Lamb波驱动器的最佳激励波形选择.pdf

1、收稿日期：基金项目：江苏省博士生助研基金资助项目（）作者简介：魏勤（），男，江苏镇江人，博士生，主要从事结构健康监测的研究。：文章编号：（）波驱动器的最佳激励波形选择魏勤，骆英，王自平，顾爱军（江苏大学 土木工程技术研究院，江苏 镇江 ）摘要：采用高斯窗、海明窗和汉宁窗调制正弦脉冲信号得到不同循环次数的激励波形，分别激励压电式 波驱动器产生 波；引入品质因数（）分析信号的频带和频域内强度分布，研究不同窗函数抑制 波频散的效果。实验结果表明，对于相同循环次数不同窗函数调制的激励波形中，经汉宁窗调制的激励信号产生的 波值高，频带窄；对于相同窗函数调制的激励波形，随着循环次数的增加，值增大。实际应用

2、时可用汉宁窗调制并根据传播距离确定循环次数得到 波最佳激励波形。关键词：波；激励波形；品质因数；频散抑制中图分类号：文献标识码：，（，）：，：；引言 波监测技术是近年来新兴的结构健康状态监测技术，利用该技术能实现对航空航天飞行器的大型构件和市政基础设施的老化、腐蚀等安全问题的监测，具有广阔的应用前景。在介质中激励产生 波通常有以下几种方式：）直接由超声波探头产生 波，具有较高的精度并可通过改变入射角的方式获得所需的 波模式的优点，常见的有可变角探头、梳状超声波探头和 接触探头。）由压电陶瓷或压电复合材料探头产生 波，这种方法克服了前者耦合方面的缺点可直接嵌入构件或粘贴于构件表面，由面内的应变耦

3、合产生超声波，但不可避免地产生多模式的 波，必须辅以复杂的信号处理方法。）由叉指式探头产生 波，探头由聚偏二乙烯氟化（）压电聚合物和叉指式电极两部分组成。）用激光超声产生 波，适用于复杂外形和不规则表面的结构检测。在检测过程中激励产生适当频率、模式和波形的 波对于损伤识别至关重要，所用激励信号通常有脉冲信号和调制信号等，其最终是为了产生低频散、低衰减和对缺陷高灵敏度的 波。第 卷第期压电与声光 年 月 检测过程中 波的频带宽度、循环周期数在一定程度上是影响损伤检测的重要因素，这些都与激励波形息息相关。实验证明采用窄波带的信号能很大程度上减小 波的频散，因此在实际应用上采用窗函数调制的正弦脉冲信

4、号，以获取窄频带的 波，具有能量高且集中的优点。针对不同材料的检测时，应选择合适的激励波形，产生频带窄、能量集中的 波，抑制频散，有效地提高损伤检测分辨率。常用激励波形及选择方法当具有频散特性的 波在材料中传播一段距离后，不同频率的波由于传播速度不同而导致波形失真，给分析带来一定的难度。因此，将激励信号的频率限制在一定的窄频段范围内能有效抑制频散。通常所用的激励波形多为用窗函数对正弦信号调制后得到的信号，可表示为（）（）（）（）式中：（）为调制用的窗函数；为激励信号的频率。（）窗函数通常有高斯窗、海明窗和汉宁窗等，其表达式分别为（）烄烆烌烎熿燀燄燅（）（）（）（）（）（）（）式中，为循环次数，

5、又称步数。、频带范围及之间的关系可表示 为 （）（）（）式中：为与频带相关的常数；、为频带的最低、最高频率。由式（）可知，当越大，频带越窄，抑制频散效果越好；而的增大会使激励信号持续时间的增长，导致 波信号中不同模式的波发生重叠，反而加大波形分析的难度。为了避免上述现象必须选择合适的，通常与 波的传播距离和速度有关，可用最小分辨距离确定 ：（）（）式中：、分别为传播的距离 和材料 的厚度；、分别为 波在中心频率处的群速度、波包传播的最小和最大群速度；为初始时波包的持续时间。越小，则对应的和越合适。在实际应用过程中，当根据材料性质和监测范围确定了后，如何选择窗函数则是确定激励波形的重要问题。目前

6、，通用的方法是采用汉宁窗对正弦信号进行调制，也有用高斯窗 和海明窗 进行调制的。具体在选择窗口时遵循在中心频率处能量越集中以及频带越窄越好的原则。对于不同材料和窗函数，值不同，式（）并不能用来选择窗函数，须引入新参数确定最佳的窗函数，如图所示。引入品质因数（）式中：为信号频谱中能量最强处的频率即激励信号的中心频率；、为信号强度降为最大强度的槡时对应的频率。接收的 信号值越大，表明信号质量越好，能量越集中，频带越窄；反之表明能量分散，频带越宽。参数能在众多窗函数中选择出最佳激励波形。图示意图用参数选择 波激励波形的相关实验在厚分别为、的 铝板板上成对粘贴边长为 的 型方形压电晶片，晶片厚度为。实

7、验用泰克 任意波函数发生器产生频率为 ，步高斯窗、海明窗和汉宁窗调制的正弦波波形，电压幅度为，并用 型示波器采集信号。图为对应的激励波形及其接收的 波信号。由接收波形可见，由于频散的特性使波包产生了失真，波包的持续时间变长，并产生部分重叠。从时域波形中并不能判断哪个窗函数调制后的接收信号频散少，波形失真小。压电与声光 年图激励波形及其接收信号实验结果分析对种窗口调制的激励信号产生的 波信号进行快速傅里叶变换，分别得到其信号强度在频域内的分布，如图左所示。从频谱图可知，个信号强度的峰值都集中在激励频率 附近，都存在着不同程度的频散现象；用高斯窗调制后的接收信号强度小于用海明窗和汉宁窗调制后的接收

8、信号，且其频带要宽于后两者的频带宽度，这说明经海明窗和汉宁窗调制的激励信号抑制频散的效果要明显优于高斯窗。后两者的比较则不能简单从信号强度的频域分布图中得到，实验作出频谱的包络线，如图右所示。根据的定义，由频谱的包络图计算个信号的值，如表所示。个调制窗口中汉宁窗调制后对应的接收信号的值最高，能量集中度好，对频散抑制效果最佳。图接收信号强度的频域分布图及其包络图表不同窗函数接收信号的品质因素参数高斯窗海明窗汉宁窗中心频率 图为经汉宁窗调制的步、步和步的激励波形在 厚铝板上采集的信号在频域内的强度分布图。压电晶片传感器激励方式和信号采集与前者实验相同，信号激励频率为 。从强度的频域分布图可见，随着

9、信号步数的增加，在中心频率即激发频率处的信号强度增强，且对应的频带变窄，能量更集中，有效地抑制了频散。同样可根据频谱的包络线计算个接收信号的值，如表所示。经步汉宁窗调制的接收波形由于频带窄，且能量更集中，对应的值高。实际应用时并不能一味地增加调制信号的步数，这是因为随着步数的增加，虽然有效地抑制了频散，但波包本身的步数增加，接续时间变长，易导致波包重叠。图经不同步数接收波形的强度频域分布表不同步数汉宁窗函数调制接收信号的参数步波步波步波中心频率 综上所述，运用参数能准确表征信号的频带第期魏勤等：波驱动器的最佳激励波形选择 宽窄，能量是否集中的特征，并结合扫查范围确定的循环次数，可用于选择 波驱

10、动器的最佳激励波形。结论在激励 波驱动器过程中，用不同窗函数调制正弦脉冲信号得到激励信号，通过参数选择最佳激励波形以产生窄频带声能集中的 波，抑制频散，得到以下结论：）提出用参数表征 波接收信号的频带宽窄和能量集中的程度，用来选择 波驱动器最佳激励波形。）在相同循环次数条件下，正弦波经高斯窗、海明窗和汉宁窗对调制后激励 波驱动器产生 波，经汉宁窗调制后的接收信号值大，表现出频带窄，能量集中，抑制频散效果好。）经汉宁窗调制不同循环次数的激励信号，随着循环次数的增加，值随之增加，在应用时须选择合适的循环次数值。参考文献：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，：，（）：，（）：，（），（）：李 刚，石 立 华，袁 慎 芳，等 基 于 预 置 压 电 阵 列 的 波检测技术研究压电与声光，（）：，（）：，（）：压电与声光 年