超声Lamb波的激励及频率调谐.docx

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超声Lamb波的激励及频率调谐

江苏科技大学

本科毕业设计（论文）

学院数理学院

专业应用物理学

学生姓名彭加福

班级学号0640502112

指导教师魏勤

二零一零年六月

江苏科技大学本科毕业论文

超声Lamb波的激励及频率调谐

TheExcitationandFrequencyTuningofUltrasonicLambWave

江苏科技大学

毕业设计（论文）任务书

学院名称：

数理学院专业：

应用物理学

学生姓名：

彭加福学号：

0640502112

指导教师：

魏勤职称：

副教授

毕业设计（论文）题目：

超声Lamb波的激励及频率调谐

一、毕业设计（论文）内容及要求（包括原始数据、技术要求、达到的指标和应做的实验等）

1．提供条件：

PZT压电晶片、厚为3.0mm的铝板、函数发生器、数字示波器、计算机

2．设计内容与要求:

（1）调研收集分析有关资料，总结超声Lamb波在无损检测中的应用及国内外研究发展状况；

（2）推导自由板中Lamb波的频散方程，并用Matlab进行数值求解；

（3）准备PZT压电晶片，接入电极并用聚合树脂将其粘结到薄铝板上；

（4）用相关软件调制各种窗口调制的正弦信号，包括Gaussian窗、Hamming窗和Hanning窗；

（5）在铝板中激励并接受Lamb波信号，对信号进行处理、分析；

（6）撰写论文。

二、完成后应交的作业（包括各种说明书、图纸等）

1.毕业设计论文一份（不少于1.5万字）；

2.外文译文一篇（不少于5000英文单词）；

3.相关数据处理图像及Matlab数值计算程序。

二、完成日期及进度

2010年2月27日至2010年6月5日，共12周。

进度安排：

（1）2月27日-3月5日，查阅资料、调研，完成开题报告；

（2）3月6日-4月10日，完成理论推导及Matlab数值计算；

（3）4月11日-5月10日，完成实验部分及撰写部分毕业论文；

（4）5月11日-5月20日，数据处理及完成毕业论文初稿；

（5）5月21日-6月14日，论文修改及答辩PPT整理；

（6）6月15日，毕业答辩。

四、主要参考资料（包括书刊名称、出版年月等）:

[1]Z.Q.Su,L.Ye,Y.Lu.GuidedLambwavesforidentificationofdamageincompositestructures:

Areview[J].JournalofSoundandVibration.2006,295:

753-780.

[2]M.Rguiti,S.Grondel,F.E.youbi,etal.Optimizedpiezoelectricsensorforaspecificapplication:

DetectionofLambwaves[J].SensorsandActuatorsA.2006,126:

362-368.

[3]李家伟,陈积懋.无损检测手册[M].机械工业出版社.2002年:

206-214.

[4]D.Leduc,B.Morvan,A.C.Hladky,etal.InteractionofLambwaveswithagratingcomposedoftwospatialperiodicities:

Studyindualspace[J].NDT&EInternational.2009,42:

513-517.

[5]孙亚杰,袁慎芳,邱雷,等.基于Lamb波相控阵和图像增强方法的损伤监测[J].航空学报.2009,30（7）:

1325-1330.

[6]H.S.Yoon,R.DeCicco.Lambwaveexcitationanddetectionwithsmartfastenersforstructuralhealthmonitoring[J].Proc.SPIE.2010,7649（14）:

2412-2422.

[7]J.S.Leng,A.Asundi.StructuralhealthmonitoringofsmartcompositematerialsbyusingEFPIandFBGsensors[J].SensorsandActuatorsA:

Physical.2003,103（3）:

330-340.

[8]王强,袁慎芳.无参考主动Lamb波结构损伤时反成像监测方法[J].航空学报.2010,31

（1）:

178-183.

[9]张海燕,他得安,刘镇清,著.层状各向异性复合板中的兰姆波[M].科学出版社.2008年:

138-156.

[10]王珅,黄松岭,赵伟.平板和管道周向Lamb波频散和波结构特性[J].清华大学学报（自然科学版）.2009,49（7）:

925-928.

系（教研室）主任：

（签章）年月日

学院主管领导：

（签章）年月日

摘要

基于Lamb波的材料损伤检测和结构健康监测在航空工业、船舶制造、土木工程和智能材料等领域得到了广泛的研究和应用。

本课题在研究超声Lamb波波动理论的基础上分析板中Lamb波的传播特性，并求出自由板中Lamb波频散方程的数值解。

利用Gaussian函数、Hamming窗和Hanning窗对正弦信号进行调制，然后采用调制后的脉冲猝发信号对粘结在铝薄板表面的正方形PZT压电晶片进行激励，从而在铝薄板中产生并采集Lamb波。

重点研究了各向同性铝薄板中Lamb波的传播特性、频散特性、模式识别、模式选择和频率调谐。

对时域信号的分析结果表明，激励频率在10~200kHz范围内能在板内得到明显的Lamb波信号，120~150kHz时发生谐振，采集的信号最强；对信号进行频域分析时发现，各种激励波形产生的Lamb波信号都发生了频散现象，其中采用正弦单周期信号激励时板中Lamb波的频散现象最严重，而采用Hamming窗调制的五步波脉冲信号激励时频散最小，适合作为激励信号；实验测试了各种频率下A0和S0模式Lamb波的群速度并与理论值相比较，发现实验结果与数值解接近。

实验还研究了采用不同波形激励时不同模式（A0和S0）Lamb波的强度随频率的变化关系，结果发现在20~60kHz和100~150kHz两区间内，A0和S0模式Lamb波的强度有明显差异。

因此，可以通过选择适当的激励频率来获得模式单一性好、强度高、对某类缺陷敏感的Lamb波。

关键词：

超声兰姆波；激励与接收；频散特性；模式识别与选择；各向同性铝薄板

Abstract

MaterialdamagedetectionandstructuralhealthmonitoringbasedonLambwavearewidelystudiedandappliedintheareasofaerospaceindustry,shipmanufacturing,civilengineeringandsmartmaterial.Inthisresearch,thepropagationcharacteristicsofLambwavewereanalyzedbythestudyofthewavetheoremofLambwaveinplate,andthenumericalsolutionsofdispersionequationofLambwaveinfreeplatewerealsocalculated.ExcitationsignalsinavarietyofwaveformswereobtainedviamodulatingthesinusoidalwaveformbyGaussianfunction,HammingwindowandHanningwindow.ThenLambwavewasactuatedandcollectedinthethinaluminiumplatebysquarePZTcrystalwaferwhichbondedonthethinaluminiumplate.Themajoremphasisisplacedonthepropagationcharacteristics,dispersioncharacteristics,modeidentification,modeselectionandfrequencytuningofLambwaveinthethinisotropicaluminiumplate.Thetime-domainanalysisshowsthatapparentLambwavesignalsweredetectedwhentheexcitationfrequencyrangesfrom10kHzto200kHz,inwhich,themostintensivesignalwasdetectedunderafrequencyabout120~150kHzduetotheharmonicoscillation;Thefrequency-domainanalysisindicatesthatdispersionphenomenonofLambwaveexistsunderanyconditionsoftheexcitationsignal,inwhich,theLambwaveexcitedbyasingle-cyclesinusoidalburstpulseshowsaseriousfrequencydispersion,whiletheLambwaveexcitedbyaHammingwindowmodulatedfive-stepwaveformburstpulseshowsthelowestfrequencydispersion.Therefore,thelateristhemostworkableexcitationsignal.ThegroupvelocityofbothA0andS0modesweremeasured,whichareclosedtothetheoreticalresults.TherelationshipbetweenfrequencyandsignalintensityofbothA0andS0modesunderdifferentconditionsofexcitationwaveformswerestudiedexperimentallytofindtheintensityofA0andS0modesshowanapparentdifference

whentheexcitationfrequencybandfallinth