基于Lamb波的材料小范圍損傷檢測(cè)研究

江騰，張雪婷，朱永凱

（南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210016）

利用壓電陶瓷片激勵(lì)Lamb波[1]是一種常用的材料損傷檢測(cè)方法。Lamb波各模式信號(hào)之間的混疊在損傷檢測(cè)中是一個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題，實(shí)際檢測(cè)中時(shí)常會(huì)碰到小尺寸的檢測(cè)平面，那么這時(shí)候利用傳感器布設(shè)來(lái)防止混疊和邊界反射信號(hào)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。本文提出了通過(guò)Lamb波激勵(lì)模式優(yōu)化，達(dá)到小范圍、近距離情況下?lián)p傷信號(hào)之間的模式分離，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠在小范圍內(nèi)提取損傷信號(hào)。

1 鋁板中S0、A0波傳播速度實(shí)驗(yàn)計(jì)算

圖1 無(wú)損鋁板傳感器分布圖Fig.1 Nondestructive aluminum sensor distribution diagram

實(shí)驗(yàn)中我們采用LF21型鋁板作為實(shí)驗(yàn)試件，尺寸為600×600×2mm。首先我們?cè)阡X板上用耦合劑粘貼3塊直徑10 mm，厚度1 mm的壓電陶瓷片。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中我們使用經(jīng)過(guò)Hanning窗調(diào)制的5周期正弦信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)，激勵(lì)信號(hào)幅值為5 V，中心頻率為150 kHz。實(shí)驗(yàn)鋁板以及壓電陶瓷的布設(shè)平面圖、側(cè)視圖如圖1所示。

S0模式和A0模式[2]的傳播速度對(duì)于后續(xù)小范圍、近距離損傷信號(hào)的研究是必須的，所以我們首先測(cè)量S0、A0模式波在LF21鋁板內(nèi)的傳播速度。基于圖1中的圖（b）我們分別給PZT2和PZT3施加激勵(lì)信號(hào)，PZT1作為接收，PZT2為同面激勵(lì)，PZT3為異面激勵(lì)，接收PZT和激勵(lì)PZT之間的間距ΔL=173 mm，PZT和邊界距離d=213.5 mm。經(jīng)過(guò)Matlab程序處理后的信號(hào)如圖2所示。

如圖2所示，第一部分代表S0模式波，由于S模式波的對(duì)稱(chēng)性，所以PZT1接收到的波形幅值和相位相同，而第二部分表示A0模式波，由于A模式波的反對(duì)稱(chēng)性，所以PZT1接收到的波形幅值相同，相位相反。

對(duì)于上述波形我們驗(yàn)證S0模式和A0模式波在鋁板中傳播的群速度。圖中激勵(lì)信號(hào)的幅值為原信號(hào)幅值的1/500。3個(gè)信號(hào)峰值點(diǎn)從左到右對(duì)應(yīng)激勵(lì)信號(hào)峰值點(diǎn)、PZT接收到的S0模式波峰值點(diǎn)、PZT接收到的A0模式波峰值點(diǎn)，我們可以從Matlab處理信號(hào)圖上得到激勵(lì)信號(hào)橫坐標(biāo)x=491，xS0=848，xA0=1192，相鄰兩個(gè)點(diǎn)之間的采樣時(shí)間差為采集整個(gè)信號(hào)的時(shí)間，在本次實(shí)驗(yàn)中T=250μs，n表示采集到的信號(hào)點(diǎn)數(shù)，本實(shí)驗(yàn)中n=2 500，所以相鄰采樣點(diǎn)之間的采樣時(shí)間差τ=10-7秒。根據(jù)速度公式可以得到VS0=4 846 m/s，VA0=2 468 m/s，此速度只是作為后續(xù)小范圍、近距離損傷信號(hào)研究的一個(gè)參考速度。

圖2 遠(yuǎn)距離接收的同面、異面信號(hào)Fig.2 Long distance with the same surface and contrary surface signal

2 近距離損傷中激勵(lì)方式的選擇

我們知道，在材料損傷檢測(cè)中，利用PZT作為傳感器檢測(cè)損傷的方法最常用的就是單面激勵(lì)、單面接收和雙面激勵(lì)和單面接收兩種，所以本節(jié)主要研究哪一種激勵(lì)方式[3]更適合近距離損傷的檢測(cè)。

在小范圍近距離損傷實(shí)驗(yàn)中，我們縮小傳感器之間的距離，具體實(shí)驗(yàn)布設(shè)如圖1（b），其中ΔL取值為55 mm，則相應(yīng)的取值為272.5 mm。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中我們使用經(jīng)過(guò)Hanning窗調(diào)制的5周期正弦信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)，激勵(lì)信號(hào)幅值為5 V，中心頻率為150 kHz。實(shí)驗(yàn)中采用PZT1作為接收，PZT2作為激勵(lì)，接收到的單面同面信號(hào)如圖3所示。

圖3 5.5cm下的單面同面信號(hào)Fig.3 Sided with the surface signal under 5.5cm

從圖中可以清楚的看到，同面信號(hào)的有3個(gè)峰值近似的波峰，而且接收到的信號(hào)不是5周期信號(hào)，原因是激勵(lì)和接收PZT之間的距離太近，不滿(mǎn)足防止混疊的最小距離條件，S0模式波和A0模式波產(chǎn)生了混疊，無(wú)法分析信號(hào)，所以近距離損傷檢測(cè)采用單面激勵(lì)方式是不可行的。

為了驗(yàn)證近距離損傷檢測(cè)中雙面激勵(lì)的效果，我們同時(shí)激勵(lì)PZT2和PZT3，PZT1作為接收，接收到的雙面信號(hào)如圖4所示。

圖4 5.5cm下的雙面信號(hào)Fig.4 Double signal under 5.5cm

從雙面信號(hào)圖中可以明顯看到1個(gè)5周期信號(hào)，其中波峰代表S0模式波的波峰，經(jīng)計(jì)算S0模式波波速為4 792 m/s，和理論值接近。由于雙面激勵(lì)無(wú)法將A0模式波完全消除，所以呈現(xiàn)出了幅值很小的A0模式波。

從上面的研究結(jié)果我們可以看出，在近距離、小范圍內(nèi)檢測(cè)損傷時(shí)，采用雙面激勵(lì)是可行的，而采用單面激勵(lì)存在著不足。所以，在近距離損傷中，我們應(yīng)該優(yōu)先考慮雙面激勵(lì)方式。

3 近距離損傷中單、雙面激勵(lì)對(duì)比研究

本節(jié)主要對(duì)近距離損傷檢測(cè)所接收到的損傷信號(hào)進(jìn)行分析研究。在近距離損傷檢測(cè)中，在第2節(jié)中的LF21鋁板上人為制造一個(gè)損傷空洞，在鋁板上布設(shè)4塊PZT，其中2塊對(duì)稱(chēng)粘貼在損傷鋁板的正反面，記為PZT1和PZT2；另外2塊作為接收，記為PZT3和PZT4。其中損傷位置到PZT1（PZT2）和PZT3的距離相等。實(shí)驗(yàn)鋁板以及壓電陶瓷的布設(shè)平面圖、側(cè)視圖如圖5所示。

圖5 有損鋁板傳感器分布圖Fig.5 Destructive aluminum sensor distribution diagram

在損傷實(shí)驗(yàn)中，我們首先給PZT1施加經(jīng)過(guò)Hanning窗調(diào)制的5周期正弦信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)，激勵(lì)信號(hào)幅值為5 V，中心頻率為150 kHz。同時(shí)讓PZT3和PZT4作為接收傳感器，PZT3接收到的是有損傷信號(hào)，而PZT4接收到的是無(wú)損傷信號(hào)。他們的信號(hào)差含有損傷信息，經(jīng)過(guò)Matlab處理后圖形如圖6所示。

圖6 單面激勵(lì)信號(hào)圖Fig.6 Single excitation signal diagram

從圖中我們可以看到，有損信號(hào)的幅值比無(wú)損信號(hào)的幅值大，是因?yàn)長(zhǎng)amb波經(jīng)過(guò)損傷傳播到接受傳感器的信號(hào)和Lamb波直線傳播到接收傳感器的信號(hào)發(fā)生了混疊，導(dǎo)致了信號(hào)幅值的增大，兩者的差信號(hào)就是損傷信號(hào)，其中包含了損傷信息。

從圖中可知，對(duì)應(yīng)波峰的時(shí)間差是確定的，激勵(lì)傳感器到損傷的距離和損傷到接收傳感器的距離是確定的，本實(shí)驗(yàn)中的距離之和為12.2 cm。并且損傷空洞并不會(huì)引起Lamb波各模式波的傳播速度，所以根據(jù)距離之和和時(shí)間，我們可以測(cè)得S0模式波的速度為6 545 m/s。與無(wú)損傷板上測(cè)得的速度相差甚遠(yuǎn)，發(fā)生這種情況的原因是單面激勵(lì)模式中的模式發(fā)生了混疊，所以差信號(hào)中的第一個(gè)波峰并不代表S0模式波。

接下來(lái)我們同時(shí)對(duì)PZT1和PZT2施加激勵(lì)信號(hào)[4-6]，即采用雙面激勵(lì)的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。雙面激勵(lì)實(shí)驗(yàn)中我們得到的PZT3有損傷信號(hào)和PZT4無(wú)損傷信號(hào)以及他們的差信號(hào)如圖7所示。

從圖中可知，對(duì)應(yīng)波峰的時(shí)間差是確定的，激勵(lì)傳感器到損傷的距離和損傷到接收傳感器的距離是確定的，本實(shí)驗(yàn)中的距離之和為12.2 cm。并且損傷空洞并不會(huì)引起Lamb波各模式波的傳播速度，所以根據(jù)距離之和和時(shí)間，我們可以測(cè)得S0模式波的速度為4 778 m/s。與無(wú)損傷板上測(cè)得的速度接近，說(shuō)明了雙面激勵(lì)在近距離損傷檢測(cè)中是可行的。

4 結(jié) 論

文中對(duì)主動(dòng)Lamb波[7]監(jiān)測(cè)技術(shù)在小范圍、近距離損傷中的激勵(lì)方式進(jìn)行了研究。根據(jù)實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算，對(duì)單面激勵(lì)和雙面激勵(lì)損傷信號(hào)進(jìn)行了對(duì)比研究。結(jié)果表明，在小范圍、近距離的損傷檢測(cè)中，運(yùn)用雙面激勵(lì)方式比單面激勵(lì)方式的效果好，精確度高。這對(duì)于目前廣泛研究的基于Lamb波的損傷檢測(cè)技術(shù)是十分有幫助的。

圖7 雙面激勵(lì)信號(hào)圖Fig.7 Double excitation signal diagram

[1]魏鳳春.利用壓電陶瓷片進(jìn)行復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)的研究[D].河南：鄭州大學(xué)，2006.

[2]蔡建，袁慎芳，張逍越，等.Lamb波雙面激勵(lì)方法及其在近鄰損傷監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，42（1）:62-67.CAI Jian，YUAN Shen-fang，ZHANG Xiao-yue，et al.Lamb wave double side excitation and its application in adjacent damage monitoring[J].Journal of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2010，42（1）:62-67.

[3]彭鴿，袁慎芳.主動(dòng)Lamb波監(jiān)測(cè)技術(shù)中的傳感元件優(yōu)化布置研究[J].航空學(xué)報(bào)，2006，27（5）:957-962.PENG Ge，YUAN Shen-fang.Optimization for collocation of sensors in active lamb wave-based monitoring[J].Journal of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2006，27（5）:957-962.

[4]Benmeddour F，Grondel S，Assaad J，et al.Experimental study of the A0 and S0 Lamb waves interaction with symmetrical notches[J].Ultrasonics，2009，49（2）:202-205.

[5]Rathod V T，Mahapatra D R.Ultrasonic Lamb wave based monitoring of corrosion type of damage in plate using a circular array of piezoelectric transducers[J].NDT&E International，2011（7）:628-636.

[6]GAO Dong-yue，WANG Yi-shou，WU Zhan-jun，et al.Design of a sensor network for structural health monitoring of a fullscale composite horizontal tai[J].Smart Materials and Structures，2014（3）:1-11.

[7]LIU Yan，WANG Yue-min，SHEN Chuan-jun，et al.Damage detection for plate-like structure based on lamb wave and time reversal theory[J].International Congress on Image and Signal Processing，2012（5）:1778-1781.