功率放大器在超聲技術鋁板損傷監控實驗研究中的應用
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超聲技術的最初想法起源于D.E.Egle等人的工作[12]他們在致力于尋求改進表征各種聲發射信號和聲發射源的問題中，用各種聲激勵法來研究應力波模型。在其工作基礎上，A.町提出并完整歸納出應力波因子技術思想[3]他建議用超聲模擬應力波和聲發射信號分析法來評價復合材料的性質和缺陷狀態，這就是聲·超聲技術。該技術的基本思想是:采用壓電換能器或者激光照射等手段在復合材料(或各向同性材料)表面激發詢問脈沖應力波，與此同時再利用壓電傳感器在材料的同一表面的其它一個或多個地方接收應力波信號，在此基礎上通過信號分析確定反映材料對于瞬間脈沖波傳播效率的應力波因子(stresswavefaωrSWF)[4]從而以此表征材料的機械性能的變化。該技術是受聲發射技術啟發而產生的，故又稱聲·超聲技術或主動聲發射技術，是結構損傷檢測及完整性動態評估方面的一項新技術，特別適合于各類結構的健康監控。
因此自20世紀80年代問世以來，聲-超聲技術吸引了人們的極大興趣。早期的聲·超聲技術研究主要集中在應力波的激勵、檢測和傳播特性方面。隨著信號分析方法的發展，人們開始采用常規或更先進的信號分析手段對應力波因子的提取、量化方法及利用應力波因子對材料損傷類型及損傷狀態進行監測評價。目前，聲『超聲技術正由原來的靜態檢測走向動態監測，對象也從復合材料層板或板類結構擴展到纏繞壓力容器、鋼絲繩、粘接接頭等多種結構。同時，人們更關注于應力波因子技術與材料的機械力學性能間的內在聯系研究。
由板波理論可知[旬，聲-超聲技術在薄板中激發的彈性波為Lamb波。因此，對Lamb波進行合理有效的分析，發掘出包含在Lamb波中的關于檢測對象的信息是聲-超聲技術應用的關鍵。筆者主要針對LY12α鋁板，采用信號短時均方根(SMS)方法，對聲-超聲技術在鋁板中激發的Lamb波的特性進行實驗研究，對鋁板中有無模擬損傷的情況做了對比研究和分析，以期為基于聲-超聲技術的結構健康監控系統研究打下基礎。
1聲·超聲技術中的Lamb波
Lamb波是在自由板中產生的平面應變波，在板的上下表面應力(tractionforce)為零。Lamb波具有頻散特性，其速度隨頻率的改變而改變，群速度和相速度不相等。其波動方程是瑞利-蘭姆方程[6)表達式為
2基于信號短時均方根(SMS)的Lamb波傳播特性分析方法
波的傳播即是能量傳播的過程，因此可以通過對能量的分析達到了解波的傳播特性的目的。信號均方(root-mean-squareRMS)分析是能量分析中常用的方法，RMS的大小代表信號的總能量。文獻[7J提出了一種短時能量的概念，借鑒其思路，筆者采用了一種短RMS(short-time-root-mean-square)的分析方法對Lamb波信號進行分析。
若將一個Lamb波傳播信號按時序等分為小段信號并求其均方根值，則MS值反映了各小段信號的能量特征，若按時間順序將其排列起來，則可以表征信號的能量傳播特征。因此，筆者采用MS從能量傳播的角度來度量各模態波的平均傳播速度和特性。
3實驗裝置及儀器配置
4完好鋁板中Lam波特性分析
采用尺寸為715mmx475mmx3.5mm的完好LY12CZ鋁板進行測試，壓電片分別布置在鋁板同側表面上，分別位于A(365，400)、B(365350)C(365250)三點A為激勵源BC為接收傳感器。見圖4。取每10個采樣點為單元對信號進行STRMS分析。圖給出激勵信號頻率為250kHz350kHz兩點接收到Lam波信號的STRMS分析結果。根據STRMS原理，信號的STRMS序列的最大幅值點對應Lamb波的能量中心經過傳感器中心位置的時刻，而幅值高低表征該Lamb波能量的強弱。因此，可根據所獲得的STRMS序列確定Lamb波的傳播情況及各模態波能量中心到達各傳感器的準確時刻，據此可計算出Lamb波的群速度。改變激勵頻率可得到一系列的群速度，經與理論群速度對照，可確定Lam波的模態。
5含缺陷鋁板中Lamb波特性分析
含缺陷鋁板的外形尺寸和圖一致。板上有一個模擬裂紋缺陷的通透槽，槽的尺寸是30mmx1mm，以板的左下角為坐標原點則缺陷中心坐標為(225,140)，與底邊夾角135度。
壓電傳感器的布置則采用兩種方案。方案A的3個傳感器1#2#3#布置于缺陸周圍，其中，2#3#傳感器連線垂直平分缺陷槽，間距30mm，1#、2#連線平行于缺陷槽，間距20mm，如圖6(a)所示。方案B的4個傳感器分布在一個邊長為100mm的正方形頂角上，正方形左下角點的坐標是(200mm，100mm)，詳見圖6(b)。激勵頻率采用175kHz和350kHz。
5.1方案的Lamb波特性分析
當激勵頻率為350kHz(So模態)時，幾乎所有路徑的Lamb波能量都發生了不同程度的明顯衰減，特別是當模擬損傷位于傳播路徑(1←→3，圖l0(b))上時，直接到達Lamb波的能量也發生了衰減，而對于其他路徑，衰減均發生在多次反射過程中經過損傷區域后到達的Lamb波上。圖l0(a)中箭頭標示的衰減位置的Lamb波就是經過上表面反射回來的，但因為模擬損傷剛好處于該傳播路徑上，與路徑夾角約63度，大大降低了經由該方向的Lamb波能量。表明模擬損傷的存在對Lamb波的傳播造成顯著的影響，主要是Lamb波在經過損傷位置時部分能量在相互作用的過程中消耗掉或發散到其他方向，表現在STRMS圖形上就是幅值降低。
帶寬：（-3dB）DC~1MHz
電壓：160Vp-p（±80Vp）
電流：5.65Ap
功率：452Wp
壓擺率：≥356V/μs
可程控
6結束語
筆者采用短時均方根能量分析方法對鋁板中Lam波的傳播特性進行實驗研究，首先分析了不同激勵條件下完好薄板中Lamb波的傳播特性。在此基礎上，對含模擬缺陷鋁板的Lamb波的傳播特性進行了研究，得出了一些有價值的結論。
[參考文獻]
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