（测试计量技术及仪器专业论文）时频分析方法在智能结构损伤在线检测中的应用研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 作为信号分析的一大分支。时频分析技术被广泛应用于工程各个领域。时 频分析可同时在时域和频域对信号进行较全面的观察，具有时域信号分析或频 域信号分析所不具备的优点。本文采用时频分析方法进行l a m b 波超声无损检测 信号的处理，对其在智能复合材料结构损伤在线检测中的应用进行了研究。 l a m b 波检测信号的分析与识别一直是无损检测领域的一个重要的问题。针 对l a m b 波传播的多模式和频散特性对检测的影响，采用基于小波变换的时频分 析方法对低频超声l a m b 波检测信号进行处理，从试验测量的角度获得被测试件 中的频散曲线，可为损伤的判别提供依据。针对近年来提出的新的时频分析方 法在l a m b 波检测中的应用，研究了经验模态分解( e m d ) 的l a m b 波分析实现技术， 提出了基于e m d 技术的l a m b 波检测信号去噪方法，并利用h i l b e r t h u a n g 变换 ( h h t ) 对l a m b 波检测信号的时频分布特征进行了分析，初步探讨了其在检测信 号处理中的优势以及存在的问题。 在损伤检测方法的实施方面，采用智能压电夹层技术实现了l a m b 波检测的 在线应用。该技术将灵敏度高、响应频带宽的压电元件构成预制的传感网络， 把检测区域分割成多个单元，可实现大面积平板结构的l a m b 波检测。设计了相 应的硬件与软件系统，可完成对各个区域上的压电检测路径的历遍式扫查；对 智能夹层在线应用时的性能进行了试验研究，进一步验证了所提出的在线诊断 方案的可行性。 本文得到国家自然科学基金重点项目“典型智能机械系统的若干基础性研 究( 5 0 1 3 5 0 3 0 ) ”的资助。 关键宇：l a m b 波，时频分析，小波变换，h i l b e r t h u a n g 变换，智能结构 堕塑坌丛互鲨垒塑堂堕塑塑鱼垄垡塑型! 塑生旦堕壅 a b s t r a c t a sab r a n c ho f s i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u e s ，t i m e f r e q u e n c ya n a l y s i sh a sb e e n w i d e l yu s e di n av a r i e t yo fe n g i n e e r i n gf i e l d s t i m ef r e q u e n c ya n a l y s i sc a nv i e w s i g n a lf u l l s c a l e ，d i f f e r e n tf r o mt r a d i t i o n a ls i g n a la n a l y s i sm e t h o d se i t h e ri nt i m e d o m a i no ri n f r e q u e n c yd o m a i n t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e st h ea n a l y s i so fu l t r a s o n i c l a m bw a v ei nn o n - d e s t r u c t i v e t e s t i n g ( n d t ) f i e l d a n dt h e a p p l i c a t i o n o f t i m e - f r e q u e n c ym e t h o di no n l i n ed a m a g em o n i t o r i n go f s m a r tc o m p o s i t e s t r u c t u r e s i ti si n d i s p e n s a b l et oa n a l y s i sa n dd e t e c t i n go ft h el a m bw a v emt h en d tf i e l d c o n s i d e r i n gt h em u l t i m o d e sa n dd i s p e r s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fl a m bw a v e ，w a v e l e t m e t h o di sa p p l i e dh e r et oo b t a i nt h ed i s p e r s i o nc b r v eo ff r e q u e n c yl a m bw a v ei nl o w f r e q u e n c yr a n g e t h ed i s p e r s i o nc u r v ef o rt h et e s t e dm a t e r i a li sa c q u i r e db a s e d o nt h e m e a s u r e m e n td a t aa n dt i m e - f r e q u e n c y a n a l y s i s m e t h o d t h ea p p l i c a t i o no ft h e r e c e n t l yp r o p o s e dt i m e f r e q u e n c ya n a l y s i sm e t h o d ，t h eh i l b e a h u a n g t r a n s f o r m ( h h t ) i nl a m bw a v ed e t e c t i o ni s a l s oi n v e s t i g a t e d t h em e a s u r e dl a m b w a v es i g n a li sd e c o m p o s e db y e m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o n ( e m d ) ，ap r o c e d u r eo f h h t t h u s ，ad e n o i s i n gm e t h o db a s e do ne m d i sd e v e l o p e dt oe x t r a c tu s e f u ls i g n a l f r o mt h e e x p e r i m e n td a t a t h ea d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e so fh i - i ti n s i g n a l p r o c e s s i n g o f n o n - d e s t r u c t i v et e s t i n gb y u s i n g l a m bw a v ea r ed i s c u s s e d f o rt h er e a l i z a t i o no ft h eo n l i n ed e t e c t i o no fl a m bw a v e ，t h es m a r tl a y e r t e c h n i q u e ，w h i c hc o m b i n e st h ep z tt r a n s d u c e r sw i t ht h ef l e x i b l ep r i n t i n gc i r c u i t t e c h n o l o g y , i sa p p l i e dt ot h et e s t e ds t r u c t u r e b yf o r m i n gan e t w o r kw i t hd i s t r i b u t e d s e n s o r s ，al a r g ea r e ao nt h es t r u c t u r ec a nb em o n i t o r e d h a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r e d e s i g n e dt op e r f o r m t h es c a no ft h i ss e n s i n gn e t w o r k m e c h a n i ca n de l e c t r i cp r o p e r t y o ft h ed e s i g n e ds m a r tl a y e r si ss t u d i e dt h r o t l g he x p e r i m e n ta n dt h ev a l i d i t yo ft h e p r o p o s e d m e t h o di sf u r t h e re v a l u a t e d t h er e s e a r c hi ss u p p o s e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a u n d e rc o n t r a c tn u m b e ro f 5 0 1 3 5 0 3 0 k e yw o r d s ：l a m bw a v e ，t i m e - f r e q u e n c ya n a l y s i s ，w a v e l e tt r a n s f o r m ，h h t , s m a r ts t r u c t u r e 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在两位导师悉心指导 下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引 用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内 容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 作者签名：查翌：i 日期：2 q q 5 ：2 ：2 5 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 智能材料结构与损伤在线检测 智能材料结构( s m a r tm a t e r i a ls t r u c t u r e s ) ，指将传感器和驱动器以及 有关的信号处理和控制电路集成在材料结构中，通过机、热、光、化、电、磁等 激励和控制，使结构不仅具有承受载荷的能力，而且具有识别、分析、处理及控 制等多种功能，能进行自诊断、自适应、自学习、自修复的材料结构。智能材 料结构的设计要求材料与结构紧密联系，它不仅具有传统的承载能力，还具有 人们期望的多种功能，其中一个重要的内容就是在线进行损伤检测，在使用过 程中及时、自动地发现结构自身的健康问题。 智能材料结构的健康检测可分为被动检测和主动检测两大类。这两种检测 都将传感器集成在材料中构成内置传感系统。被动检测是指长期地检测结构由 于外界动态因素造成的自身的状态变化，从而确定自身结构的完整性、损伤程 度、变形以及振动情况等；采用的方法包括内部应力应变监测、声发射、振动 响应等”1 。如果在被动检测的结构中再集成驱动器就形成了主动检测。主动检测 是通过驱动器给结构施加一个激励，从传感器采集到的结构响应中分析结构的 健康情况。这一方法可避免被动检测方法的局限性，采用更多技术途径进行测 量，其中之一就是超声无损检测技术。表1 1 列出了无损检测中常用的几种超 声检测方法的比较。 表1 1 几种常用的超声无损检测方法 检测方法原理及检测特征优点缺点 超声缺陷引起声阻抗变化能渗透厚材料需水浸或耦合剂 声超声使用脉冲超声应力波激便携式定量自动图表面接触且对几何 励形显示形状要求严格 声发射缺陷扩展产生应力波远距离和连续监视检测时需加外载 l a m b 波缺陷引起频散变化远距离、精度高信号分析复杂 时频分析方法在智能结构损伤在线检测中的庸_ 【 = | 研究 由于超声l a m b 波诊断技术定位能力较好，检测范围较大，所以在实现结构 的在线检测方面具有较大的优势。本文主要关注这一技术在复合材料结构损伤 检测中的应用。由于复合材料具有一般材料所不具有的一些优良性能，正在被 广泛应用在航空航天、民用工程和军事工程中，其损伤检测技术也成为了无损 检测的一个重要的分支。近年来。采用l a m b 波技术实现复合材料结构的在线检 测引起了人们的广泛关注，这方面的工作主要包括检测装置的开发与检测方法 的研究两个主要部分i ”：。l a m b 波激励技术与检测技术的在线应用对以往采用独 立传感器和专用工业超声检测设备的方法有诸多不同，因此有许多具有挑战性 的课题值得深入的研究。 l a m b 波在线检测的应用，首先面临的是检测网络与复合材料结构的集成问 题。智能结构将传感器与材料和结构相结合的思想为这一问题提供了解决途径。 由于检测系统的加入，材料的强度可能会受到影响，而且，传统的传感器埋放 技术出于操作相对独立，使得结构在相同的情况下，响应不尽相同，从而增加 了后期分析信号的难度，从一定程度上降低了检测的准确性。在这一领域里， 具有突破洼的进展是美国斯坦福大学m a r k l i n 等提出的智能夹层( s m a r tl a y e r ) 技术。1 “_ 一。图1 1 所示是碳纤维智能夹层结构示意图，是在多层碳纤维复合材 料板中嵌入采用压电传感网络的智能夹层，构成能自动检测自身健康状态的智 能材料，在结构出现损伤前给出预报，提高了结构使用的安全性。 厂碳纤维层 图1 1 基于智能夹层的碳纤维复合材料板 性绝缘薄膜 智能夹层 南京航空航天大学硕士学位论文 1 2 l a m b 波主动检测技术 l a m b 波是超声无损检测中最常用的一种导波形式，主要是指在两半无限空 间之间的平板上传播的波型，是由本世纪初l a m b 先生研究无限大板中正弦波问 题而得名”1 。将l a m b 波作为损伤检测方法可追溯到1 9 6 0 年，通用电气公司( g e c o ) 的工程师w o r l t o n 首先指出了铝和错的频散曲线的模式特征可应用于材料 无损检测。随后的十年中，许多的研究人员证实了l a m b 波技术作为损伤检测方 法的有效性。二十世纪六十年代末，d e m e r 和f e n t n o r 首次将l a m b 波技术应用 于航空领域，指出超声检测是一种可靠的无损检测方法，l a m b 波是表征材料 信息( 密度、弹性模量和厚度) 较为有效的方法之一。但是随着研究的深入， 发现在同一平板上传播的l a m b 波不但具有多种模式，而且即使同模式在不同 频率下速度也不尽相同，在材料结构的物理条件一定的情况下l a m b 波的速度主 要与频率有关。由于l a m b 波的性质复杂，不容易解释，后期信号处理工作困难， 所以一直没有被得到广泛的应用。 二十世纪的八十年代到九十年代初期，人们开始将l a m b 波技术应用于复合 材料的损伤检测。美国航空航天局的$ a r a v a n o s 等人从理论及实验上证实了可 以利用l a m b 波检测复合材料梁结构的分层损伤“”。英国国防与评估研究机 构的p e r c i v a l 和b i r t 则研究了利用两种基本的l a m b 波传播模式来检测材料损 伤。“。 c a w l e y 等研究了方向性l a m b 波激发的优化，开发了用于激励和检测l a m b 波的p v d f 传感器，可实时监测金属材料的损伤 1 3 1 。s o u t i s 等致力于传感器的 布置和信号处理问题的研究f h l 。美国斯坦福大学的c h a n g 等人采用分布式检测 元件网络思想，成功地丌发了智能夹层技术【1 5 1 ，a c e l l e n t 公司为其配套了商业化 智能监测工具包( s m a r ts u i t c a s e ) 1 6 1 ，并与b m w 公司联合开发了基于分布 式压电传感网络的车门损伤在线检测系统，使l a m b 波检测技术向大规模工业应 用迈出实质性的一步。文献( 7 j 针对低频l a m b 波中的信号处理问题，提出了 小波建模的波形分解方法和在线检测温度补偿措施。随着信号处理方法的不断 发展和非线性信号处理技术的成功应用，使用宽带信号为激励信号的l a m b 波检 测也受到了大量的关注，p r e s s e r _ 【拇】、h o l l a n d 2 0 1 等通过激光激励平板结构中的 l a m b 波，并采用较成熟的p w v d 技术对接受到的信号进行分析，从实验数据 的角度验证了低频段的l a m b 波的色散特性。刘镇清教授的研究小组曾对l a m b 时频分析方法在智能结构损伤在线检测中的应用研究 波无损检测技术和现代信号处理方法在检测中的应用进行了系统的研究，这- ：b - 面的文献在国内主要反映于无损检测刊物发表的系列文章中叫 2 2 l f 2 3 】。 1 3 l a m b 检测信号处理方法 在l a m b 波损伤诊断技术中，除了传感器和驱动元件的选择和埋入技术外， 一项关键的技术就是信号处理技术，其中包括激励信号的选择与优化、响应信 号的获取与分析、损伤信号特征的提取与优化等。 随着高集成电路和数字计算机技术的快速发展，微处理芯片价格变得可接 受，同时p c 提供了越来越丰富可用的接口，使得采用个人计算机产生和接收数 字信号处理来用于无损检测变得切实可行。同时，m a t h w o r k 、n i 等公司开发出 了功能强大的信号处理与仿真软件，如m a t l a b 、l a b v i e w 等。随着版本的提高功 能不断完善，使有效地利用这些软件开发损伤检测系统来产生检测激励信号、 获取和分析响应信号变得更加方便。 这些计算机硬件技术与软件技术的发展引起了无损检测领域的重大的变 革，即从以往把目光集中在发现一种新的手段( 往往是物理方法) 来显示材料 与结构的不匀均性或突变性转向对各种方法收集到的数据进行更有力的信号分 析上来，从简单易行的操作中获得更多的信息，对材料与结构进行在线的、精 确的诊断。 以往采用的较为实用的、成熟的激励信号大多为窄带脉冲信号【2 钔，因为宽 带信号在材料中传播情况复杂，为信号的获取以及后期的分析带来很多不便。 而最新的研究表明【2 ”，宽带激励响应对材料与结构的多种损伤和多处损伤的反 应更敏感、更全面。但由于以往信号分析方法( 如频谱分析法) 不善于分析非 线性非平稳信号，而宽带激励的响应属典型的非平稳信号，所以在后期的信号 分析上一直存在问题。随着非平稳信号处理技术的持续发展、短时傅立叶变换、 小波变换、h i l b e r t h u a n g 变换( h h t ) 等时频分析方法的引入，使得对宽带响应 信号的分析变得可能。 目前，信号处理方法主要可以分为以下三类【2 目：时域、频域、时频域。最 早使用的也是最直观是时域方法，如阈值法，相关法等。可分析信号的到达时 间、幅度等信息，具有操作简单、概念直观等优点f 2 ，但是，在l a m b 波检测过 程中，接收到的响应信号往往是高频的微弱信号，检测过程中各种因素会带入 南京航空航天大学硕士学位论文 大量的干扰，如随机噪声、工频噪声等，其中有些干扰的频率与检测信号的频 率相近，另外，l a m b 波是多模式的，不同的模式混叠在一起，引起波包相位改 变，会干扰采用时域方法分析信号，因此，仅仅采用时域的方法对信号进行分 析，容易出现不准确性和误判损伤的情况。 基于傅立叶分析的频域分析方法则是从频域观察信号组成。由于出现严重 损伤必然会导致结构的一些参数发生变化，通过频域特性的观察能较清楚地发 现响应信号频率成分的变化 2 7 1 2 8 l ，对于一些结构严重受损的情况，用频谱的方 法观测传感信号不失为简单又有效的方法。然而，这一方法对于什么时间出现 某种频率信号的问题没有办法解决。它假设分析对象是一个具有遍历统计特性 的平稳过程，不适合对局部频率变化剧烈的非平稳信号的分析。 l a m b 波分析是一个同时需要观测时域与频域信息的过程。既要通过时域观 察不同散射源引起的到达信号的位置、区分不同模式的波包成分，又要从频域 进行观察确定信号的频率成分变化，判定不同频率信号的到达时刻、确定l a m b 波传播的频散特性。因此，最理想的是采用时频分析对信号进行较全面的观察 f 2 。时频分析的引入，把传感信号展开n - 维时频空间上观察，可以同时观察 信号在不同频率处的时间历程，能更精确、更本质、更全面地反映出分析信号 的特征。从信号的信息携带角度看，非平稳信号对信息的携带能力比平稳信号 强，同样的数据量，非平稳信号可包含的信息比平稳信号多，所以采用时频分 析对宽带l a m b 检测信号进行分析可获取相对较多的信息，这也是它用于超声 l a m b 检测的一个重要优势。 作为信号分析方法的一大分支，时频分析早在上世纪4 0 年代就开始受到关 注。经过数十年的发展，已经取得很多的成果，在工程、物理、天文学、化学、 地球物理学、生物学、医学等领域得n t 广泛应用【3 。时频分析的研究对象主 要是非平稳或时变信号，其主要意图是描述信号的频谱含量是怎样随时间变化 的，研究并了解时变频谱在数学物理上的概念和含义。时频分析的最终目的是 要建立一种分布，以便能在时间频率上同时表示信号的能量，得到这种分布后， 就可以对信号进行分析处理，提取信号中所包含的特征信息。 时频分析的方法很多，总体来说可分为线性表示方法和二次型表示方法两 类【3 1 1 其各自的典型方法如图1 2 所示。短时傅立叶变换和小波变换的出现和发 展为线性时频分析开创了广阔的前景，它们能够提供较明确的物理意义，并且 不会出现交叉项，因此更适合定量分析l a m b 波检测信号。二次型表示方法在分 时频分析方法在智能结构损伤在线检测中的应用研究 析过程中出现的交叉项为后期信号的解释增加了难度。国内外众研究人员在这 方面做了大量的工作，p r o s s d l g l 采用p w v d 方法对宽带l a m b 波回波信号进行 了分析，从实验中重演频散曲线，m a r c 3 2 】采用多种时频分析方法对宽带l a m b 波回波信号进行了分析，并比较各种方法的优缺点。目前一些较成熟的时频分 析方法的工具包已在信号处理领域得到较广泛的应用。m 的图形化虚拟仪器软 件l a b v i e w 就有专门开发的时频分析工具包，m a t l a b 也有与之相关的时频分析 工具包。 第一类： 核函数分解 第二类： 能量分布 纂兰：耋叶变换 ：兰冀：布 图l2 常用的时频分析方法分类 另外一个值得注意的方面是美国航空宇航局的黄锷独创性地提出了 h i l b e r t h u a n g 变换 3 3 】( 简称h h t ) ，h h t 是分析非线性与非稳态的数据的又一 新时频分析方法，可用于地震工程、地球物理探测、潜艇设计、结构损伤检测、 卫星资料分析、血压变化和心律不整等各项研列3 4 】f 3 5 】【3 6 】。h h t 是一种全新概念 的数据分析方法，它避开了以往的信号分析方法把信号展开到给定正交基函数 的套路，引入了随机数值分析的方法，根据数据局部的特点自适应地处理数据， 并通过通信中常用的分析窄带信号频率的希尔伯特变换给出各个时刻的瞬时频 率。虽然目前h h t 方法不尽完善，但在处理某些问题时，己显示出了其强大的 自适应能力，是一个值得深入探讨的课题。 14 论文的主要研究内容 采用l a m b 波技术对复合材料结构的健康情况进行在线检测诊断，能及时发 现和预报结构的安全隐患、提供有效维护指导，无论是在航空航天领域还是在 ，lll，、 析分频时 南京航空航天大学硕士学位论文 民用、军用工程领域都可以很大程度地减少事故。本文面向l a m b 波检测技术在 飞机复合材料结构损伤在线检测中的应用，采用压电元件设计构成智能传感网 络，用时频分析方法处理l a m b 波检测信号，组建开发了相应软硬件检测系统。 主要研究内容如下： ( 1 ) l a m b 波检测实施方法研究。根据不同的要求组建l a m b 波损伤检测系统。 讨论了激励信号形式的选择、边界反射的消除等问题。针对窄带l a m b 波响应信 号中包含频率成分有限，携带的信息少的缺点，提出了采用宽带激励的实施方 法，组建了相应测试系统； ( 2 1l a m b 波检测中的频散特性分析技术研究。由于l a m b 波频散特性反映了 材料物理性质，频散曲线的测试是l a m b 波实验技术的一个重要内容，因此选择 时频分析技术获取l a m b 波传播的频散特性，获得了与理论分析结果一致的试验 曲线； ( 3 ) h h t 方法在l a m b 波检测中应用研究。针对l a m b 波分析需要开发了实 用的h h t 分析程序，讨论了h h t 实施中的一些关键技术。进步提出了采用 e m d i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o n ( e m d ) 技术对超声l a m b 波检测信号进行去噪的 方法，取得了较好的效果； ( 4 ) 基于智能夹层技术的l a m b 波在线检测方法研究。对采用智能夹层技术 的传感网络设计、性能测试和配套硬件与软件系统进行了研究，针对大面积平 板结构的检测开发了相应测试系统。 时频分析方法在智能结构损伤在线检测中的应用研究 第二章l a m b 波无损检测原理及检测系统的组建 2 1 基于l a m b 技术的无损检测原理 2 1 1 超声l a m b 波 l a m b 波属于超声波的一种。超声波是指频率在人耳听闽以上的在连续介质 中传播的弹性波。”3 。一般来说，超声波是指频率大于2 0 k l _ z 的弹性波。超声波 不但具有一般波动的普遍性质( 如波的干涉和衍射等) ，还具有自身的些特性。 l a m b 波是板结构特有的一种波型。当板的厚度小于入射波波长时产生l a m b 波。在一个给定的板材中可以存在三种不同偏振的板波：横波，对称型l a m b 波， 非对称型l a m b 波。1 。横波的偏振方向与板表面平行；对称型( 或称体积膨胀型) l a m b 波，在板中心面上的质点的偏振方向与传播方向平行，而在其它位置质点 的偏振轨迹为椭圆；非对称( 或称弯曲型) l a m b 波，在板中心面上质点的偏振 方向与传播方向垂直，其它位置上的质点的偏振轨迹亦为椭圆。 2 12l a m b 波的衰减情况 l a m b 波在弹性介质中传播时，能量会发生衰减，其原因可以分为以下三个 方面侧： ( 1 ) l a m b 波的扩展而产生的能量损失； ( 2 ) 由于介质阻抗不连续造成的l a m b 波的散射衰减； ( 3 ) 由于介质本身的粘滞性和热传导所引起的吸收衰减。 对于介质中，沿x 方向传播的超声l a m b 波，其声压振幅随传播距离x 的增 加而呈指数衰减，表达式为： p ( x ) = p 一 ：对t - x 和j ：两点，若x 2 则衰减系数为口，单位为n p c m a ：! l i l 丛盟 工2 一z lp ( x 2 ) 实际测量中常用d b c m 为单位，其定义为： ( 2 1 ) ( 2 2 ) 南京航空航天大学硕士学位论文 口= l 2 0 1 0 9 。( 掣) ( 2 3 ) 0 2 一x lp t x 2j 其中1 n p c m = 8 6 9 d b c m 考虑到l a m b 波在材料中的衰减情况，实际上用于无损检测的超声波频率多 在i o m h z 以下，实验发现，即使采用较好的激励手段产生宽带l a m b 波激励信号， 其响应信号中频率超过i o m h z 的信号能量也很小，因为大部分大于i o m h z 的信 号能量在传播过程中被很快衰减掉，在最终接收到的信号中，主要存在频率较 低的信号。 2 1 3l a m b 波频散理论 在板结构中l a m b 波的传播路径上，板的整个厚度都在作复杂的振动。l a m b 波的传播特性取决于板的密度、弹性特性和组织结构，也受板厚和振动频率的 影响。 l a m b 波的对称型( s 型) 和非对称型( a 型) 是由板中质点相对于中间层 作对称或非对称运动来决定的。每种波型又可分成若干模式，如s 。s 。，s z 等。 图2 1 为s 。a 。模式的质点的振动情况的示意图。 对于不同材料的板结构，l a m b 波的传播是非常复杂的。即使同一种材料的 平板结构，在厚度一定时板中也会存在着多种模式的l a m b 波，而且同一模式的 l a m b 波在板中的传播速度也会随传播信号的频率的变化而变化，这种速度随频 率变化的现象称为频散现象“。 图2 1a ns 。模式的l a m b 波质点振动情况 时频分析方法在智能结构损伤在线检测中的应用研究 描述l a m b 波波动特性的方程是瑞n - = - 姆方程“，表达式如下： 对称模式： 器t a n ( kb 一孝鲁k 弦t ， ，) ( 七。2 一：) 2 。 非对称模式： 器t a n ( kb 一错4 k o ，kk s ， 1 ) 7 其中：k = ic o | - ； c t 弘“； k 沿板水平方向的波数 61 2 板厚 c o 角频率 c ，纵波速度 c 横波速度 超越方程式( 2 4 ) 为l a m b 波对称模式的特征方程，式( 2 5 ) 是反对称模 式的特征方程，它们表达了l a m b 波的相速度与频率一板厚乘积( 简称频厚积) 厂d 问的关系。l a m b 波的这种相速度随频厚积变化的特性在相速度一频厚积( 频 率与厚度的乘积) 平面上表现为一系列曲线，这些曲线就是l a m b 波的相速度频 散曲线。信号与系统的基本理论“2 3 指出，标准的正弦波不能携带传递信息，只 有对其进行幅值或频率调制才可载带信息。在采用l a m b 波进行无损检测时，人 们也常常采用高斯包络的有限带宽的正弦脉冲波激励出平板中的l a m b 波，根据 另一处接收到的l a m b 波中所含信息来判断在传播路径附近的板的状况。这种经 过幅值调制的正弦波具有能量中心或者说能量最大值位置，其能量最大值位置 在板中传播的速度称为群速度c 。群速度一般不同于相速度，而且它们之间的 关系也并非线性关系。群速度与相速度的关系如式( 2 6 ) ，图2 2 给出了t m m 厚铝板的相速度和群速度随频率变化的频散曲线。 南京航空航天大学硕士学位论文 d 国 气2 面 图2 2 铝板的相连度与群速度频教曲线 ( 2 6 ) 2 1 4l a m b 波探伤原理 当板的材料与厚度给定时，采用压电元件可激发一种或多种模式的l a m b 波，通过接收到的响应波形可以分析结构的状态。由于材料结构中损伤的存在， 对在其中传播的l a m b 波或多或少会有一定的影响，致使对于同一激励损伤与非 损伤状态的响应信号有所不同。检测响应的变化主要表现出以下几种情况： ( 1 ) 波包传播时问变化包括相位的延迟： ( 2 ) 波包幅度变化； ( 3 ) 同时出现以上两种变化。 损伤的存在使得结构的物理状态出现改变，l a m b 波在结构中传播时遇到这 些突变后产生反射、折射后，被传感元件检测到的信号就会反映出以上变化。 当结构出现裂缝时，采用反射检测可取得较好的结果，因为传感器接收到的l a m b 信号中明显有反射或折射波包存在。当结构出现周边压合得很紧的分层时，情 况就较复杂。因为损伤反射波幅值的大小与损伤迎波面的形态有很大的关系， 虽然有时延展面积很大，但是反射波幅值很小，甚至没有反射波。此时，由于 分层的存在使板厚分成两部分，板中原有某种模式的l a m b 波可能会被变换成分 层上下方能够存在的其它模式的波继续传播，离开分层区域后以相反的模式变 换后继续传播而被传感器接收。不同模式的l a m b 波的群速度不同，与相同距离 时频分析方法在智能结构损伤在线检测中的应用研究 的无分层的情况相比，传感元件接收到信号可能在时间和幅值上都有微小变化。 由于激励条件和激励功率等因素的限制，有一些模式在某些频率处不能被 激发。图2 3 是在一块2 3 a m 厚的铝板上单面用不同中心频率的信号激励的响 应，根据群速度估算不难发现，在频率为6 0 k h z 时，孓模式没有很好地被激发， 到1 8 0 k h z 时才被激发出来。综合采用双面激励，可以改善这种情况。 奇 耋 吾 基 吾 罡 宝 墨 图2 3 在同一铝板上采用不同中心频率单面激励的响应 由于采用不同模式的l a m b 波来发现距表面不同深度的缺陷的灵敏度不同 。“：，因此，需采用不同的频率激发不同模式的l a m b 波对结构进行全面地检测。 采用宽带激励检测结构，并使用时频分析把宽带响应展开到不同的频率( 或尺 度) 去观察，可以更全面、更细致地诊断结构的状态变化就是基于这个目的。 有关这方面的内容将在第三章详细讨论。 由于l a m b 波模式的复杂性，当多模式和频散同时存在时，检测信号进行识 别通常是很困难的。所以在检测过程中，选择频率时往往选取模式少、频散现 象不明显的频段。近期研究表明”。以前尽量避免的频散现象恰恰可以作为检 测的重要参数，超声l a m b 波的频散曲线对分层和脱胶等危害复合材料的现象较 灵敏利用若干模式l a m b 波频散曲线可判断被测物体内部状况。信号处理方法 的发展使得分析回波信号的频散特性变成可能，采用小波变换分析响应信号， 可得时频分布，从而有效识别结构的变化。亦可采用人工神经网络等技术有效 南京航空航天大学硕士学位论文 地对复杂的频散曲线进行反演，获得超声l a m b 波参数推算出被测物体的健康状 况。 2 2 l a m b 波无损检测实验系统 2 2 1 采用压电元件激励的l a m b 波 当压电材料受到外力作用发生形变时，在它的某些表面会出现电荷，这种 现象称为压电效应”。压电效应可逆，故有正压电效应和逆压电效应。压电元 件以其灵敏度高、动态范围较宽、既可作传感器也可作驱动器”“，被广泛使用 于智能材料与结构。 当压电元件被施加力产生机械变形时，就会引起原本重叠的内部正负电荷 中一1 1 , 产生相对移动而产生电的极化，从而导致元件两个表面上出现符号相反的 束缚电荷，而且电荷密度和外力成比例，这一现象称为正压电效应。它反映了 压电材料具有将机械能转变为电能的能力。通过检测压电元件上的电荷变化可 得压电元件结构的变形量，从而反映与压电元件紧密相连的结构的形变，此时 的压电元件可充当传感元件的角色。 在压电元件两端加电压，施加电场的作用，造成原本重叠的内部正负电荷 中心产生相对位移，导致压电元件的变形。这一现象称为逆压电效应，它反映 了压电材料具有将电能转变为机械能的能力。由于压电元件频响较宽，所以可 以用作高频驱动器，从而把高频电信号产生的高频振荡波耦合成平板结构中的 l a m b 波，此时的压电元件可充当激励元件的角色。 在一般情况下，压电效应都是线性的，即外力作用下晶体表面产生电荷多 少与形变大小成正比，外电场作用下晶体形变大小与电场强度成正比。正因为 如此，压电元件能很直观地把计算机产生的激励电信号转换成结构中传播的 l a m b 波机械振动信号。 温度的变化会造成压电元件的测量误差变大，湿度大会使压电元件绝缘电 阻减少，使传感器低频响应变差。因此在检测过程中要减少和防止这两个因素 对传感器的影响。由于压电元件传感得到的电信号很微弱，所以需考虑对信号 的放大，因此一定要考虑检测通道中的噪声影响，特别是电缆噪声和接地回路 噪声。 时频分析方法在智能结构损伤在线检测中的应用研究 2 2 2l a m b 波损伤检测系统的组建 基于压电元件的平板损伤检测系统主要包括：激励信号产生部分、响应信 号采集部分，信号放大电路。对于不同的激励要求和不同的精度要求我们分别 采用以下两套系统： ( 1 ) 第一套系统，采用a d 卡和d a 卡，构成基于虚拟仪器的检测系统。 通过数值计算产生任意波形的激励信号序列通过d a 转换卡输出，经过信号放 大电路后，由压电驱动器在板中激励出l a m b 波。在另一处压电传感器处接收信 号，放大后再由a d 转换器转换成数字信号，并通过虚拟示波器显示。采用的 d a 卡和a d 卡都提供了丰富的供二次开发的动态链接库，可以很方便地用于用 户自定义开发和大规模系统的集成。 任意波形发生卡有一路波形输出、一路数字计数n 频输入和4 个数字量输 出。输出波形频率最高可达i o m h z ；输出幅值最高可达1 0 v ；垂直分辨率达1 2 - b i t ； 可编辑所需的任意波形，也可选择正弦波、方波、三角波、锯齿、自噪声、高 斯噪声、扫频信号等常规波形，可在一定范围内调整波形的幅度、频率、偏置 量等参数。 图2 4 波形产生模块与数据采集模块虚拟仪器截图 数据采集卡可以提供8 - b i t 分辨率、6 4 k 的最大存储深度、2 个输入通道、 一个外部触发通道。采样频率可从l k h z 到5 0 m h z 。虚拟示波器还可以同时在线 查看当前各通道波形及其即时频谱。 南京航空航天大学硕士学位论文 这套检测系统的实物如图2 5 所示，其主要优点有：系统集成度高，携带 方便，成本较低，并且由于d a 与a d 卡直接可通过软件控制，可编程控制性 能较好，为实际应用中的程序扩展提供很大的方便。缺点是产生波形的幅度较 小需要同时对激励信号和响应信号进行二次放大，对噪声抑制较差。本文第 五章中开发的大面平板检测系统，由于需要扫描的通道繁多不可能进行人工 控制，使用的检测系统就是在本系统的基础上开发的。 图2 5 采用虚拟仪器的l a m b 波检测系统 ( 2 ) 第二套系统，采用p r o t e k 9 2 0 5 c 函数发生器产生信号，它可产生方波、 三角波、正弦波等规则波形。输出频率范围是0 0 2 h z 至2 m h z 。采用t d s 3 0 3 2 存 储式数字示波器采集信号，采样频率可达2 5 6 s s ，一个波形存储点数可达l o k ， 垂直分辨率是9 - b i t ，并且可通过u s b 接口，把检测信号直接转送到主控计算机 显示与保存。 这套系统的实物如图2 6 所示，其主要优点是，函数发生器产生的波形较 稳定，示波器的数据采集速度较快、精度高，这也正是第一套虚拟仪器系统很 难达到的，同时，通过u s b 接口能较方便地实现数据保存。这套系统主要缺点 是，仪器较贵，不方便系统集成和二次开发。对于第三章所述的l a m b 频散曲线 的验证，要求产生信号频率高，采集信号稳定，采样率高，干扰小，故选用这 套系统。 时频分析方法在智能结构损伤在线检测中的应用研究 图2 6 传统的l a m b 波无损捡测系统 2 3 检测信号的初步分析 2 3 1l a m b 波激励信号 在l a m b 波损伤检测中，激励信号的选取是一个很重要的问题。总体来看， l a m b 波激励信号按频带的宽度可分为窄带激励与宽带激励。相比较而言，窄带 激励响应信号较为简单，宽带激励响应较复杂。宽带激励响应一般为非线性非 稳态信号。图2 7 所示是在实验中采用的两种激励信号。 图2 7 实验中采用的两种典型的宽带和窄带激励信号 以往的采用超声l a m b 波进行损伤检测的工作一般集中在窄带脉冲信号的 励 励 激 激 带 带 宽 窄 ，l，、 励 激型舆 南京航空航天大学硕士学位论文 选取上，主要是选择脉冲信号的形状和中心频率，即在检测的过程中根据实际 中的板结构的材料、厚度等因素来选取窄带激励脉冲信号的中心频率。式( 2 7 ) 是简化的窄带激励信号数学表达形式，通过高斯信号包络正弦信号获得，如图 2 8 所示。正弦信号的频率为脉冲信号的主频。 一! 型 “( f ) = e 。2s i n ( 2 妒) ( 2 7 ) 其中，“决定产生信号的相位，厂决定产生信号的频率，口决定产生信号 的带宽。一般情况下，口越小，信号的带宽越宽，即所在信号有效能量范围内 包括的波动越少。图2 9 所示是两个不同带宽的高斯调制的正弦信号的时域波 形和频谱。很明显，在能量维持区域包含的波动数少，则产生的激励信号的带 宽也较宽。 洲x 八= 图2 8 窄带激励信号产生过程 采用窄带激励的主要优点是能简化l a m b 波在结构中传播的模式，使响应信 号的成分简单，容易识别：但由于结构对不同的频率有不同的响应，在检测过 程中，常常会出现这样的情况，即使结构出现较大的损伤，在某一个频率处， 响应信号也可能与原健康情况的一样，或者响应信号的变化程序不足以判断损 伤的存在，而在另一频率处的响应信号出现很大的变化。因此，确定使用哪一 个频率附近的窄带激励信号变成了采用窄带激励检测损伤的一个突出的问题。 特别当结构复杂，如检测面积大、材料不均匀、厚度不一致、检测通道较多等 情况下，不同的通道的物理状态不尽相同，它们对不同中心频率的激励信号敏 感程度也不同，采用同一种频率的窄带激励信号很可能造成忽视那些对这一频 率不敏感的通道经过的区域的检测。要权衡所有通道适用的频率，为窄带激励 检测带来很多困扰。 同时采用多个频率的l a m b 波激励信号对结构进行检测，可以避免采用单一 时频分析方法在智能结构损伤在线检测中的应用研究 频率窄带激励的不足，但是同一通道要进行多次检测，耗时较长，不适合在线 使用。采用宽带激励l 锄b 波来检测平板损伤的主要思想，就是能从一次检测的 宽带激励响应中，分析不同频段的结构响应，从而进一步全面地分析结构的健 康情况，可减少检测次数，提高检测效率和检测精度。将宽带信号激发【a m b 波 用于平板结构的损伤检测是最近几年出现的，由于基于宽带l a m b 波激励的损伤 检测采用的设备要求较高、信号处理工作复杂，所以目前还没有得到广泛的应 用。目前，大量的工作集中在对宽带激励响应信号的分