基于非频散信号构建的Lamb波高分辨率损伤成像方法

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1、航空学报ActaAerOnauticaetAstronauticaSinicaAug．252013VoI．34No81815．1823ISSN1000—6893CN11—1929／Vhttp：∥hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaaedu．cn基于非频散信号构建的Lamb波高分辨率损伤成像方法蔡建1’2⋯，石立华2，卿新林1’*，杜朝亮11．中国商用飞机有限责任公司北京民用飞机技术研究中心，北京1022112．解放军理工大学电磁环境效应与光电工程国家级重点实验室，江苏南京2100073．南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室，江苏南京210016摘要：L

2、amb波损伤成像是结构健康监测的研究热点之一，然而在实际应用中，成像分辨率很容易受到Lamb波频散特性的影响。本文研究了非频散信号构建(ND—SC)的频散补偿方法并用于提高Lamb波成像分辨率。根据频域中建立的Lamb波传感模型，分析了ND—SC原理，并分别按照宽带激励和窄带激励两种情况对ND—SC的实现方式进行了讨论。随后结合经典的延迟叠加算法提出了高分辨率损伤成像方法。针对铝板的实验结果证明了本文提出的ND—Sc方法和高分辨率损伤成像方法的有效性。关键词：Lamb波；频散补偿；损伤成像；分辨率；信号构建中图分类号：V267+．3；TB55；TN911．7文献标识码：A文章

3、编号：1000一6893(2013)08一1815一09目前，针对航空结构的结构健康监测(SHM)研究变得日益重要。SHM由传统无损检测技术发展而来，该技术利用集成在结构中的传感／驱动元件网络可对结构状态进行实时在线检测，可有效提高结构安全性并降低维护费用[1q]。Lamb波是一种板类结构中的超声导波，能够传播较远距离并对结构损伤敏感，所以广泛应用于SHM中。相比于传统损伤检测方法，如椭圆定位[4]和三角测量方法，Lamb波损伤成像可直观给出损伤的位置、范围和程度等信息，已成为SHM的研究热点之一。相控阵成像方法[51根据Lamb波波束形成原则，把阵列中的传感信号综合为每个角

4、度的合成信号，从而实现对结构的全向扫描成像。偏移成像方法[6]通过反演传感阵列接收的散射信号重建散射波场，然后根据散射信号回传到各损伤点时刻的波场进行成像。Lamb波层析成像[718]利用与损伤相关的波速、能量衰减和模式变换等特征参数进行图像构建。Lamb波时间反转聚焦也可用于损伤成像[91⋯。这些方法均具有较好的工程应用前景。然而，在实际应用中，Lamb波频散效应的存在，使其波包发生扩展和变形，幅值随之降低[1“。这种现象会随着传播距离的增大表现得越明显，严重影响了Lamb波成像结果的分辨率和信噪比。为了解决上述问题，本文研究了非频散信号构建(Non—dispersiveS

5、ignalConstruction，ND—SC)的Lamb波频散补偿方法。首先建立了Lamb波传感模型，然后根据该模型研究了ND—SC原理并对基于宽带激励和窄带激励的两种实现方式分别进行讨论。接着把ND—SC用于传统收稿日期：2012．11．06；退修日期：2013—01．23；录用日期：2013—02-19；网络出版时间：2013-03-0815：35网络出版地址：www．cnkinet／kcms／defajI／11．1929V20{30308．1535．002．h{m基金项目：国家自然科学基金(11172053，10872217)；国家“863”计划(2012AA0402

6、09)；上海市博士后科学基金(12R21421900)*通讯作者．Tel．：010-57808828E-mail：qingx⋯n@comac．cc戮用撂武tcalJ。shiLH。QingxL．eta

7、．Lambwaveh{gh．reso

8、u№ndamageimagingmethodbasedonnon-disDerslvesigna

9、constructIon．AclaAeronauticaelAs{r口nau日casinica．2013．34(8)：1815．1823蔡建．石立华，姆新林．等．基f非频散信号梅建的Lamb渡高分辨率损伤成像方法．航空学报。2013．34t8)：

10、1815·1823．航空学报Aug．252013VoI．34No．8延迟叠加方法中以提高成像分辨率。最后对铝板进行了实验研究。1Lamb波传感模型当使用压电片作为激励和传感器时，Lamb波传感信号可在频域中表示为[12]V(∞)一E。((U)E。((U)V。((cJ)G(r，(￡J)(1)式中：E。(cc，)和E。(甜)分别为压电片在激励和传感过程中电机和机电的耦合系数；∞为角频率；y。(叫)和V(叫)分别为激励信号和传感信号的频域表达式；G(r，∞)为Lamb波在结构中传播的传递函数，r为传播距离。为