本文Aigtek安泰電子將與大家分享，功率放大器在超聲技術(shù)鋁板損傷監(jiān)控實(shí)驗(yàn)研究中的應(yīng)用，希望能對(duì)各位工程師有所幫助與啟發(fā)。

　　超聲技術(shù)的最初想法起源于D.E.Egle等人的工作[12]他們?cè)谥铝τ趯で蟾倪M(jìn)表征各種聲發(fā)射信號(hào)和聲發(fā)射源的問(wèn)題中，用各種聲激勵(lì)法來(lái)研究應(yīng)力波模型。在其工作基礎(chǔ)上，A.町提出并完整歸納出應(yīng)力波因子技術(shù)思想[3]他建議用超聲模擬應(yīng)力波和聲發(fā)射信號(hào)分析法來(lái)評(píng)價(jià)復(fù)合材料的性質(zhì)和缺陷狀態(tài)，這就是聲·超聲技術(shù)。該技術(shù)的基本思想是:采用壓電換能器或者激光照射等手段在復(fù)合材料(或各向同性材料)表面激發(fā)詢問(wèn)脈沖應(yīng)力波，與此同時(shí)再利用壓電傳感器在材料的同一表面的其它一個(gè)或多個(gè)地方接收應(yīng)力波信號(hào)，在此基礎(chǔ)上通過(guò)信號(hào)分析確定反映材料對(duì)于瞬間脈沖波傳播效率的應(yīng)力波因子(stresswavefaωrSWF)[4]從而以此表征材料的機(jī)械性能的變化。該技術(shù)是受聲發(fā)射技術(shù)啟發(fā)而產(chǎn)生的，故又稱聲·超聲技術(shù)或主動(dòng)聲發(fā)射技術(shù)，是結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)及完整性動(dòng)態(tài)評(píng)估方面的一項(xiàng)新技術(shù)，特別適合于各類(lèi)結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)控。

　　因此自20世紀(jì)80年代問(wèn)世以來(lái)，聲-超聲技術(shù)吸引了人們的極大興趣。早期的聲·超聲技術(shù)研究主要集中在應(yīng)力波的激勵(lì)、檢測(cè)和傳播特性方面。隨著信號(hào)分析方法的發(fā)展，人們開(kāi)始采用常規(guī)或更先進(jìn)的信號(hào)分析手段對(duì)應(yīng)力波因子的提取、量化方法及利用應(yīng)力波因子對(duì)材料損傷類(lèi)型及損傷狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)。目前，聲『超聲技術(shù)正由原來(lái)的靜態(tài)檢測(cè)走向動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，對(duì)象也從復(fù)合材料層板或板類(lèi)結(jié)構(gòu)擴(kuò)展到纏繞壓力容器、鋼絲繩、粘接接頭等多種結(jié)構(gòu)。同時(shí)，人們更關(guān)注于應(yīng)力波因子技術(shù)與材料的機(jī)械力學(xué)性能間的內(nèi)在聯(lián)系研究。

　　由板波理論可知[旬，聲-超聲技術(shù)在薄板中激發(fā)的彈性波為L(zhǎng)amb波。因此，對(duì)Lamb波進(jìn)行合理有效的分析，發(fā)掘出包含在Lamb波中的關(guān)于檢測(cè)對(duì)象的信息是聲-超聲技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。筆者主要針對(duì)LY12α鋁板，采用信號(hào)短時(shí)均方根(SMS)方法，對(duì)聲-超聲技術(shù)在鋁板中激發(fā)的Lamb波的特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)鋁板中有無(wú)模擬損傷的情況做了對(duì)比研究和分析，以期為基于聲-超聲技術(shù)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控系統(tǒng)研究打下基礎(chǔ)。

　　1聲·超聲技術(shù)中的Lamb波

　　Lamb波是在自由板中產(chǎn)生的平面應(yīng)變波，在板的上下表面應(yīng)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(dòng)方程是瑞利-蘭姆方程[6)表達(dá)式為

　　2基于信號(hào)短時(shí)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(guò)程，因此可以通過(guò)對(duì)能量的分析達(dá)到了解波的傳播特性的目的。信號(hào)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(hào)的總能量。文獻(xiàn)[7J提出了一種短時(shí)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(duì)Lamb波信號(hào)進(jìn)行分析。

　　若將一個(gè)Lamb波傳播信號(hào)按時(shí)序等分為小段信號(hào)并求其均方根值，則MS值反映了各小段信號(hào)的能量特征，若按時(shí)間順序?qū)⑵渑帕衅饋?lái)，則可以表征信號(hào)的能量傳播特征。因此，筆者采用MS從能量傳播的角度來(lái)度量各模態(tài)波的平均傳播速度和特性。

　　3實(shí)驗(yàn)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(jìn)行測(cè)試，壓電片分別布置在鋁板同側(cè)表面上，分別位于A(365，400)、B(365350)C(365250)三點(diǎn)A為激勵(lì)源BC為接收傳感器。見(jiàn)圖4。取每10個(gè)采樣點(diǎn)為單元對(duì)信號(hào)進(jìn)行STRMS分析。圖給出激勵(lì)信號(hào)頻率為250kHz350kHz兩點(diǎn)接收到Lam波信號(hào)的STRMS分析結(jié)果。根據(jù)STRMS原理，信號(hào)的STRMS序列的最大幅值點(diǎn)對(duì)應(yīng)Lamb波的能量中心經(jīng)過(guò)傳感器中心位置的時(shí)刻，而幅值高低表征該Lamb波能量的強(qiáng)弱。因此，可根據(jù)所獲得的STRMS序列確定Lamb波的傳播情況及各模態(tài)波能量中心到達(dá)各傳感器的準(zhǔn)確時(shí)刻，據(jù)此可計(jì)算出Lamb波的群速度。改變激勵(lì)頻率可得到一系列的群速度，經(jīng)與理論群速度對(duì)照，可確定Lam波的模態(tài)。

　　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(gè)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(biāo)原點(diǎn)則缺陷中心坐標(biāo)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(gè)傳感器1#2#3#布置于缺陸周?chē)渲校?#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(gè)傳感器分布在一個(gè)邊長(zhǎng)為100mm的正方形頂角上，正方形左下角點(diǎn)的坐標(biāo)是(200mm，100mm)，詳見(jiàn)圖6(b)。激勵(lì)頻率采用175kHz和350kHz。

　　5.1方案的Lamb波特性分析

　　當(dāng)激勵(lì)頻率為350kHz(So模態(tài))時(shí)，幾乎所有路徑的Lamb波能量都發(fā)生了不同程度的明顯衰減，特別是當(dāng)模擬損傷位于傳播路徑(1←→3，圖l0(b))上時(shí)，直接到達(dá)Lamb波的能量也發(fā)生了衰減，而對(duì)于其他路徑，衰減均發(fā)生在多次反射過(guò)程中經(jīng)過(guò)損傷區(qū)域后到達(dá)的Lamb波上。圖l0(a)中箭頭標(biāo)示的衰減位置的Lamb波就是經(jīng)過(guò)上表面反射回來(lái)的，但因?yàn)槟M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(jīng)由該方向的Lamb波能量。表明模擬損傷的存在對(duì)Lamb波的傳播造成顯著的影響，主要是Lamb波在經(jīng)過(guò)損傷位置時(shí)部分能量在相互作用的過(guò)程中消耗掉或發(fā)散到其他方向，表現(xiàn)在STRMS圖形上就是幅值降低。

　　ATA-4014高壓功率放大器

　　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(jié)束語(yǔ)

　　筆者采用短時(shí)均方根能量分析方法對(duì)鋁板中Lam波的傳播特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，首先分析了不同激勵(lì)條件下完好薄板中Lamb波的傳播特性。在此基礎(chǔ)上，對(duì)含模擬缺陷鋁板的Lamb波的傳播特性進(jìn)行了研究，得出了一些有價(jià)值的結(jié)論。

　　[參考文獻(xiàn)]

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