CN110068613B - 一种结构导波响应群速度频散测试方法 - Google Patents

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Abstract

一种结构导波响应群速度频散测试方法，在结构件上布置单组PZT压电元件对，分别作为信号激励器和传感器，构成导波信号激励‑传感测量通道；按照测试频段设计一组窄带激励信号，采集相应激励下的结构导波响应信号；对所有采集到的结构导波响应信号进行时间截取，并对截取后的信号按直达波信号最大峰值幅度分别进行归一化处理，再按照激励时刻基准进行同步叠加，对叠加后的信号做时频处理，根据时频处理结果中的波峰分布以及传播距离，计算得到待测结构中导波传播频散特性。本发明方法能基于现有的测试条件，简便实现板、壳、管、柱等结构中频散特性的测试和分析，对导波结构健康监测的研究和应用具有较好的支撑作用和应用价值。

Description

一种结构导波响应群速度频散测试方法
技术领域
本发明属于导波监测技术领域，涉及一种采用单组压电激励/传感元件的结构导波响应群速度频散测试方法，用于实际工程结构中导波信号多模态群速度-频率频散曲线测试，从而实现待测工程结构导波频散特性分析和监测。
背景技术
随着导波监测技术的不断发展，其应用越来越广泛，但由于导波信号存在多模及频散特性，在应用过程中存在信号分析和处理难的问题。现有研究中大多针对均匀板、壳、柱体类结构，通过求解频散方程获得此类待测结构的频散曲线，然而，实际工程应用中，大多数的工程结构都是非均匀尺度的，因此很难直接得到频散曲线解析解，为了进行导波损伤监测，必须采用现场测试的方法确定速度-频率频散特性。
导波在线结构损伤监测应用中，处于体积、功耗等考虑，大多采用压电陶瓷片作为激励器传感器，加上信号发生装置、功率放大器、信号放大器和数据采集设备等，构成完整的监测系统。由于压电陶瓷片往往是直接粘贴在待测结构表面，因此在导波信号激励与传感过程中，根据动力学方程，导波信号是通过压电陶瓷施加在结构表面的剪应力传递而激发出来的，然而，当压电陶瓷片尺寸固定时，在这一激发过程中，激发出的信号幅度具有频率调制特性，即激发出的各模态信号幅度随着信号频率的变化而改变；其次，压电陶瓷片的中心工作频率一般在数百kHz左右，在此范围内，信号激励效率高，激发出的导波信号幅度大，但随着频率偏离这一中心工作频率，激发出的导波信号幅度快速衰减。因此传统的宽带脉冲式结构导波信号频散特性测试方法，难以应用于压电陶瓷片激励器/传感器组合下的结构导波信号频散测量，进而影响了监测过程中模式、中心频率、信号形式等参数的选择，这对于导波监测技术的应用增加了新的难度。目前，面向实际工程结构，还缺乏快速有效的采用单组压电激励/传感元件对实现结构导波响应信号频散测试的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：现有导波在线结构损伤监测应用中，需采用现场测试的方法确定速度-频率频散特性，而传统的宽带脉冲式结构导波信号频散特性测试方法难以应用于压电陶瓷片激励器/传感器组合下的结构导波信号频散测量。
本发明的技术方案为：一种结构导波响应群速度频散测试方法，采用单组压电激励/传感元件，包括以下步骤：
步骤1，在结构件上布置单组PZT压电元件对，分别作为信号激励器和传感器，构成导波信号激励-传感测量通道；
步骤2，按照测试频段，设计一组激励信号Ei，i＝1,2,,N，N为激励信号总数量，并将激励信号在激励器上依次分别加载，同时采集相应激励下的结构导波响应信号Si，i＝1,2,,N；
步骤3，对所有采集到的结构导波响应信号进行时间截取，截取时间窗口相同，截取后的响应信号中包括所有直达波波包，并对截取后的信号按直达波信号最大峰值幅度分别进行归一化处理，得到归一化响应信号
Figure BDA0002021226360000021
i＝1,2,,N；
步骤4，将所有截取并归一化处理后的响应信号
Figure BDA0002021226360000022
以各自对应的激励开始时刻为基准，进行同步叠加，得到叠加响应信号
Figure BDA0002021226360000023
对叠加后的响应信号
Figure BDA0002021226360000024
做时-频处理，根据时频处理结果中的波峰分布以及传播距离，计算得到待测结构中导波传播频散特性。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤2中一组激励信号均为窄带信号。
作为进一步的优选方案，各窄带激励信号在时间域的脉宽相同，相邻激励信号的中心频率间隔与频域半脉宽相同或接近。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤4中，响应信号频散特性计算方法为：根据时频处理结果中的波峰分布所在时间点和频率点，以及激励器与传感器之间的间距L，根据传播速度＝传播距离/传播时间，计算得到各频率点下，待测结构中导波各模态信号传播速度，进一步进行曲线拟合得到多模态传播速度随频率变化频散曲线。
本发明提供了一种采用固定结构表面的单组压电激励器和传感器，实现待测结构中导波响应信号群速度频散特性测量的方法，针对激励过程中的各模态信号幅度调制作用以及偏离压电陶瓷片中心工作频率时激励效率衰减等问题，采用等时间域和频率脉宽条件下的序列窄带激励信号分别激发，按照结构响应信号直达波幅度进行响应信号归一化处理，以及响应信号的同步叠加与时频处理，获得结构响应信号各模态的群速度-频率频散特性。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用单组压电激励器和传感器，即可实现对未知参数结构中传播的导波响应信号频散特性的测量，为后续的模态选择、损伤定位提供基础参数。
2、本发明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完成数据采集，得到待测结构中导波传播频散特性。
3、本发明实现方法简单，只需设计一组相同时间域和频域脉宽的窄带激励信号，相邻激励信号中心频率间隔与频域脉宽相当即可，无需对系统进行其他操作。
4、本发明针对待测结构系统进行测量，针对性和实用性强。
附图说明
图1是本发明实施例中实验试件及单组压电激励器/传感器布置方案。
图2(a)是本发明实施例中设计的一组窄带激励信号的典型波形时域图。
图2(b)是本发明实施例中设计的一组窄带激励信号的典型波形频域图。
图3(a)是本发明实施例中一组窄带激励信号叠加信号的时域波形图。
图3(b)是本发明实施例中一组窄带激励信号叠加信号的时频域等高线图。
图4是本发明实施例中图2显示典型激励信号激励下得到的典型结构导波响应信号时域波形图。
图5是本发明实施例中对图4直达波幅度进行归一化处理后得到的典型结构导波响应信号时域波形图。
图6是本发明实施例中所有归一化处理后的结构导波响应叠加信号波形图。
图7是本发明实施例中所有归一化处理后的结构导波响应叠加信号时频域等高线图。
图8是本发明实施例中根据图7所示结构导波响应叠加信号时频域等高线直达波波峰到达时刻计算得到的S0和A0模式传播群速度随频率变化测量值。
图9是本发明实施例中根据图8所示S0和A0模式传播群速度随频率变化测量值拟合得到的S0和A0模式传播群速度频散曲线，(a)为S0模式，(b)为A0模式。
具体实施方式
本发明提出了一种采用单组压电激励/传感元件实现结构中传播的导波响应信号群速度频散特性测试方法，该方法具体为：在结构件上布置单组PZT压电元件对，分别作为信号激励器和传感器，构成导波信号激励-传感测量通道；按照测试频段，设计一组窄带激励信号，并在激励器上分别加载，同时采集相应激励下的结构导波响应信号；对所有采集到的结构导波响应信号进行时间截取，截取时间窗口相同，截取后的响应信号中包括所有直达波波包，并对截取后的信号按直达波信号最大峰值幅度分别进行归一化处理；将所有截取并归一化处理后的响应信号按照激励时刻基准进行同步叠加，对叠加后的信号做时频处理，根据时频处理结果中的波峰分布以及传播距离，计算得到待测结构中导波传播频散特性。本发明方法能基于现有的测试条件，简便实现板、壳、管、柱等结构中频散特性的测试和分析，对导波结构健康监测的研究和应用具有较好的支撑作用和应用价值。
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
一种采用单组压电激励/传感元件的结构导波响应群速度频散测试方法，包括如下步骤：
步骤1，在结构件上布置两片PZT压电陶瓷片，构成单组压电元件对，分别作为信号激励器和传感器，构成导波信号激励-传感测量通道；
在本实施例中，采用一块T6061铝板作为实验结构，其尺寸为600mm*600mm*2mm。在结构上安装了2片压电陶瓷片，具体位置如图1所示，利用压电陶瓷片的正反压电效应，2片压电陶瓷片可分别作为激励器和传感器，组成一组激励-传感通道，激励器与传感器之间的间距为330mm。为消除边界反射带来的影响，激励器与传感器距离边界距离设定为激励器与传感器间距的一半以上。
步骤2，按照测试频段，设计一组激励信号Ei，i＝1,2,,N，N为激励信号总数量，并将激励信号经功率放大器功率放大后在激励器上依次分别加载，同时采集相应激励下的结构导波响应信号Si，i＝1,2,,N；
在本实施例中，激励信号采用正弦调制窄带信号，所述的激励信号时域脉宽为0.0625ms，根据压电陶瓷片的工作频率，设定一组激励信号的起始中心频率为100kHz、终止中心频率为400kHz，相邻中心频率间隔为20kHz，其中典型激励信号时域形式如图2(a)所示，图中显示了从激励信号组中100kHz～180kHz中心频率的激励信号时域波形，信号的时域脉宽均相同，这些信号的频域幅度图如图2(b)所示，各激励信号的频域脉宽相等，主瓣脉宽约为45kHz，中心频率相邻间隔为20kHz。将所有的激励信号进行同步叠加，叠加后的信号时域波形如图3(a)所以，其频域等高线如图3(b)所示。依此将上述设计的激励信号在激励器加载，得到的图2所示典型激励信号激发下的结构导波响应信号Si如图4所示，可以看出：1)所有响应信号的直达波信号大约在0～0.2ms之间；2)由于粘贴压电片形式对导波信号激励幅值的调制作用，以及压电陶瓷片中心工作频率影响，各响应信号及其包含的模态波包幅度变化较大，直接进行分析，很难获得完整的模态频散曲线。
步骤3，对所有采集到的结构导波响应信号进行时间截取，截取时间窗口相同，截取后的响应信号中包括所有直达波波包，并对截取后的信号按直达波信号最大峰值幅度分别进行归一化处理，得到归一化响应信号Si nor，i＝1,2,,N；
本实施例中，按照步骤2中得到的响应信号直达波波包所处的时间窗口，选取时间截取窗口为0～0.2ms，同时以每组信号中直达波波包幅度为归一化系数，得到图4所示的典型结构响应信号归一化信号Si nor如图5所示。此时，各结构响应信号中的模态波包幅度处于同一量级中，便于分析和计算。
步骤4，将所有截取并归一化处理后的响应信号Si nor，以各自对应的激励开始时刻为基准，进行同步叠加，得到叠加响应信号
Figure BDA0002021226360000051
对叠加后的响应信号
Figure BDA0002021226360000052
做时-频处理，根据时频处理结果中的波峰分布以及传播距离，计算得到待测结构中导波传播频散特性。
本实施例中，以激励信号开始时刻为基准，将各归一化处理后的响应信号
Figure BDA0002021226360000053
进行叠加，得到的叠加响应信号
Figure BDA0002021226360000054
如图6所示，采用短时傅里叶变换，对这一叠加信号进行视频处理，得到的信号时频结果的等高线图如图7所示，根据等高线分布，按照最大幅度，分别提取并记录各个激励中心频率下的第一到达波和第二到达波(即S0和A0两个模态)波峰到达时刻，再按照速度计算公式v＝L/t，其中v表示速度，L表示传播距离，本实施例中为330mm，t表示传播时间，通过将直达波波峰到达时刻减去激励信号波峰时刻获得，得到的两种模态群速度测量值如图8所示，采用曲线拟合方法，对上述测得点进行拟合，得到的S0模态和A0模态群速度频散拟合曲线，分别如图9(a)、(b)所示。至此，待测结构导波群速度频散曲线被测试出来，供后续实验和检测。
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 (2)

1.一种结构导波响应群速度频散测试方法，其特征是采用单组压电激励/传感元件，包括以下步骤：
步骤1，在结构件上布置单组PZT压电元件对，分别作为信号激励器和传感器，构成导波信号激励-传感测量通道；
步骤2，按照测试频段，设置一组相同时间域和频域脉宽的窄带激励信号Ei，i＝1,2,…,N，N为激励信号总数量，并将激励信号在激励器上依次分别加载，同时采集相应激励下的结构导波响应信号Si，i＝1,2,…,N；各窄带激励信号在时间域的脉宽相同，相邻激励信号的中心频率间隔与频域半脉宽相同或接近；
步骤3，对所有采集到的结构导波响应信号进行时间截取，时间截取的窗口相同，所述截取的响应信号中包括所有直达波波包，并对截取后的信号按直达波信号最大峰值幅度分别进行归一化处理，得到归一化响应信号
Figure FDA0003476075210000011
i＝1,2,…,N；
步骤4，将所有截取并归一化处理后的响应信号
Figure FDA0003476075210000012
以各自对应的激励开始时刻为基准，进行同步叠加，得到叠加响应信号
Figure FDA0003476075210000013
对叠加后的响应信号
Figure FDA0003476075210000014
做时频处理，根据时频处理结果中的波峰分布以及传播距离，计算得到待测结构中导波传播频散特性。
2.根据权利要求1所述的一种结构导波响应群速度频散测试方法，其特征是所述步骤4中，所述频散特性计算方法为：根据时频处理结果中的波峰分布所在时间点和频率点，以及激励器与传感器之间的间距L，根据“传播速度＝传播距离/传播时间”，计算得到各频率点下，待测结构中导波各模态信号传播速度，进行曲线拟合得到多模态传播速度随频率变化频散曲线。
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