專利名稱：一種工程結(jié)構(gòu)損傷主動監(jiān)測中Lamb波時間反轉(zhuǎn)聚焦方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種板類工程結(jié)構(gòu)主動Lamb波損傷監(jiān)測的方法，尤其涉及一種 在常規(guī)通用設(shè)備條件下實現(xiàn)主動Lamb波結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測信號時間反轉(zhuǎn)聚焦增強， 從而實現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測的方法。
二背景技術(shù)：
隨著對結(jié)構(gòu)安全性、可靠性要求的不斷提高，結(jié)構(gòu)損傷的在線監(jiān)測和診斷日 益引起人們的高度重視，為了防止結(jié)構(gòu)損傷所帶來的災難或損失，必須對結(jié)構(gòu)進 行有效的監(jiān)測。
結(jié)構(gòu)損傷的在線監(jiān)測要求相關(guān)信號發(fā)生和采集設(shè)備要相對簡單，監(jiān)測必須具 有很高的實時性和準確性。板類結(jié)構(gòu)的損傷監(jiān)測一般采用主動Lamb波的方法， 即在結(jié)構(gòu)表面或內(nèi)部集成一定數(shù)量的激勵器和傳感器，如壓電元件，除此之外， 整個監(jiān)測系統(tǒng)還包括信號發(fā)生裝置、功率放大器、信號放大器和數(shù)采設(shè)備等，在 監(jiān)測時首先向結(jié)構(gòu)中激勵一定的波形，通過傳感器接收結(jié)構(gòu)的響應(yīng)以及損傷產(chǎn)生 的散射波，采集到計算機中，計算機程序根據(jù)損傷散射波的到達時刻、相位等信 息確定損傷的位置和范圍。根據(jù)Lamb波傳播理論，Lamb波在板結(jié)構(gòu)內(nèi)的傳播過 程中存在模式變換，各模態(tài)信號對損傷有不同的敏感程度和響應(yīng)，同時被監(jiān)測結(jié) 構(gòu)一般都較為復雜，傳感信號中將混疊有大量的由邊界、螺釘孔、加筋等引起的 散射信號，這些干擾信號與損傷散射信號的產(chǎn)生機理相同，因此具有相同的時頻 域特征，也就很難將他們區(qū)分開來。這些問題對正確的分析聲波傳播過程以及提 取損傷散射信號的特征參數(shù)帶來了困難，尤其是在復合材料板類結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測 中，由于存在各向異性，使得這一問題變得更加復雜。例如目前飛行器結(jié)構(gòu)采 用了大量的復合材料，且結(jié)構(gòu)都很復雜，要研究飛行器結(jié)構(gòu)的在線損傷監(jiān)測必須 首先克服損傷散射信號的提取問題。因此，必須對損傷散射信號進行有效放大， 以正確提取出與損傷相關(guān)的特征參數(shù)，保證監(jiān)測結(jié)果的真實性、有效性和穩(wěn)定性。
時間反轉(zhuǎn)(在頻域里稱作相共軛)聚焦方法是指傳感陣列接收到聲源發(fā)射的 時域信號后，將其信號時反，再發(fā)射出去，即先到后發(fā)、后到先發(fā)。該方法可以 使信號的能量在空間和時間上得到聚焦，通過這種聚焦實現(xiàn)聲源信號重構(gòu)，是一 種不需要介質(zhì)和傳感器數(shù)組性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的先驗知識就可以實現(xiàn)聲波自適應(yīng)聚焦 和檢測的方法。該理論對波源的自適應(yīng)聚焦能力被證明可以用來實現(xiàn)常規(guī)超聲波 無損檢測中對損傷處的信號聚焦，借此提高損傷散射信號的能量，提高傳感信號
的信噪比。但目前的信號時間反轉(zhuǎn)聚焦方法都是在較為復雜的設(shè)備條件下實現(xiàn) 的，對傳感器/激勵器陣列、信號發(fā)生器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備等都有很高的要求，顯 然不滿足在線結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測的要求；同時，在板類結(jié)構(gòu)的主動Lamb波損傷監(jiān)測 中，Lamb波傳播無方向性，各傳感器在接收損傷聚焦增強散射信號的同時，也 在接收各傳感器激發(fā)的時間反轉(zhuǎn)信號，這些信號將疊加在一起難以區(qū)分。因此， 在主動Lamb波結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)中采用常規(guī)的設(shè)備和方法難以獲取聚焦增強的 損傷散射信號，必須采用新的處理方法和技術(shù)實現(xiàn)損傷散射信號的聚焦和采集。
發(fā)明內(nèi)容
1、 技術(shù)問題本發(fā)明的技術(shù)問題是提供一種工程結(jié)構(gòu)損傷主動監(jiān)測中Lamb波時 間反轉(zhuǎn)聚焦方法，本方法應(yīng)用了傳感器/激勵器陣列技術(shù)，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測 設(shè)備條件基礎(chǔ)上，無需其他特殊設(shè)備采用巻積運算處理實現(xiàn)損傷監(jiān)測系統(tǒng)中 Lamb波信號的聚焦，提高損傷散射信號的信噪比，簡化特征參數(shù)提取方法，從 而提高監(jiān)測系統(tǒng)的準確性和穩(wěn)定性。
2、 技術(shù)方案為了解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明的方法包括下列步驟
(1)采集結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號 包括下列步驟
(1. 1)在結(jié)構(gòu)上布置一組壓電元件組成傳感/激勵陣列；
(1.2)通過函數(shù)發(fā)生器和功率放大器將Lamb波窄帶信號加載到步驟(1.1) 中壓電元件組的一個壓電激勵元件(尸,)上，在結(jié)構(gòu)中激發(fā)激勵信號；同時選定 壓電元件組中另一個壓電元件(A)作為傳感器采集結(jié)構(gòu)響應(yīng)；
(1. 3)以健康狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)為基信號，將損傷狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)與其 相減，得到損傷散射信號；
(1. 4)依次選定壓電元件組的壓電元件作為激勵器，得到所有激勵/傳感通道 下的損傷散射信號(厶J'=l， 2， 3…)；
(2) 時間反轉(zhuǎn)處理
根據(jù)步驟(1)采集到的損傷散射信號能量的衰減程度，進行時間反 轉(zhuǎn)處理，得到經(jīng)過處理的損傷散謝信號力)；進行時間反轉(zhuǎn)處理時，選定相 同的開始時刻和時間長度形成時間窗口，使響應(yīng)信號的能量集中在該時間窗口 中，將時間窗口內(nèi)的信號反轉(zhuǎn)；
(3) 損傷散射信號聚焦
把步驟(2)得到的經(jīng)時間反轉(zhuǎn)處理的損傷散射信號(/'力)與步驟(1)
中未經(jīng)反轉(zhuǎn)處理的損傷散射信號(&)對應(yīng)巻積，再將巻積結(jié)果對應(yīng)累加實現(xiàn)各 傳感器(5)上的損傷散射信號聚焦增強，以利于結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)的辯識，從而實 現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測。
在本步驟中，把所有經(jīng)截取并時間反轉(zhuǎn)處理后的損傷散射信號與處理前的所
有損傷散射信號按照聲波激勵——損傷散射——傳感的過程規(guī)律進行對應(yīng)巻積， 將巻積結(jié)果對應(yīng)累加實現(xiàn)各傳感器上的損傷散射聚焦信號。
在進行結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)辯識時，首先進行特征參數(shù)的提取，如在步驟(3)得 到的損傷散射聚焦信號中，提取峰值到達時刻作為損傷散射信號到達時刻，以此 為特征參數(shù)，進行損傷檢測，得到損傷的位置和范圍，從而分析、判定得到被監(jiān) 測結(jié)構(gòu)的健康情況?？刹捎贸Ｓ玫膿p傷檢測方法，例如四點圓弧定位法、橢圓定 位法等方法，計算出損傷的位置，完成結(jié)構(gòu)健康狀況的監(jiān)測。
本發(fā)明的基本原理是在確定了頻厚積時，Lamb波信號的傳播特性隨之確 定，速度等參數(shù)也就確定。因此，可以采用信號與系統(tǒng)理論，將信號激勵、傳播 與傳感過程看成為一個系統(tǒng)，采用系統(tǒng)分析方法，對Lamb波傳播過程進行分析 和處理。在由激勵元件、結(jié)構(gòu)、傳感器組成的系統(tǒng)中，激勵元件可以看成是信號 輸入端，傳感器為輸出端，而結(jié)構(gòu)可以用傳遞函數(shù)來描述，系統(tǒng)的輸出就可以看 作激勵信號與結(jié)構(gòu)傳遞函數(shù)的巻積。在結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷時，各傳感器接收到的Lamb 信號中均包含來自同一損傷的散射信號，而各自包含的其他邊界散射信號來自不 同位置的散射體，因此只有損傷在整個信號的傳播過程中起到了波源作用。利用 時間反轉(zhuǎn)理論對波源的自適應(yīng)聚焦能力，通過將各傳感信號時間反轉(zhuǎn)聚焦可加強 損傷處信號的強度，進而提高損傷散射信號的能量，而邊界散射信號由于不具備 波源的特征，將得不到聚焦加強，從而突出損傷散射信號，提高信號的信噪比。 基于系統(tǒng)分析方法，采用巻積處理可在計算機中實現(xiàn)這一過程，從而在不需要其 他設(shè)備條件的基礎(chǔ)上實現(xiàn)對損傷散射信號的聚焦增強和信噪比提高。本發(fā)明方法 根據(jù)信號系統(tǒng)理論方法，按照時間反轉(zhuǎn)聚焦的基本原理，采用巻積運算實現(xiàn)損傷 散射信號的聚焦增強處理，解決損傷散射信號的再接收問題，可以在有限設(shè)備條 件下有效實現(xiàn)信號的信噪比提高，有利于推動結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的推廣和應(yīng)用。
以下結(jié)合計算公式進一步說明本方法-
根據(jù)信號系統(tǒng)理論，當A為激勵器時，可以設(shè)定從激勵元件到損傷處的信 號傳遞函數(shù)為/^ 而損傷處到各傳感器的傳遞函數(shù)為i^,如)，(厶y=i， 2，
3……)，則傳感器A上接收到的損傷散射信號/力.的頻譜巧,如)為
<formula>formula see original document page 6</formula>(3 — 1)
將傳感信號時反加載，則在損傷處可以得到 <formula>formula see original document page 6</formula>' (3—2)
各傳感器接收到的增強了的損傷散射信號將轉(zhuǎn)變?yōu)?br> <formula>formula see original document page 6</formula>
其中4=1， 2， 3， 。
從式(3 — 3)中不難發(fā)現(xiàn)，"^(w)，a;(^，/^,如)"為傳感器A接收初始 激勵元件尸/激勵時的損傷散射信號的時間反轉(zhuǎn)信號，而"/^,如)，i^Jw)"恰為 壓電元件A作為激勵元件、壓電元件/M乍為傳感器時的損傷散射傳感通道的傳 遞函數(shù)。在實際操作中，為了減少運算可以不用求取監(jiān)測通道的傳遞函數(shù)，在(3 一3)式兩端同巻積S(w)，則(3 — 3)可寫成 《(必)=^(如(必)=//說(如 .//;(+5>;(+// +)
<formula>formula see original document page 6</formula> (3 4)
上式中i^,如)，/f^(")"(oO為壓電元件尸,作為激勵元件、壓電元件A作為 傳感器時的損傷散射信號，這樣的處理將大大降低實際處理的難度和運算量，同 時并不會改變傳遞函數(shù)，只與激勵信號的形式有關(guān)，因此并不會給損傷定位帶來 影響。
上述的公式中，式(3-1)、式(3-2)、式(3-4)分別表達了步驟(1)、步 驟(2)、步驟(3)的操作過程。
3、有益效果(1)本發(fā)明的方法提高了基于主動Lamb波技術(shù)的結(jié)構(gòu)損傷監(jiān) 測方法的信號信噪比，有利于該項技術(shù)的實用化。如圖2、圖4所示，對于同樣 的設(shè)備參數(shù)情況，采用本發(fā)明方法處理得到的損傷散射信號的幅值明顯增強，為 整個信號中能量最大的波包，而采用傳統(tǒng)方法時，不能保證傳感信號中能量最大 的波包為損傷散射信號，如圖2c中的^、 /42等；(2)本發(fā)明的方法在實現(xiàn)過程中無需更改或增加設(shè)備和參數(shù)，利用現(xiàn)有硬件系統(tǒng)就可以實現(xiàn)；(3)本發(fā)明實現(xiàn) 方法簡單，無需知道監(jiān)測對象和傳感器陣列的先驗知識；(4)本發(fā)明可以簡化時 域特征參數(shù)的提取。損傷信號的達到時刻是采用最多的特征參數(shù)，在傳統(tǒng)方法中， 由于傳感信號中混疊了大量邊界反射信號，需要采用較為復雜的信號處理技術(shù)得 出損傷信號達到時刻，而本發(fā)明方法只需確定最大峰值點對應(yīng)的時刻即可。
四

圖1本發(fā)明方法原理示意圖中a、基于壓電陣列的損傷傳感過程；b、損傷散射信號反轉(zhuǎn)聚焦再傳感 過程；
圖2由4壓電片組成傳感器/激勵器陣列時由傳統(tǒng)方法得到的損傷散射信號圖； 圖中a、由4個壓電元件組成的傳感/激勵陣列布局示意圖和試件原件(壓 電片間距15cm 20cm，試件為碳纖維復合材料板)；b、激勵信號波形時域圖；c、 各損傷散射信號歸一化波形時域圖3對圖2中歸一化損傷散射信號進行時間反轉(zhuǎn)處理后的結(jié)果示意圖4采用本發(fā)明的方法得到的增強損傷散射信號包絡(luò)圖(壓電元件3作為初始
激勵元件)；
圖中a、壓電片l處的聚焦信號包絡(luò)線圖；b、壓電片2處的聚焦信號包絡(luò)
線圖；C、壓電片4處的聚焦信號包絡(luò)線圖5損傷信號時間反轉(zhuǎn)聚焦增強處理流程圖。
五具體實施例方式
本實施例采用如圖2 (a)所示的試件及壓電元件布局。其中試件為碳纖維 增強復合材料板，尺寸為500mmX500mmX3mm，壓電元件數(shù)量為4，其中3個元 件按對稱位置布置，為考察距離對信號的影響，最后一個壓電元件偏移對稱位 50咖，以試件板左下角為坐標原點，4個壓電元件的坐標分別為1 (175mm， 175mm)、 2 (175咖，325 mm)、 3 (325畫，375 mm)、 4 (325咖，175mm)。實施 例采用加載砝碼的方式模擬損傷的發(fā)生，加載位置坐標為(250 mm， 285 mm)， 直徑19咖。
如圖4所示，本實施例包括下列步驟 U)采集結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號
如圖2 (a)所示，在結(jié)構(gòu)上根據(jù)監(jiān)測內(nèi)容和區(qū)域布置4個壓電元件組成傳 感/激勵陣列，通過函數(shù)發(fā)生器和功率放大器將設(shè)定的窄帶信號加載到選定的壓
電激勵元件戶,上，在結(jié)構(gòu)中激發(fā)激勵信號，該信號為正弦調(diào)制信號，中心頻率 40KHz,如圖2 (b)所示；選定其他壓電元件戶，j'=l， 2， 3…)作為傳感 器，經(jīng)電荷放大器放大將結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號采集到控制計算機中，完成一組測量。以 健康狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)為基信號，將損傷狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)與其相減，得到的差 信號為損傷引起的損傷散射信號A，以信號峰值為參數(shù)，將^進行歸一化處理。 輪流選定壓電元件作為激勵器，得到所有激勵/傳感通道下的歸一化損傷散射信 號，如圖2 (c)所示。
本實施例方法所使用的硬件部分與傳統(tǒng)方法監(jiān)測系統(tǒng)的硬件部分相同， 一般 由以下部分組成控制計算機、壓電激勵/傳感網(wǎng)絡(luò)、多路切換開關(guān)、函數(shù)發(fā)生 器、功率放大器、電荷放大器/電壓放大器和數(shù)據(jù)采集裝置；
(2) 時間反轉(zhuǎn)處理
根據(jù)步驟(1)采集到的結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號能量的衰減程度，選定相同的開始時 刻和時間長度形成時間窗口，使該時窗截取的信號的能量為整個響應(yīng)信號總能量 的主體部分，將時窗內(nèi)的信號反轉(zhuǎn)，得到時反損傷散射信號/'》，如圖3所示；
(3) 損傷散射信號聚焦-
采用式(3 — 3)或(3—4)表述的處理方法，將所有信號f'力與A按照 聲波激勵——損傷散射——傳感的過程規(guī)律進行對應(yīng)巻積，將巻積結(jié)果對應(yīng)累加 實現(xiàn)各傳感器上的損傷散射聚焦信號，聚焦累加過程及結(jié)果如圖4所示，此結(jié)果 中壓電元件3為初始激勵元件，為了便于清楚的看出聚焦過程，波形顯示采用了 包絡(luò)線形式；
(4) 特征參數(shù)提取和結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)辨識-所有信號處理完畢后，在所得到的各損傷散射聚焦信號中以峰值到達時刻作
為特征參數(shù)，計算出損傷的位置和范圍，分析、判定被監(jiān)測結(jié)構(gòu)的健康情況。
對于傳感器陣列中壓電元件的個數(shù)，可以根據(jù)待監(jiān)測結(jié)構(gòu)的實際情況進行確 定，理論上3個壓電元件就可以組成一個監(jiān)測單元，結(jié)構(gòu)較大時根據(jù)情況可通過 布置多個壓電元件組成傳感網(wǎng)絡(luò)，采用掃查的方式進行，網(wǎng)絡(luò)中每一單元的監(jiān)測 具體步驟相同。
權(quán)利要求
1、一種工程結(jié)構(gòu)損傷主動監(jiān)測中Lamb波時間反轉(zhuǎn)聚焦方法，其特征在于，包括下列步驟步驟一采集損傷散射信號包括下列步驟(1.1)在結(jié)構(gòu)上布置一組壓電元件組成傳感/激勵陣列；(1.2)通過函數(shù)發(fā)生器和功率放大器將Lamb波超聲信號加載到步驟(1.1)中壓電元件組的一個壓電激勵元件(Pj)上，在結(jié)構(gòu)中激發(fā)激勵信號；同時選定壓電元件組中另一個壓電元件(Pi)作為傳感器采集結(jié)構(gòu)響應(yīng)；(1.3)以健康狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)為基信號，將損傷狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)與其相減，得到損傷散射信號；(1.4)依次選定壓電元件組的壓電元件作為激勵器，得到所有激勵/傳感通道下的損傷散射信號(fji)(i，j＝1，2，3…)；步驟二時間反轉(zhuǎn)處理根據(jù)步驟(1)采集到的損傷散射信號(fji)能量的衰減程度，進行時間反轉(zhuǎn)處理，得到經(jīng)過處理的損傷散謝信號(f’ji)；步驟三損傷散射信號聚焦把步驟(2)得到的經(jīng)時間反轉(zhuǎn)處理的損傷散射信號(f’ji)與步驟(1)中未經(jīng)反轉(zhuǎn)處理的損傷散射信號(fji)對應(yīng)卷積，再將卷積結(jié)果對應(yīng)累加實現(xiàn)各傳感器(Pi)上的損傷散射信號聚焦增強。
2、 如權(quán)利要求1所述的一種工程結(jié)構(gòu)損傷主動監(jiān)測中Lamb波時間反轉(zhuǎn)聚焦 方法，其特征在于，步驟(1)中的Lamb波超聲信號為窄帶Lamb波信號。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的一種工程結(jié)構(gòu)損傷主動監(jiān)測中Lamb波時間反轉(zhuǎn) 聚焦方法，其特征在于，在步驟(3)中，按照聲波激勵——損傷散射——傳感 的過程規(guī)律，對經(jīng)時間反轉(zhuǎn)處理的損傷散射信號與步驟(1)中未經(jīng)反 轉(zhuǎn)處理的損傷散射信號(&)進行對應(yīng)巻積累加，實現(xiàn)各傳感器上損傷散射信號 的時間反轉(zhuǎn)聚焦增強處理。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種工程結(jié)構(gòu)損傷主動監(jiān)測中Lamb波時間反轉(zhuǎn)聚焦方法，其包括下列步驟步驟一采集損傷散射信號；步驟二時間反轉(zhuǎn)處理；步驟三損傷散射信號聚焦；本方法應(yīng)用了傳感器/激勵器陣列技術(shù)，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測設(shè)備條件基礎(chǔ)上，無需其他特殊設(shè)備采用卷積運算處理實現(xiàn)損傷監(jiān)測系統(tǒng)中Lamb波信號的聚焦，提高損傷散射信號的信噪比，簡化特征參數(shù)提取方法，從而提高監(jiān)測系統(tǒng)的準確性和穩(wěn)定性。
文檔編號G01N29/04GK101169390SQ20071013388
公開日2008年4月30日 申請日期2007年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月12日
發(fā)明者孫亞杰, 強 王, 袁慎芳, 雷 邱 申請人:南京航空航天大學