发布时间 : 星期四 文章超声Lamb波的激励及频率调谐 - 图文更新完毕开始阅读
江苏科技大学本科毕业设计（论文）
目录
第1章 绪 论 ............................................................................................ 1
1.1 本课题的研究背景及意义 ........................................................................................ 1
1.1.1 本课题的研究背景 .......................................................................................... 1 1.1.2 本课题的研究意义 .......................................................................................... 2 1.2 Lamb波在无损检测中的应用 .................................................................................. 2
1.2.1 金属薄板Lamb波检测 ................................................................................... 2 1.2.2 复合材料Lamb波检测 ................................................................................... 4 1.2.3 Lamb波检测在其它材料或结构中的应用 .................................................... 5 1.3 Lamb波检测技术研究的发展状况 .......................................................................... 5
1.3.1 国外Lamb波检测技术研究的发展状况 ....................................................... 5 1.3.2 国内Lamb波检测技术研究的发展状况 ....................................................... 6 1.4 本课题的主要研究内容 ............................................................................................ 6
第2章 自由板中Lamb波的理论基础.................................................. 7
2.1 概 述 .......................................................................................................................... 7 2.2 自由板中的Lamb波 ................................................................................................. 7
2.2.1 运动方程与边界条件 ...................................................................................... 7 2.2.2 自由板问题 ...................................................................................................... 8 2.2.3 位移势函数法求解自由板问题 ...................................................................... 9
第3章 Lamb波的激励与接收............................................................. 12
3.1 概 述 ........................................................................................................................ 12 3.2 Lamb波的激励与接收方式 .................................................................................... 12
3.2.1 超声波探头 .................................................................................................... 12 3.2.2 激光超声 ........................................................................................................ 13 3.2.3 压电元件 ........................................................................................................ 13 3.2.4 交叉指型换能器 ............................................................................................ 14 3.2.5 光纤传感器 .................................................................................................... 14 3.3 PZT压电晶片激励与接收Lamb波 ....................................................................... 14
3.3.1 压电效应与压电陶瓷 .................................................................................... 14
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3.3.2 PZT压电晶片换能机理 ................................................................................ 15 3.3.3 PZT压电晶片激励与接收Lamb波 ............................................................. 17
第4章 Lamb波的频散特性及模式选择............................................. 18
4.1 概 述 ........................................................................................................................ 18 4.2 Lamb波的频散特性 ................................................................................................ 18
4.2.1 频散方程及其数值解 .................................................................................... 18 4.2.2 Matlab实现频散方程数值解 ........................................................................ 21 4.2.3 Lamb波的频散曲线 ...................................................................................... 21 4.3 Lamb波的模式选择 ................................................................................................ 23
第5章 铝板中Lamb波的频率调谐.................................................... 24
5.1 概 述 ........................................................................................................................ 24 5.2 铝薄板中Lamb波的激励 ....................................................................................... 24 5.3 Lamb波模式识别 .................................................................................................... 27
5.3.1 波速法 ............................................................................................................ 27 5.3.2 二维Fourier变换法....................................................................................... 28 5.3.3 平滑伪Wigner-Vile分布法........................................................................... 29 5.4 铝薄板中Lamb波的频率调谐 ............................................................................... 30
5.4.1 实验设备与方法 ............................................................................................ 30 5.4.2 实验结果与分析 ............................................................................................ 30
结 论 .......................................................................................................... 36 致 谢 .......................................................................................................... 37 参考文献 .................................................................................................... 38
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第1章 绪 论
1.1 本课题的研究背景及意义
1.1.1 本课题的研究背景
随着当前对飞行器结构、船舶结构、大型基础设施结构等安全性的日益关注，结构原材料检测、组装生产质量监控和在役结构健康监测的研究越来越受到人们的重视。在各种针对大型结构的无损检测、无损评估和健康监测技术中，超声Lamb波检测技术得到了广泛的关注和研究，经常被用于板状结构的损伤检测和健康监测，特别是在大面积板状结构的无损检测及结构健康监测中的应用[1-3]。超声Lamb波的激励和检测方式灵活，在板中可以传播很长距离，而且能与板材中的缺陷产生有效的相互作用，并携带大量的信息。通过对接收到的Lamb波信号进行分析和处理不仅可以对材料中的缺陷进行定位、定量和成像，而且可以对结构的健康状况及使用寿命进行评估，从而大大的降低了在役结构的安全隐患。
近20年来，复合材料在各领域的应用得到了快速的发展，不断替代传统的金属材料，如：桥梁等大型钢筋混凝土结构中用基于碳纤维的复合材料预加强钢筋梁替代全钢钢筋梁以防止腐蚀；航空器结构中用加强纤维复合材料代替铝板或合金等金属材料以减轻重量提高强度；船舶制造中用玻璃纤维加强复合材料代替钢板作为船体或其它构件等。但与金属材料的检测相比，复合材料的损伤检测和健康监测难度比较大，因此，寻找一种能够有效监测复合材料结构安全性的技术变得非常必要。目前，用于复合材料无损检测和结构健康检测的技术主要有光纤布拉格光栅传感器[4-5]和基于Lamb波的超声检测技术[6-8]。基于Lamb波的超声检测技术可以有效地检测复合材料的脱层、裂纹、未胶合等不连续缺陷，并且可以通过基于Lamb波的表面粘结式压电传感器阵列对复合材料结构进行健康监测和无损评估。
此外，基于Lamb波的嵌入式或表面粘结式传感器在智能材料结构损伤检测及健康监测中的应用也非常广泛[9-10]。所谓的智能材料结构是指将传感器和驱动器以及有关信号处理和控制电路集成在材料结构中，通过机、光、电、热等激励和控制，不仅具有承受载荷的能力，而且具有识别、分析、处理及控制等多种功能，能进行自诊断、自适应、自修复的材料结构。目前，在智能材料结构健康监测中，主动Lamb波损伤监测技术使
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用得较多，其大都采用基于参考信号的处理方法获取损伤散射信号，即取健康状态响应信号为参考信号，对比损伤状态下的结构响应信号获取损伤散射信号。但由于基于参考信号的处理方法在真实条件下容易受到结构和外部条件变化的影响，因此不具备实用性。解决这一问题的一个方法是采用时间反转重建波源信号，通过对比重建的波源信号和初始波源信号来确定损伤存在的路径，进而估计损伤的位置[6]。该方法是由美国卡内基梅隆大学的H. W. Park等提出的。虽然这样的方法不再依赖参考健康信号，但由于监测路径有限，因此定位精度受到了限制。 1.1.2 本课题的研究意义
Lamb波在一定的激发频率下至少会产生两种模式，不同模式的相速度将随激励频率的改变而变化，这就是Lamb波的频散特性。Lamb波的这一特性使检测中的信号处理与分析变得异常复杂，实际上Lamb波的这一特性在一定程度上限制了它在工业无损检测和结构健康监测中的应用和推广。
然而，Lamb波的频散特性也会给检测带来便利。有研究表明，不同模式的Lamb波对不同缺陷的敏感性不尽相同，如A0模式对质量负载有高度的敏感性[11]，而且不同模式的Lamb波发现处于不同深度缺陷的能力也大不相同。因此，只要通过选择适当的激励方式和频率，获得最适于检测某一类缺陷的Lamb波模式，进行材料Lamb波检测就变得相对简单，且精确有效。
鉴于此，本课题主要研究了板中超声Lamb波的激励及频率调谐，重点研究了铝薄板中Lamb波的频散特性及模式选择，通过频散曲线有选择性的激励出S0模式和A0模式，并通过频率调谐的方式对两种模式Lamb波进行较深入的研究。虽然本课题主要是基于铝板等金属材料进行研究的，但通过推广、改进，本课题的研究结果及研究方法可应用于各种材质薄板的Lamb波检测中，为检测中的模式选择及激励信号频率选择提供参考和方法，这对Lamb波损伤检测有着极大的意义。
1.2 Lamb波在无损检测中的应用
1.2.1 金属薄板Lamb波检测
金属或合金材料在宏观上呈现出各向同性特性，被认为是均质材料，其无损探伤比较简单、直接。声波在金属材料中的衰减及散射比较小，但遇到气孔、裂纹、夹杂等不连续缺陷时会有很强的缺陷界面回波。因此，一般用超声波A扫描探伤仪和超声波C
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