[發明專利]一種高空間分辨率的Lamb波虛擬時間反轉方法

有效

• 申請號: 201010166891.X
• 申請日: 2010-05-10
• 公開（公告）號: CN101839893A
• 公開（公告）日: 2010-09-22
• 發明（設計）人: 石立華;蔡建;邵志學;邵哲
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍理工大學
• 主分類號: G01N29/04
• 分類號: G01N29/04
• 代理公司: 南京眾聯專利代理有限公司 32206
• 代理人: 盧霞

技術領域

本發明涉及一種高空間分辨率的Lamb波虛擬時間反轉方法，屬于工程結構健康監測技術領域。

背景技術

工程結構健康監測技術是一種在線、動態、實時的監測技術，其近幾年得到高速發展并在工程結構的安全和可靠性評估中發揮著日益重要的作用。Lamb波作為一種板類結構中傳播的超聲導波，因其能夠進行長距離傳播并且對結構表面和內部損傷均敏感，在結構健康監測領域得到日益廣泛的關注。目前，基于Lamb波的結構健康監測技術，特別是主動Lamb波監測技術已成為一個研究熱點。該技術可分為4個過程：①以特定的信號激勵壓電元件，向結構中激發Lamb波信號；②Lamb波信號在材料中的傳播；③采用壓電傳感器或其它傳感器在結構的不同位置接收Lamb波信號；④對接收到的Lamb波傳感信號進行分析處理，提取損傷特征參數。

Lamb波傳播速度較快并存在頻散特性，實際結構中復雜邊界引起的多路徑傳播以及現場噪聲使得Lamb傳感信號中原本較弱的損傷散射信號很可能被淹沒，嚴重影響后續的損傷特征參數提取，降低了監測結果的可靠性。所以，提高損傷散射信號的信噪比是主動Lamb波監測技術在工程應用中急需解決的難題。

時間反轉(頻域里稱為相共軛)方法由光學領域的相位共軛方法發展而來，是指傳感器接收到聲源發射的信號后，把傳感信號時間翻轉再加載到相應的傳感器上進行時反二次發射，即先到后發，后到先發。該方法能夠自動使信號在時間和空間上得到補償，從而在波源處實現自適應聚焦。損傷，特別是點損傷，可視為二次波源，利用時間反轉方法可實現多路徑損傷散射信號在相應損傷處聚焦增強，提高其信噪比。

目前現有的工程結構健康監測中的Lamb波時間反轉方法，主要存在以下兩個不足之處：(1)由于物理時間反轉涉及到兩次信號發射和接收，操作過程較為煩瑣，對監測設備的要求較高，在實際工程中直接進行物理時間反轉具有一定的難度；(2)一些研究者提出了一種用信號運算來代替物理時間反轉操作的時間反轉聚焦方法，如中國專利200710133882.9所公開的方法，其聚焦增強的損傷散射信號如圖5b所示，由于該方法直接對Lamb波損傷散射信號進行運算，故會增加聚焦波峰寬度，降低其空間分辨率，限制了該方法在多損傷情況下的應用。

發明內容

本發明的目的克服現有技術的不足之處，提供一種高空間分辨率虛擬時間反轉方法，能夠無需進行復雜的物理時間反轉操作就能實現信號聚焦，又能保持聚焦波峰寬度，提高其空間分辨率。

本發明的高空間分辨率虛擬時間反轉方法，包括以下步驟：

(1)在待測結構上布置N個壓電片組成的壓電陣列；

(2)獲取損傷散射路徑傳遞函數：通過任意波形發生卡發出一階躍信號，經功率放大后加載到作為激勵的壓電片P_i上，在待測結構中產生Lamb波寬帶監測信號；另一壓電片P_j作為傳感器分別采集結構在損傷狀態和健康狀態下的響應信號，對這兩種響應信號進行差運算以獲得監測路徑P_i-P_j中的階躍激勵下的損傷散射信號，對損傷散射信號進行求導運算和歸一化處理后得到監測路徑P_i-P_j中的損傷散射路徑傳遞函數h_ij，分別選取不同激勵和傳感器并進行上述操作，得到壓電陣列中所有監測路徑的損傷散射路徑傳遞函數h_ij；

(3)獲取多路徑損傷散射信號：把激勵信號加載到作為激勵的壓電片P_i上，另一壓電片P_j則作為傳感器分別采集待測結構在損傷狀態和健康狀態下的響應信號，對這兩種響應信號進行差運算以獲得監測路徑P_i-P_j中的多路徑損傷散射信號w_ij，分別選取不同激勵和傳感器并進行相同的操作，得到壓電陣列中所有監測路徑的多路徑損傷散射信號w_ij；