CN107884058B - 一种复杂结构Lamb波群速度频域测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种复杂结构Lamb波群速度频域测量方法，属于Lamb波结构健康监测领域。该方法包括下列步骤：（1）在结构中布置压电片并采集结构Lamb波参考信号；（2）在结构中引入散射体并采集当前结构状态下的Lamb波传感信号；（3）根据Lamb波传感信号及其参考信号求取Lamb波散射信号；（4）从Lamb波散射信号中提取所选模式的散射波包；（5）计算Lamb波激励信号和散射波包的频谱；（6）求取Lamb波激励信号和散射波包的相位差谱；（7）由相位差谱计算得到Lamb波所选模式的群速度。本发明避免了传统时域测量方法中Lamb波频散的影响，提高了测量的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及一种复杂结构Lamb波群速度频域测量方法，属于Lamb波结构健康监测领域。
背景技术
结构健康监测技术对于提高工程结构安全性、降低维护费用具有重要意义。Lamb波作为薄板类结构中的一种超声导波，其传播距离远并对结构内部和表面损伤均敏感，所以广泛应用于结构健康监测中。Lamb波具有多模和频散特性。多模特性是指结构中至少存在两种Lamb波模式。按照Lamb波传播时结构质点振动相对于结构中界面是否为对称和反对称的特点，将Lamb波模式分为对称模式和反对称模式两类，而且每类模式又分为不同阶数。不同阶数的对称和反对称模式分别表示为S0,S1,S2...Sn和A0,A1,A2...An，其中n为阶数。Lamb波频散特性是指其相速度和群速度随频率变化而变化的特性。
在Lamb波结构健康监测方法的实际应用中，Lamb波的传播速度，尤其是群速度作为一种重要参数常需要测量。目前常用的群速度测量方法为时域测量方法，该方法一般需要提取Lamb波信号中直达波包的波达时间。然而，Lamb波频散容易造成信号波包发生时域扩展和变形，使Lamb波直达波包波达时间的准确提取变得困难，并最终降低群速度测量结果的准确性。Lamb波频散越严重，基于上述传统时域测量方法测得的群速度值越不准确。除此之外，实际工程结构较为复杂，边界反射严重，Lamb波传感信号中所选模式的直达波包很容易与边界反射波包发生混叠，难以提取纯净的直达波包进行该模式的群速度测量。
综述所述，复杂结构中Lamb波的群速度测量成为Lamb波工程应用中急需解决的一个实际问题。
发明内容
本发明提出了一种复杂结构Lamb波群速度频域测量方法，该方法通过频域求取Lamb波激励信号和散射波包的相位差谱，避免了传统时域测量方法中Lamb波频散的影响，提高了测量的准确性。另一方面，该方法基于Lamb波散射信号进行，而在通过比较Lamb波传感信号及其参考信号求取散射信号的过程中已大部分消除了边界反射信号，从而降低了复杂结构边界反射对群速度测量的影响。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
一种复杂结构Lamb波群速度频域测量方法，包括下列步骤：
(1)在结构中布置压电片并采集结构Lamb波参考信号
在结构中布置两个压电片分别作为激励和传感器，将窄带激励信号va(t)加载在激励上向结构中激发出Lamb波信号，并利用传感器采集结构中没有引入散射体情况下的参考信号v0(t)；
(2)在结构中引入散射体并采集当前结构状态下的Lamb波传感信号
在结构中引入单个散射体，并利用传感器采集结构当前状态下的Lamb波传感信号v1(t)；
(3)根据Lamb波传感信号及其参考信号求取Lamb波散射信号
对所述传感信号v1(t)和参考信号v0(t)进行信号差运算，得到对应于该散射体的Lamb波散射信号s(t)；
(4)从Lamb波散射信号中提取所选模式的散射波包
利用窗函数从所述Lamb波散射信号中提取出散射体产生的所选模式的散射波包；
(5)分别计算Lamb波激励信号和散射波包的频谱
分别对所述Lamb波激励信号va(t)和散射波包进行傅里叶变换得到两者的频谱Va(ω)和SW(ω)，其中Va(ω)和SW(ω)分别为va(t)和散射波包的频谱，ω表示角频率；
(6)求取Lamb波激励信号和散射波包的相位差谱
利用Va(ω)和SW(ω)，将所述Lamb波激励信号va(t)和散射波包的相位差谱先计算为
其中Φ1(ω)为未进行相位展开的Lamb波激励信号va(t)和散射波包的相位差谱，arctan[]表示反正切计算。然后对Φ1(ω)进行相位展开处理得到绝对或相对相位差谱Φ(ω)。
(7)根据相位差谱计算得到Lamb波所选模式的群速度
利用Φ(ω)将Lamb波所选模式的群速度计算为
其中cg(ω)为Lamb波所选模式在角频率ω下的群速度，L为该模式信号从激励经散射体传播至传感器整个散射路径的距离。
所述的步骤(2)中在结构中引入散射体的位置应该在所述激励和传感器的直达路径上。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明群速度测量中通过计算相位差谱来求取所选模式的群速度，避免了传统时域测量方法中计算信号飞行时间时，Lamb波频散对确定信号波达时间的影响，提高了测量的准确性。
(2)本发明利用Lamb波散射波包计算群速度，可减小实际复杂多反射结构中边界反射信号对测量的影响，提高了测量的准确性。
(3)本发明可根据某一Lamb波传感信号一次性计算出信号中心频率附近多个频率点的群速度值，相比于传统时域测量方法每次只能测量信号中心频率处的群速度值，测量效率高。
附图说明
图1是复杂结构Lamb波群速度频域测量方法的实施流程图。
图2是实施例提供的铝板结构中压电片和螺母的分布情况图。
图3是实施例提供的激励信号波形图。
图4是实施例提供的铝板结构中未粘接螺母时的Lamb波参考信号波形图。
图5是实施例提供的铝板结构中粘接有螺母时的Lamb波传感信号波形图。
图6是实施例提供的Lamb波散射信号波形图。
图7是实施例提供的从Lamb波散射信号中提取的A0模式散射波包图。
图8是实施例提供的相位展开后的激励信号和A0模式散射波包的相对相位差谱图。
图9是实施例提供的A0模式群速度频域测量值、时域测量值和理论值。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将参照本发明实施例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本发明的技术方案，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了便于验证，本实施例采用LY21铝板结构，尺寸为800mm×800mm×4mm，材料参数见表1。
表1.铝板材料参数
| 厚度d(mm) | 密度ρ(kg/m<sup>3</sup>) | 泊松比μ | 弹性模量E(GPa) |
| 4 | 2780 | 0.33 | 73.1 |
本实施例的复杂结构中Lamb波的群速度测量方法如图1所示，包括下列步骤：
(1)在结构中布置压电片并采集结构Lamb波参考信号
为了考察复杂多反射结构情况，在铝板的左下角，并靠近左边界和下边界处布置有2个压电片P1和P2分别作为激励和传感器，两个压电片在铝板结构中的具体位置如图2所示，其中两个圆表示分别表示相距200mm的压电片P1和P2。加载到P1上的激励信号为1.5波峰正弦调制信号va(t)，如图3所示，中心频率选为100kHz以向结构中激发出A0模式为主的Lamb波信号，同时利用P2采集到结构中没有引入散射体情况下的参考信号v0(t)，如图4所示，可在60-100μs时间段内看到，A0模式直达波包和边界反射波包发生严重混叠。
(2)在结构中引入散射体并采集当前结构状态下的Lamb波传感信号
为了产生能量尽量大的散射波包，以及尽可能降低二次边界反射波包的能量。在P1和P2直达路径的中间用502胶粘剂一个边长为1cm的六边形螺母D作为散射体，如图2中的六边形所示。向P1加载图3所示的激励信号va(t)，并利用P2采集结构当前状态下的Lamb波传感信号v1(t)，如图5所示。
(3)根据Lamb波传感信号及其参考信号求取Lamb波散射信号
对Lamb波传感信号v1(t)和参考信号v0(t)进行信号差运算，得到对应于螺母的Lamb波散射信号s(t)，如图6所示，可在60-100μs时间段内看到边界反射信号被有效抑制，使A0模式散射波包变得更为纯净。
(4)从Lamb波散射信号中提取所选模式的散射波包
根据Lamb波A0模式散射波包的时域位置，确定合适的窗函数，从图6中的Lamb波散射信号s(t)中提取出由散射体产生的A0模式散射波包，如图7所示。
(5)分别计算Lamb波激励信号和散射波包的频谱
基于快速傅里叶变换，分别对计算出Lamb波激励信号va(t)和所提取的A0模式散射波包的频谱Va(ω)和SW(ω)。
(6)求取Lamb波激励信号和散射波包的相位差谱
将Lamb波激励信号va(t)和A0模式散射波包的相位差谱计算为再经过相位展开处理得到相对相位差谱，如图8所示。
(7)根据相位差谱计算得到Lamb波所选模式的群速度
L＝20cm，根据计算得到Lamb波A0模式在中心频率100kHz附近的群速度，如图9所示，图中的理论值根据表1中的材料参数数值计算得到，时域测量值则依次利用中心频率分别为80～130kHz(间隔为1KHz)的散射信号进行了51次时域群速度测量得到。
从图9可看到，在80-130kHz频率范围内，频域测量结果在A0模式的理论值附近波动，两者非常吻合。而对于时域测量结果，虽然所利用的散射信号中边界反射已得到抑制，但由于A0模式频散对其散射波包的影响，使得最终时域测量结果与理论值偏差很大。而且，相比于通过1次频域测量就得得到80～130kHz频率范围内的群速度曲线，时域测量方法则需要进行51次测量，测量效率较低。
本发明的基本原理是：传统Lamb波群速度测量方法中将群速度计算为cg(ω)＝R/Ttof，其中Ttof为Lamb波模式信号从激励传播至传感器的飞行时间(Time of Flight,TOF)，R为传播距离。Ttof为Lamb波传感信号中所选模式直达波包和激励信号波包波达时间(Timeof Arrival,TOA)之差。由于信号波包的TOA一般定义为信号包络的最大值，而频散传感信号中的直达波包由于波包时域扩展和变形，使其包络顶点的时域位置相比于理想非频散下的情况发生变化，从而影响了最终群速度测量结果的准确性。
本发明则是将传统时域测量方法中时域确定Ttof替换为频域求取Lamb波激励信号和散射波包之间的绝对或相对相位差谱，故能避免频散影响信号时域波形引起的问题。
另一方面，本发明没有直接利用Lamb波传感信号，而是利用散射信号进行群速度测量。散射信号是通过对比结构引入散射体前后的传感信号和参考信号得到。由于两者均包含共同的边界反射信号，所以通过对比可以大大降低边界反射的影响。
Claims (3)
1.一种复杂结构Lamb波群速度频域测量方法，其特征在于，包括下列步骤：
(1)在结构中布置压电片并采集结构Lamb波参考信号；具体过程如下：在结构中布置两个压电片分别作为激励和传感器，将窄带激励信号va(t)加载在激励上向结构中激发出Lamb波信号，并利用传感器采集结构中没有引入散射体情况下的参考信号v0(t)；
(2)在结构中引入散射体并采集当前结构状态下的Lamb波传感信号；所述在结构中引入散射体的位置应该在所述激励和传感器的直达路径上；
(3)根据Lamb波传感信号及其参考信号进行信号差运算，求取得到对应于该散射体的Lamb波散射信号；
(4)利用窗函数从Lamb波散射信号中提取出散射体产生的所选模式的散射波包；
(5)分别计算Lamb波激励信号和散射波包的频谱；
(6)求取Lamb波激励信号和散射波包的相位差谱；具体过程如下：
利用Va(ω)和SW(ω)，将所述Lamb波激励信号va(t)和散射波包的相位差谱先计算为
其中Φ1(ω)为未进行相位展开的Lamb波激励信号va(t)和散射波包的相位差谱，arctan[]表示反正切计算，然后对Φ1(ω)进行相位展开处理得到绝对或相对相位差谱Φ(ω)；
(7)根据相位差谱计算得到Lamb波所选模式的群速度，具体过程如下：
利用Φ(ω)将Lamb波所选模式的群速度计算为：
其中cg(ω)为Lamb波所选模式在角频率ω下的群速度，L为该模式信号从激励经散射体传播至传感器整个散射路径的距离。
2.根据权利要求1所述的一种复杂结构Lamb波群速度频域测量方法，其特征在于，步骤(1)所述结构为铝板结构，尺寸为800mm×800mm×4mm。
3.根据权利要求1所述的一种复杂结构Lamb波群速度频域测量方法，其特征在于，步骤(2)的具体过程如下：在结构中引入单个散射体，并利用传感器采集结构当前状态下的Lamb波传感信号。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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