间的时间差△t_ij，根据时反聚焦过程中直达波信号和损伤散射信号波包的相互关系，该时间差即为直达波信号和损伤散射信号传播时间差，因此由Lamb波信号传播速度c，计算得出散射信号传播路径r_Sij和直达波传播路径r_Dij之差，即路径距离差c×△t_ij；

（52）根据时反聚焦结构响应信号f_Fij对应的检测通道中直达波传播路径r_Dij，即激励P_i与传感P_j之间的距离，以及由步骤（51）中所得的路径距离差c×△t_ij，计算得到检测信号沿激励-损伤-传感路径的散射传播距离r_Sij=r_Dij+c×△t_ij；

（53）根据激励/传感阵列中各传感器的坐标，和多个检测通道下得到的散射传播距离r_Sij，采用椭圆定位方法，计算得到损伤的位置和大致范围，实现对损伤的定位与监测。

采用上述方案后，本发明在现有结构损伤监测设备条件基础上，应用时间反转对波源的聚焦原理，实现对当前状态下的Lamb波结构响应信号的聚焦重建，消除频散效应引起的波包扩展和信号混叠，并根据聚焦响应信号中各波包之间的出现时刻关系，提取损伤散射信号信息，实现无基准主动Lamb波损伤定位和监测，有助于结构健康监测的实用化，具有以下优点：

（1）本发明的方法直接通过当前Lamb波结构响应信号进行时间反转处理，并提取损伤散射信号信息，消除了对基准信号的依赖，可以克服环境参数变化、人为操作误差等方面的原因引起的信号偏差引起的损伤监测的误判，提高了结构损伤监测方法的准确性，有利于该项技术的实用化；

（2）本发明方法消除了频散效应带来的影响，简化了信号，降低了特征参数提取难度；

（3）本发明的方法在实现过程中无需更改或增加设备和参数，利用现有硬件系统就可以实现；

（4）本发明实现方法简单，无需知道监测对象和传感器阵列的先验知识。

附图说明

图1是本发明中试件结构以及传感/激励阵列的布局示意图；

图2是本发明中窄带激励信号的波形时域图；

图3是本发明中在图2所示窄带信号激励下典型结构Lamb波响应信号波形图；

图4是本发明中对图3所示典型响应信号截取并时间反转后的信号；

图5是本发明中再次在对应检测通道加载图4所示时反信号后，获得的聚焦响应信号；

图6（a）是本发明中根据各聚焦响应信号中得到的损伤散射信号波包与直达波传播时间差，利用椭圆定位原理，所画出的椭圆交点情况，并与真实损伤位置的对比；

图6（b）是本发明中通过各条检测通道路径所画椭圆的交点，得到的损伤检测结果与真实损伤对比图。

具体实施方式

本发明提供一种工程结构无基准Lamb波时间反转损伤监测方法，其基本原理是：由于频散效应，Lamb波各模式信号在传播过程中，不同频率成分以不同的传播速度传播，造成信号波包的延拓和混叠，而损伤散射信号往往比较微弱，在与直达波信号、边界反射信号的混叠过程中容易湮没在这些波形中。由于具有相同的时频域特征，损伤散射信号难以直接从复杂的混叠信号中提取出来，而差信号处理方法提取损伤散射信号容易引入环境变化、人为操作误差等因素引起的信号变化，引起误判。利用时间反转处理对波源的自适应聚焦机理，将包括内部散射信号、直达波信号在内的结构响应信号进行时间反转并再次加载，可以在波源处实现对波源信号的聚焦和重建，消除Lamb波的频散效应，使得原先延拓的波包信号重新汇聚起来，大大缓解信号混叠，较为清晰地分离出损伤散射波包。同时，可能出现的内部散射信号波包将以旁瓣的形式对称出现在聚焦主波峰两侧，根据时间反转聚焦处理过程中直达波、内部散射信号波包的相对出现时刻，主波峰峰值与旁瓣峰值之间的时间差，即为损伤散射信号传播时间与直达波传播时间的时间差，根据多条检测路径下得到聚焦主波峰与旁瓣峰值时间差信息，可在无需基准信号的情况下，得到与损伤相关的信号传播时间信息，从而实现对损伤的监测。

以下结合计算公式进一步说明本发明：

根据信号系统理论，当P_i为激励时，可以将P_j传感得到的信号f_ij表述成如下的频域形式F_ij(ω)：

F_ij(ω)=I(ω)·K_i(ω)·G_ij(ω)·K_j(ω)（1）

其中I(ω)为窄带激励信号，K_i(ω)和K_j(ω)分别为激励和传感的机电耦合系数，在窄带情况下可以认为是常数，G_ij(ω)为该检测通道下Lamb波信号传播传递函数。由于频散及多模效应，该信号存在波包的延拓以及信号的混叠。

当选择合适的激励中心频率，以在结构中激发出单一模式的Lamb波信号，如反对称A₀模式，同时，结构中存在单损伤散射源时，传递函数可以表述成：

$G_{\mathrm{ij}}\left(\mathrm{\ω}\right)=a_{A_0}(r_{1\mathrm{ij}},\mathrm{\ω})e^{-{\mathrm{jk}}_{A_0}{r}_{\mathrm{Dij}}}+\mathrm{\β}{a}_{A_0}(r_{2\mathrm{ij}},\mathrm{\ω})e^{-j{k}_{A_0}{r}_{\mathrm{Sij}}}=a_1{e}^{-j{k}_{A_0}{r}_{\mathrm{Dij}}}+a_2{e}^{-j{k}_{A_0}{r}_{\mathrm{Sij}}}---\left(2\right)$

其中，a_A0表示幅值项，与传播距离和传播频率有关，β为散射系数，因此在窄带激励下，确定传播距离的幅值项将不变而成为常数项；k_A0为A₀模式Lamb波信号的波数，是角频率与传播相速度的比值，r_Dij、r_Sij分别为直达波和损伤散射信号的传播距离。对式（1）所示结构响应信号进行截取，截去边界反射信号，并进行时间反转（等效于频域取共轭，用上标^*表示），再次在激励P_i加载则，则在P_j传感得到的聚焦响应信号可以表述为：

F_Fij(ω)=I^*(ω)·K_i(ω)·K_i*(ω)·K_j(ω)·K_j ^*(ω)·G_ij(ω)·G_ij ^*(ω)（3）

由于机电耦合系数仅影响信号幅值，与自身的共轭相乘后为正实数，故用K_TR代替式（3）中的K_i(ω)·K_i ^*(ω)·K_j(ω)·K_j ^*(ω)项，将式（2）代入式（3）可以得到：

$F_{\mathrm{Fij}}\left(\mathrm{\ω}\right)=(a_1^2+a_2^2)K_{\mathrm{TR}}{I}^{*}\left(\mathrm{\ω}\right)+a_1{a}_2{K}_{\mathrm{TR}}(e^{-j{k}_{A0}(r_{\mathrm{dij}}-r_{\mathrm{Sij}})}+e^{-j{k}_{A0}(r_{\mathrm{Sij}}-r_{\mathrm{dij}})})I*\left(\mathrm{\ω}\right)---\left(4\right)$

从上式可以看出，第一项中仅含幅值项和激励信号，与波数无关，也就不受频散效应影响，其幅值为各波包信号幅值的平方和与机电耦合系数平方的乘积，为聚焦主波峰，实现了初始激励信号的重构，因此补偿了传播过程中的频散和波包延拓，有利于简化信号和波包的辨识；其余两项对称出现在聚焦主波峰两侧，且到主波峰的时间差为k_A0(r_Sij－r_Dij)，即损伤散射信号传播时间与直达波传播时间的时间差，由于该项中的(r_Sij－r_Dij)为距离差，要远小于r_Sij，频散效应对旁瓣信号的影响被减弱，进一步改善了信号的质量。对式（4）作傅里叶逆变换，可以整理得到中心频率下的聚焦响应信号时域基本形式f_Fij为：

$f_{\mathrm{Fij}}\left(t\right)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}(a_1^2+a_2^2)I(-t)+\frac{1}{2\mathrm{\π}}{a}_1{a}_2[I(\frac{r_{\mathrm{Dij}}-r_{\mathrm{Sij}}}{c_{A_0}}-t)+I(\frac{r_{\mathrm{Sij}}-r_{\mathrm{Dij}}}{c_{A_0}}-t)]---\left(5\right)$

式中，c_A0为A0模式的Lamb波信号传播群波速。由于直达波传播距离r_Dij即为激励P_i和传感P_j之间的距离，确定已知，因此可以通过时间差△t_ij=(r_Sij－r_Dij)/c_A0直接计算得出损伤散射信号的传播距离r_Sij：

r_Sij=r_Dij+△t_ij×c_A0（6）

再根据多个检测路径下得到的损伤散射信号传播距离r_Sij，以及各压电传感器的坐标，采用椭圆定位原理，就可以计算出损伤的位置，实现损伤定位与检测。

以下将结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。

本实施例包括下列步骤：

（1）本发明所采用的一个实施例的试件为铝板结构，其尺寸为80cm×80cm×0.2cm，如图1所示。实施例中利用压电传感器的正反压电效应，选用4片压电传感器组建传感/激励阵列，以板结构中心为坐标原点，各传感器标号和坐标分别为1（-15,15），2（15,15），3（-15，-15），4（15，-15），单位为cm。实验中的损伤形式为典型的通孔损伤，圆心位置（-5cm,5cm），直径2cm。

（2）在传感/激励阵列中选择一个传感器（P_i）（i＝1，2，3，4）作为激励，将五波峰窄带激励信号加载到该激励元件上，使之在板结构垂直方向上产生与信号幅值相一致的作用力，在结构中激发出以A₀模式为主的单模式Lamb波信号。采用的激励信号为正弦调制信号，中心频率200kHz，其时域波形如图2所示。激励的同时选定除激励传感器（P_j）外的其它传感器P_j(j＝1，2，3，4；且i≠j）传感并采集结构响应信号(f_ij），采样频率设定为20MHz。

重复上述过程可以得到由该传感/激励阵列可以产生的全部结构响应信号(f_ij），根据声波传播过程中的激励与传感互易性原理，此时由4个传感器产生的独立的结构响应信号为6组，其典型信号如图3所示。

图3中显示了结构响应信号f₂₃和f₁₂中的各波包分布及混叠情况。从图中可以看出，当损伤到激励和到传感的路径夹角较小时，结构响应信号中的损伤散射信号能量较大且清晰可见，可以直接用来判断损伤的发生，如f₁₂所示；而当损伤到激励和到传感的路径夹角较大时，损伤散射信号能量十分微弱，加上长距离传播过程中频散效应引起的波包脉宽延拓，损伤散射信号十分容易混叠在直达波信号波包中，引起信号的畸变而难以区分和提取，如f₂₃所示，此时，已经无法判别出损伤散射信号波包的五个波峰，加上能量微小，往往被当做噪声处理。

（3）根据根据各通道中激励-传感组合与边界的距离关系，对响应信号进行截取，截去所有的边界反射信号，仅保留直达波和内部散射信号，并对截取后的信号进行时间反转，得到时反响应信号f’_ij，其中i，j＝1，2，3，…，且i≠j。

图4显示了对图3所示信号进行截取时反处理后的结构响应信号，信号中仅保留了直达波信号和内部散射信号。

（4）将时反后的信号f’_ij再次加载到对应的激励P_i上，并在相应的传感P_j上采集时反聚焦结构响应信号f_Fij。图5显示了将图3所示的结构响应信号进行时反聚焦处理并再次采集得到的聚焦结构响应信号f_F23和f_F12。从图中可以看出，聚焦主波峰信号以及左右出现的旁瓣信号清晰可见。以f_F23为例，实施时间反转聚焦前（如图3所示），损伤散射信号波包由于信号微弱及Lamb波频散引起的波包延拓，与直达波信号波包混叠在一起而畸变难以区分，经过时间反转聚焦处理后，大大缓解了由于频散引起的信号混叠，损伤散射信号波包基本独立的显现出来，经过放大可以较为清晰的观察到五波峰散射波包的存在。

（5）根据各监测通道得到的聚焦响应信号中，主波峰信号和旁瓣信号的出现时间差△t_ij，采用式（6）计算得出各条检测路径下损伤散射信号的传播距离r_Sij，根据几何学知识，到两个定点的距离之和为一个定值的点的集合为椭圆，因此根据参数各条监测通道路径下的r_Sij以及激励P_i和传感P_j的坐标可以分别画出一个椭圆，则多条检测路径下画出的椭圆的交点即为损伤所在的位置，据此可以实现对损伤的定位监测，如图6（a）所示。同时，多条监测通道路径从多个角度对损伤进行检测，还可以实现对损伤大致范围的描述。图6（b）为图6中（a）中损伤和椭圆交点连线区域的局部放大图，在坐标（-5cm、5cm）处的圆圈表示真实损伤的位置和大小，各椭圆交点围成的区域形成一个四方形，表示检测出来的损伤位置和大小，检测结果表面，本发明方法在无需基准信号的情况下，基本检测出了损伤的情况，实现了无基准损伤检测。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种工程结构无基准Lamb波时间反转损伤监测方法，其特征在于包括下列步骤：

（1）在待测结构上，根据检测区域大小，布置一组压电传感器组成激励/传感阵列；

（2）在激励/传感阵列中选择作为激励的压电传感器设为P_i，作为传感的压电传感器设为P_j，组建检测通道，采集结构当前状态下所有激励/传感通道的Lamb波响应信号f_ij，其中i，j＝1，2，3，…，且i≠j；

（3）根据各通道中激励-传感组合与边界的距离关系，对响应信号f_ij进行截取，截去所有的边界反射信号，仅保留直达波和内部散射信号，并对截取后的信号进行时间反转，得到时反结构响应信号f’_ij，其中i，j＝1，2，3，…，且i≠j；

（4）将时反结构响应信号f’_ij再次加载到对应的激励P_i上，并在相应的传感P_j上采集时反聚焦结构响应信号f_Fij，其中i，j＝1，2，3，…，且i≠j；

（5）在各检测通道得到的时反聚焦结构响应信号f_Fij中，提取聚焦主波峰与旁瓣信号的出现时间差△t_ij，以此为特征参数，根据Lamb波传播波速，采用椭圆定位方法，计算得出损伤的位置和大致范围，分析、判定待测结构的健康情况，其中i，j＝1，2，3，…，且i≠j。

2.如权利要求1所述的一种工程结构无基准Lamb波时间反转损伤监测方法，其特征在于：所述步骤（2）的详细步骤为：

（21）在结构当前状态下，通过函数发生器和功率放大器将Lamb波超声信号加载到作为激励的压电传感器P_i上，在结构中激发激励信号；

（22）依次选取各压电传感器P_j作为传感，其中j=1，2，3，…，且j≠i，经电荷放大器将P_i激励下的Lamb波结构响应信号传感、放大并采集进入控制计算机中，得到P_i激励下的所有激励/传感通道下的Lamb波响应信号f_ij，其中j＝1，2，3，…，且j≠i；

（23）选择另外一个压电传感器作为激励，重复步骤（21）、（22）过程，得到所有激励/传感通道下的Lamb波响应信号f_ij，其中i，j＝1，2，3，…，且i≠j。

3.如权利要求2所述的一种工程结构无基准Lamb波时间反转损伤监测方法，其特征在于：所述步骤（21）中，所述的激励信号为窄带信号，以激发出单模式为主的Lamb波结构响应信号。

4.如权利要求1所述的一种工程结构无基准Lamb波时间反转损伤监测方法，其特征在于：所述步骤（4）的详细步骤为：

（41）通过函数发生器和功率放大器将步骤（3）截取时反后的时反结构响应信号f’_ij加载到对应的激励P_i上，在结构中激发激励信号；

（42）选取与信号f’_ij相对应的压电传感器P_j作为传感，经电荷放大器将P_i激励下的Lamb波聚焦结构响应信号传感、放大并采集进入控制计算机中，得到该激励/传感通道下的Lamb波时反聚焦结构响应信号f_Fij；

（43）选择另一组截取时反信号，重复步骤（41）、（42）过程，直至得到所有激励-传感通道下的Lamb波时反聚焦结构响应信号。

5.如权利要求1所述的一种工程结构无基准Lamb波时间反转损伤监测方法，其特征在于：所述步骤（5）的详细步骤为：

（51）针对当前状态下的Lamb波时反聚焦结构响应信号f_Fij，提取聚焦主波峰信号峰值和旁瓣信号峰值之间的时间差△t_ij，根据时反聚焦过程中直达波信号和损伤散射信号波包的相互关系，该时间差即为直达波信号和损伤散射信号传播时间差，因此由Lamb波信号传播速度c，计算得出散射信号传播路径r_Sij和直达波传播路径r_Dij之差，即路径距离差c×△t_ij；

（52）根据时反聚焦结构响应信号f_Fij对应的检测通道中直达波传播路径r_Dij，即激励P_i与传感P_j之间的距离，以及由步骤（51）中所得的路径距离差c×△t_ij，计算得到检测信号沿激励-损伤-传感路径的散射传播距离r_Sij=r_Dij+c×△t_ij；

（53）根据激励/传感阵列中各传感器的坐标，和多个检测通道下得到的散射传播距离r_Sij，采用椭圆定位方法，计算得到损伤的位置和大致范围，实现对损伤的定位与监测。

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