[發明專利]一種基于空間-波數濾波器的損傷無波速定位方法

有效

• 申請號: 202010325775.1
• 申請日: 2020-04-23
• 公開（公告）號: CN111551630B
• 公開（公告）日: 2021-07-13
• 發明（設計）人: 劉彬;劉廷章;杭丹
• 申請（專利權）人: 上海大學;中國人民解放軍空軍勤務學院
• 主分類號: G01N29/04
• 分類號: G01N29/04;G01N29/44
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 曹蕓

1.一種基于空間-波數濾波器的損傷無波速定位方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟一：獲取雙頻率損傷散射信號；具體實現過程如下：

結構上布置有一個十字陣，十字陣中的兩條線陣分別標記為I號線陣和II號線陣；兩條線陣均由M個壓電傳感器組成，相鄰兩個壓電傳感器中心點之間的間距均為Δx；I號線陣中的壓電傳感器依次編號為I-1、I-2、…、I-m、…、I-M，II號線陣中的壓電傳感器依次編號為II-1、II-2、…、II-m、…、II-M；在十字陣的中心點附近布置一個主動Lamb波激勵元件；

①在結構處于健康狀態下，激勵元件在結構中分別激發出中心頻率為ω₁和ω₂的Lamb波，十字陣采集結構的Lamb波響應信號，作為結構的健康基準信號H(ω,r-m,t)，ω為Lamb波的中心頻率，r為線陣的編號，m為線陣中壓電傳感器的編號，r-m為r號線陣中m號壓電傳感器，t為采樣時間；

②當結構發生損傷之后，激勵元件在結構中再次分別激發出中心頻率為ω₁和ω₂的Lamb波，十字陣采集結構的Lamb波響應信號，作為結構的在線監測信號D(ω,r-m,t)；

③使用結構的健康基準信號H(ω,r-m,t)和結構的在線監測信號D(ω,r-m,t)，提取損傷散射信號f(ω,r-m,t)，如公式(1)所示：

f(ω,r-m,t)＝D(ω,r-m,t)-H(ω,r-m,t) (1)

式中：f(ω,r-m,t)為提取出的ω頻率下十字陣中r號線陣的m號壓電傳感器的損傷散射信號，D(ω,r-m,t)為ω頻率下十字陣中r號線陣的m號壓電傳感器的在線監測信號，H(ω,r-m,t)為ω頻率下十字陣中r號線陣的m號壓電傳感器的健康基準信號，ω為Lamb波的中心頻率，r為線陣的編號，r-m為r號線陣中m號壓電傳感器，t為采樣時間；

步驟二：對雙頻率損傷散射信號進行空間-波數濾波；具體實現過程如下：

首先，設置空間-波數濾波器的波數濾波間隔為Δk，空間-波數濾波器的波數濾波范圍為(-k_s,+k_s)，k_s為線陣的空間采樣波數：

式中：Δx為線陣的陣元間距，π為圓周率；

然后，選定一個波數濾波值k，-k_s＜k＜k_s，對兩條線陣分別進行空間-波數濾波：

式中：Φ_r(ω,k,t)為波數濾波值為k時ω頻率下r號線陣損傷散射信號的空間-波數濾波合成值，為卷積運算，φ(k,r-m)為r號線陣中m號壓電傳感器的空間-波數濾波權重函數，如公式(4)所示：

式中：φ(k,r-m)為r號線陣中m號壓電傳感器的空間-波數濾波權重函數，l_r-m為r號線陣中m號壓電傳感器相對于原點的距離，i為虛數單位，k為空間-波數濾波權重函數的中心波數，e為自然常數；

其次，選取下一個波數濾波值k+Δk，根據以上空間-波數濾波的流程，計算該波數濾波值時，ω頻率下r號線陣損傷散射信號的空間-波數濾波合成值Φ_r(ω,k+Δk,t)，直至所有設定的波數濾波值計算完畢；由此得到ω頻率下，各個時刻t下，各個波數濾波值k下的空間-波數濾波合成值；

選擇ω頻率下r號線陣的波數-時間圖像中圖像像素值最大值處對應的波數即為該頻率下線陣損傷散射信號的波數k_a-ω-r；像素值最大值處對應的時刻即為該線陣損傷散射信號到達線陣的時刻t_R-ω-r；

步驟三：計算損傷角度；具體實現過程如下：

使用ω頻率下r號線陣損傷散射信號的波數k_a-ω-r，計算出損傷的角度θ_a：

式中：θ_a為計算出的損傷角度，θ_a-ω為ω頻率下計算出的損傷角度，為ω₁頻率下計算出的損傷角度，為ω₂頻率下計算出的損傷角度，k_a-ω-I為ω頻率下I號線陣損傷散射信號的波數，k_a-ω-II為ω頻率下II號線陣損傷散射信號的波數；

步驟四：計算損傷距離；具體實現過程如下：

首先，使用ω頻率下I號線陣和II號線陣損傷散射信號的波數k_a-ω-I和k_a-ω-II，計算出ω頻率下Lamb波的波數k_a-ω：

其次，使用ω₁和ω₂兩個頻率下Lamb波的波數，計算出Lamb波的波速c_g：

式中：為ω₁頻率下Lamb波的波數，為ω₂頻率下Lamb波的波數；

最后，使用Lamb波的波速c_g和損傷散射信號到達線陣的時刻t_R-ω-r，計算出損傷的距離L_a：

式中：為ω₁頻率下I號線陣損傷散射信號的波達時刻，為ω₁頻率下II號線陣損傷散射信號的波達時刻，為ω₁頻率下Lamb波激勵信號的開始時刻，為ω₂頻率下I號線陣損傷散射信號的波達時刻，為ω₂頻率下II號線陣損傷散射信號的波達時刻，為ω₂頻率下Lamb波激勵信號的開始時刻；最終實現損傷的定位為(θ_a,L_a)。