江騰，張雪婷，朱永凱

（南京航空航天大學 自動化學院，江蘇 南京 210016）

利用壓電陶瓷片激勵Lamb波[1]是一種常用的材料損傷檢測方法。Lamb波各模式信號之間的混疊在損傷檢測中是一個常見的問題，實際檢測中時常會碰到小尺寸的檢測平面，那么這時候利用傳感器布設(shè)來防止混疊和邊界反射信號是無法實現(xiàn)的。本文提出了通過Lamb波激勵模式優(yōu)化，達到小范圍、近距離情況下?lián)p傷信號之間的模式分離，實驗結(jié)果表明，該方法能夠在小范圍內(nèi)提取損傷信號。

1 鋁板中S0、A0波傳播速度實驗計算

圖1 無損鋁板傳感器分布圖Fig.1 Nondestructive aluminum sensor distribution diagram

實驗中我們采用LF21型鋁板作為實驗試件，尺寸為600×600×2mm。首先我們在鋁板上用耦合劑粘貼3塊直徑10 mm，厚度1 mm的壓電陶瓷片。實驗過程中我們使用經(jīng)過Hanning窗調(diào)制的5周期正弦信號作為激勵信號，激勵信號幅值為5 V，中心頻率為150 kHz。實驗鋁板以及壓電陶瓷的布設(shè)平面圖、側(cè)視圖如圖1所示。

S0模式和A0模式[2]的傳播速度對于后續(xù)小范圍、近距離損傷信號的研究是必須的，所以我們首先測量S0、A0模式波在LF21鋁板內(nèi)的傳播速度?；趫D1中的圖（b）我們分別給PZT2和PZT3施加激勵信號，PZT1作為接收，PZT2為同面激勵，PZT3為異面激勵，接收PZT和激勵PZT之間的間距ΔL=173 mm，PZT和邊界距離d=213.5 mm。經(jīng)過Matlab程序處理后的信號如圖2所示。

如圖2所示，第一部分代表S0模式波，由于S模式波的對稱性，所以PZT1接收到的波形幅值和相位相同，而第二部分表示A0模式波，由于A模式波的反對稱性，所以PZT1接收到的波形幅值相同，相位相反。

對于上述波形我們驗證S0模式和A0模式波在鋁板中傳播的群速度。圖中激勵信號的幅值為原信號幅值的1/500。3個信號峰值點從左到右對應(yīng)激勵信號峰值點、PZT接收到的S0模式波峰值點、PZT接收到的A0模式波峰值點，我們可以從Matlab處理信號圖上得到激勵信號橫坐標x=491，xS0=848，xA0=1192，相鄰兩個點之間的采樣時間差為采集整個信號的時間，在本次實驗中T=250μs，n表示采集到的信號點數(shù)，本實驗中n=2 500，所以相鄰采樣點之間的采樣時間差τ=10-7秒。根據(jù)速度公式可以得到VS0=4 846 m/s，VA0=2 468 m/s，此速度只是作為后續(xù)小范圍、近距離損傷信號研究的一個參考速度。

圖2 遠距離接收的同面、異面信號Fig.2 Long distance with the same surface and contrary surface signal

2 近距離損傷中激勵方式的選擇

我們知道，在材料損傷檢測中，利用PZT作為傳感器檢測損傷的方法最常用的就是單面激勵、單面接收和雙面激勵和單面接收兩種，所以本節(jié)主要研究哪一種激勵方式[3]更適合近距離損傷的檢測。

在小范圍近距離損傷實驗中，我們縮小傳感器之間的距離，具體實驗布設(shè)如圖1（b），其中ΔL取值為55 mm，則相應(yīng)的取值為272.5 mm。實驗過程中我們使用經(jīng)過Hanning窗調(diào)制的5周期正弦信號作為激勵信號，激勵信號幅值為5 V，中心頻率為150 kHz。實驗中采用PZT1作為接收，PZT2作為激勵，接收到的單面同面信號如圖3所示。

圖3 5.5cm下的單面同面信號Fig.3 Sided with the surface signal under 5.5cm

從圖中可以清楚的看到，同面信號的有3個峰值近似的波峰，而且接收到的信號不是5周期信號，原因是激勵和接收PZT之間的距離太近，不滿足防止混疊的最小距離條件，S0模式波和A0模式波產(chǎn)生了混疊，無法分析信號，所以近距離損傷檢測采用單面激勵方式是不可行的。

為了驗證近距離損傷檢測中雙面激勵的效果，我們同時激勵PZT2和PZT3，PZT1作為接收，接收到的雙面信號如圖4所示。

圖4 5.5cm下的雙面信號Fig.4 Double signal under 5.5cm

從雙面信號圖中可以明顯看到1個5周期信號，其中波峰代表S0模式波的波峰，經(jīng)計算S0模式波波速為4 792 m/s，和理論值接近。由于雙面激勵無法將A0模式波完全消除，所以呈現(xiàn)出了幅值很小的A0模式波。

從上面的研究結(jié)果我們可以看出，在近距離、小范圍內(nèi)檢測損傷時，采用雙面激勵是可行的，而采用單面激勵存在著不足。所以，在近距離損傷中，我們應(yīng)該優(yōu)先考慮雙面激勵方式。

3 近距離損傷中單、雙面激勵對比研究

本節(jié)主要對近距離損傷檢測所接收到的損傷信號進行分析研究。在近距離損傷檢測中，在第2節(jié)中的LF21鋁板上人為制造一個損傷空洞，在鋁板上布設(shè)4塊PZT，其中2塊對稱粘貼在損傷鋁板的正反面，記為PZT1和PZT2；另外2塊作為接收，記為PZT3和PZT4。其中損傷位置到PZT1（PZT2）和PZT3的距離相等。實驗鋁板以及壓電陶瓷的布設(shè)平面圖、側(cè)視圖如圖5所示。

圖5 有損鋁板傳感器分布圖Fig.5 Destructive aluminum sensor distribution diagram

在損傷實驗中，我們首先給PZT1施加經(jīng)過Hanning窗調(diào)制的5周期正弦信號作為激勵信號，激勵信號幅值為5 V，中心頻率為150 kHz。同時讓PZT3和PZT4作為接收傳感器，PZT3接收到的是有損傷信號，而PZT4接收到的是無損傷信號。他們的信號差含有損傷信息，經(jīng)過Matlab處理后圖形如圖6所示。

圖6 單面激勵信號圖Fig.6 Single excitation signal diagram

從圖中我們可以看到，有損信號的幅值比無損信號的幅值大，是因為Lamb波經(jīng)過損傷傳播到接受傳感器的信號和Lamb波直線傳播到接收傳感器的信號發(fā)生了混疊，導致了信號幅值的增大，兩者的差信號就是損傷信號，其中包含了損傷信息。

從圖中可知，對應(yīng)波峰的時間差是確定的，激勵傳感器到損傷的距離和損傷到接收傳感器的距離是確定的，本實驗中的距離之和為12.2 cm。并且損傷空洞并不會引起Lamb波各模式波的傳播速度，所以根據(jù)距離之和和時間，我們可以測得S0模式波的速度為6 545 m/s。與無損傷板上測得的速度相差甚遠，發(fā)生這種情況的原因是單面激勵模式中的模式發(fā)生了混疊，所以差信號中的第一個波峰并不代表S0模式波。

接下來我們同時對PZT1和PZT2施加激勵信號[4-6]，即采用雙面激勵的方式進行實驗。雙面激勵實驗中我們得到的PZT3有損傷信號和PZT4無損傷信號以及他們的差信號如圖7所示。

從圖中可知，對應(yīng)波峰的時間差是確定的，激勵傳感器到損傷的距離和損傷到接收傳感器的距離是確定的，本實驗中的距離之和為12.2 cm。并且損傷空洞并不會引起Lamb波各模式波的傳播速度，所以根據(jù)距離之和和時間，我們可以測得S0模式波的速度為4 778 m/s。與無損傷板上測得的速度接近，說明了雙面激勵在近距離損傷檢測中是可行的。

4 結(jié) 論

文中對主動Lamb波[7]監(jiān)測技術(shù)在小范圍、近距離損傷中的激勵方式進行了研究。根據(jù)實驗和理論計算，對單面激勵和雙面激勵損傷信號進行了對比研究。結(jié)果表明，在小范圍、近距離的損傷檢測中，運用雙面激勵方式比單面激勵方式的效果好，精確度高。這對于目前廣泛研究的基于Lamb波的損傷檢測技術(shù)是十分有幫助的。

圖7 雙面激勵信號圖Fig.7 Double excitation signal diagram

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