本文Aigtek安泰電子將與(yu)大家分享，功率放大器在超聲技術(shu)鋁板損(sun)傷監(jian)控(kong)實驗研究中的應用，希望能對各(ge)位工(gong)程師有所幫助(zhu)與(yu)啟發。

　　超聲(sheng)(sheng)技(ji)(ji)術(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)最(zui)初(chu)想(xiang)法(fa)起源(yuan)(yuan)于D.E.Egle等人的(de)(de)(de)(de)(de)工作[12]他們在(zai)致力(li)(li)(li)于尋求(qiu)改進表征(zheng)各(ge)種(zhong)(zhong)聲(sheng)(sheng)發(fa)射信(xin)號(hao)和(he)(he)聲(sheng)(sheng)發(fa)射源(yuan)(yuan)的(de)(de)(de)(de)(de)問題中，用各(ge)種(zhong)(zhong)聲(sheng)(sheng)激勵法(fa)來研究應(ying)(ying)力(li)(li)(li)波(bo)(bo)(bo)模型。在(zai)其(qi)工作基(ji)礎上，A.町(ding)提出(chu)并(bing)完整(zheng)(zheng)歸納出(chu)應(ying)(ying)力(li)(li)(li)波(bo)(bo)(bo)因(yin)子技(ji)(ji)術(shu)思想(xiang)[3]他建(jian)議用超聲(sheng)(sheng)模擬應(ying)(ying)力(li)(li)(li)波(bo)(bo)(bo)和(he)(he)聲(sheng)(sheng)發(fa)射信(xin)號(hao)分析法(fa)來評價復合(he)材(cai)(cai)(cai)(cai)料的(de)(de)(de)(de)(de)性(xing)質和(he)(he)缺陷(xian)狀態(tai)，這就(jiu)是聲(sheng)(sheng)·超聲(sheng)(sheng)技(ji)(ji)術(shu)。該技(ji)(ji)術(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)基(ji)本(ben)思想(xiang)是:采用壓電換能器或者激光照射等手(shou)段在(zai)復合(he)材(cai)(cai)(cai)(cai)料(或各(ge)向(xiang)同性(xing)材(cai)(cai)(cai)(cai)料)表面激發(fa)詢(xun)問脈沖應(ying)(ying)力(li)(li)(li)波(bo)(bo)(bo)，與此同時再利用壓電傳感器在(zai)材(cai)(cai)(cai)(cai)料的(de)(de)(de)(de)(de)同一表面的(de)(de)(de)(de)(de)其(qi)它(ta)一個或多個地方接收應(ying)(ying)力(li)(li)(li)波(bo)(bo)(bo)信(xin)號(hao)，在(zai)此基(ji)礎上通過信(xin)號(hao)分析確定反映材(cai)(cai)(cai)(cai)料對于瞬間(jian)脈沖波(bo)(bo)(bo)傳播效(xiao)率的(de)(de)(de)(de)(de)應(ying)(ying)力(li)(li)(li)波(bo)(bo)(bo)因(yin)子(stresswavefaωrSWF)[4]從而以此表征(zheng)材(cai)(cai)(cai)(cai)料的(de)(de)(de)(de)(de)機械性(xing)能的(de)(de)(de)(de)(de)變化(hua)。該技(ji)(ji)術(shu)是受(shou)聲(sheng)(sheng)發(fa)射技(ji)(ji)術(shu)啟發(fa)而產生(sheng)的(de)(de)(de)(de)(de)，故又稱聲(sheng)(sheng)·超聲(sheng)(sheng)技(ji)(ji)術(shu)或主動聲(sheng)(sheng)發(fa)射技(ji)(ji)術(shu)，是結(jie)構損(sun)傷檢測及完整(zheng)(zheng)性(xing)動態(tai)評估方面的(de)(de)(de)(de)(de)一項新技(ji)(ji)術(shu)，特別適(shi)合(he)于各(ge)類結(jie)構的(de)(de)(de)(de)(de)健康(kang)監控。

　　因(yin)(yin)此自(zi)20世(shi)紀80年代問世(shi)以來(lai)(lai)，聲(sheng)-超(chao)(chao)聲(sheng)技(ji)術吸(xi)引了(le)人(ren)們的(de)(de)(de)極大興趣。早(zao)期的(de)(de)(de)聲(sheng)·超(chao)(chao)聲(sheng)技(ji)術研究(jiu)主要集中在應力波的(de)(de)(de)激(ji)勵、檢測(ce)(ce)和傳播特(te)性(xing)方(fang)面。隨(sui)著信(xin)號分析(xi)方(fang)法的(de)(de)(de)發展，人(ren)們開始(shi)采用(yong)常規(gui)或(huo)更先(xian)進的(de)(de)(de)信(xin)號分析(xi)手段(duan)對(dui)(dui)應力波因(yin)(yin)子(zi)的(de)(de)(de)提取、量化方(fang)法及利用(yong)應力波因(yin)(yin)子(zi)對(dui)(dui)材(cai)料(liao)(liao)損傷(shang)(shang)類型(xing)及損傷(shang)(shang)狀態(tai)進行監(jian)測(ce)(ce)評(ping)價。目前，聲(sheng)『超(chao)(chao)聲(sheng)技(ji)術正由原來(lai)(lai)的(de)(de)(de)靜態(tai)檢測(ce)(ce)走向動態(tai)監(jian)測(ce)(ce)，對(dui)(dui)象也從復合(he)材(cai)料(liao)(liao)層(ceng)板或(huo)板類結構擴展到纏繞壓力容器、鋼絲繩、粘接接頭等多種結構。同時，人(ren)們更關注于應力波因(yin)(yin)子(zi)技(ji)術與材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)機械(xie)力學(xue)性(xing)能(neng)間(jian)的(de)(de)(de)內在聯系研究(jiu)。

　　由板(ban)波(bo)(bo)(bo)理(li)論可(ke)知[旬，聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)-超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)技(ji)術在薄板(ban)中激發(fa)(fa)的(de)彈性(xing)波(bo)(bo)(bo)為(wei)(wei)Lamb波(bo)(bo)(bo)。因此，對(dui)(dui)Lamb波(bo)(bo)(bo)進行(xing)合(he)理(li)有效的(de)分析，發(fa)(fa)掘出包含在Lamb波(bo)(bo)(bo)中的(de)關于檢測對(dui)(dui)象的(de)信(xin)(xin)息是聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)-超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)技(ji)術應用的(de)關鍵。筆(bi)者主要針對(dui)(dui)LY12α鋁(lv)板(ban)，采用信(xin)(xin)號(hao)短(duan)時均(jun)方(fang)根(gen)(SMS)方(fang)法，對(dui)(dui)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)-超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)技(ji)術在鋁(lv)板(ban)中激發(fa)(fa)的(de)Lamb波(bo)(bo)(bo)的(de)特性(xing)進行(xing)實(shi)驗研(yan)(yan)(yan)究(jiu)，對(dui)(dui)鋁(lv)板(ban)中有無模擬損傷的(de)情況做了對(dui)(dui)比研(yan)(yan)(yan)究(jiu)和分析，以期為(wei)(wei)基于聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)-超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)技(ji)術的(de)結構(gou)健康監控系統研(yan)(yan)(yan)究(jiu)打下基礎。

　　1聲·超聲技術中的Lamb波

　　Lamb波是在自由板(ban)中產生的平面應(ying)變波，在板(ban)的上下表(biao)面應(ying)力(tractionforce)為(wei)零。Lamb波具有頻(pin)散(san)特性，其速(su)度隨頻(pin)率的改(gai)變而(er)改(gai)變，群速(su)度和(he)相速(su)度不相等。其波動方(fang)程(cheng)是瑞(rui)利(li)-蘭姆方(fang)程(cheng)[6)表(biao)達式(shi)為(wei)

　　2基于信號短時均方(fang)根(SMS)的(de)Lamb波傳播特性分析(xi)方(fang)法

　　波的傳播(bo)即是(shi)能量傳播(bo)的過程，因(yin)此可以通過對能量的分析(xi)達到了解波的傳播(bo)特性(xing)的目的。信(xin)號(hao)(hao)(hao)均方(fang)(root-mean-squareRMS)分析(xi)是(shi)能量分析(xi)中常用的方(fang)法，RMS的大(da)小(xiao)代表信(xin)號(hao)(hao)(hao)的總能量。文獻[7J提出(chu)了一(yi)種(zhong)短時能量的概念，借(jie)鑒其思路，筆(bi)者采用了一(yi)種(zhong)短RMS(short-time-root-mean-square)的分析(xi)方(fang)法對Lamb波信(xin)號(hao)(hao)(hao)進行分析(xi)。

　　若(ruo)將(jiang)一個(ge)Lamb波傳(chuan)播信(xin)號按時序等(deng)分為小(xiao)段(duan)信(xin)號并求其(qi)均方根值，則MS值反映(ying)了各(ge)小(xiao)段(duan)信(xin)號的(de)能量(liang)特(te)征，若(ruo)按時間順序將(jiang)其(qi)排列起來，則可以表(biao)征信(xin)號的(de)能量(liang)傳(chuan)播特(te)征。因(yin)此，筆者采用MS從能量(liang)傳(chuan)播的(de)角度來度量(liang)各(ge)模態(tai)波的(de)平(ping)均傳(chuan)播速度和特(te)性。

　　3實(shi)驗裝置及儀(yi)器配置

　　4完好鋁(lv)板中Lam波(bo)特性分析(xi)

　　采(cai)用(yong)尺(chi)寸為(wei)(wei)715mmx475mmx3.5mm的(de)(de)(de)(de)完好LY12CZ鋁板進行測試，壓(ya)電片分別布置在鋁板同側表(biao)面上，分別位于(yu)A(365，400)、B(365350)C(365250)三點A為(wei)(wei)激(ji)(ji)勵(li)源BC為(wei)(wei)接收傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器。見(jian)圖4。取每(mei)10個采(cai)樣點為(wei)(wei)單元對信號(hao)(hao)進行STRMS分析。圖給出激(ji)(ji)勵(li)信號(hao)(hao)頻(pin)率為(wei)(wei)250kHz350kHz兩點接收到(dao)Lam波(bo)(bo)信號(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)STRMS分析結果(guo)。根據(ju)STRMS原理，信號(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)STRMS序(xu)列的(de)(de)(de)(de)最(zui)大幅值點對應(ying)Lamb波(bo)(bo)的(de)(de)(de)(de)能(neng)量(liang)中(zhong)(zhong)心經過傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器中(zhong)(zhong)心位置的(de)(de)(de)(de)時(shi)刻(ke)(ke)，而(er)幅值高低表(biao)征該(gai)Lamb波(bo)(bo)能(neng)量(liang)的(de)(de)(de)(de)強弱。因此，可根據(ju)所(suo)獲得的(de)(de)(de)(de)STRMS序(xu)列確定Lamb波(bo)(bo)的(de)(de)(de)(de)傳(chuan)(chuan)(chuan)播情況及各模態波(bo)(bo)能(neng)量(liang)中(zhong)(zhong)心到(dao)達各傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器的(de)(de)(de)(de)準確時(shi)刻(ke)(ke)，據(ju)此可計算出Lamb波(bo)(bo)的(de)(de)(de)(de)群速度(du)。改變激(ji)(ji)勵(li)頻(pin)率可得到(dao)一系(xi)列的(de)(de)(de)(de)群速度(du)，經與(yu)理論群速度(du)對照，可確定Lam波(bo)(bo)的(de)(de)(de)(de)模態。

　　5含缺陷(xian)鋁板中Lamb波特性分析

　　含缺陷鋁板(ban)的外(wai)形(xing)尺(chi)(chi)寸(cun)和圖一(yi)致。板(ban)上有(you)一(yi)個模(mo)擬(ni)裂(lie)紋缺陷的通透(tou)槽(cao)，槽(cao)的尺(chi)(chi)寸(cun)是30mmx1mm，以(yi)板(ban)的左下(xia)角為坐標原點則缺陷中(zhong)心坐標為(225,140)，與底邊夾角135度。

　　壓電傳(chuan)感(gan)(gan)器的布置(zhi)則(ze)采(cai)用兩種方案(an)。方案(an)A的3個(ge)(ge)傳(chuan)感(gan)(gan)器1#2#3#布置(zhi)于(yu)缺陸(lu)周圍，其中，2#3#傳(chuan)感(gan)(gan)器連線(xian)垂直平(ping)分(fen)缺陷槽，間距(ju)30mm，1#、2#連線(xian)平(ping)行于(yu)缺陷槽，間距(ju)20mm，如圖6(a)所(suo)示。方案(an)B的4個(ge)(ge)傳(chuan)感(gan)(gan)器分(fen)布在一個(ge)(ge)邊(bian)長為(wei)100mm的正(zheng)方形頂角(jiao)上，正(zheng)方形左(zuo)下(xia)角(jiao)點(dian)的坐標是(200mm，100mm)，詳見(jian)圖6(b)。激勵頻率(lv)采(cai)用175kHz和350kHz。

　　5.1方案的Lamb波特性分(fen)析

　　當激勵頻(pin)率(lv)為350kHz(So模(mo)(mo)態)時(shi)(shi)，幾乎所有(you)路(lu)徑(jing)(jing)的(de)(de)(de)Lamb波(bo)(bo)能(neng)量都(dou)發(fa)(fa)生了(le)不同程度(du)的(de)(de)(de)明顯衰減，特(te)別是(shi)當模(mo)(mo)擬損傷位(wei)于傳播路(lu)徑(jing)(jing)(1←→3，圖l0(b))上(shang)時(shi)(shi)，直接(jie)到(dao)達Lamb波(bo)(bo)的(de)(de)(de)能(neng)量也發(fa)(fa)生了(le)衰減，而對于其他路(lu)徑(jing)(jing)，衰減均發(fa)(fa)生在(zai)(zai)多次(ci)反(fan)射過程中(zhong)經(jing)過損傷區(qu)域(yu)后到(dao)達的(de)(de)(de)Lamb波(bo)(bo)上(shang)。圖l0(a)中(zhong)箭(jian)頭標示(shi)的(de)(de)(de)衰減位(wei)置(zhi)的(de)(de)(de)Lamb波(bo)(bo)就是(shi)經(jing)過上(shang)表面(mian)反(fan)射回來(lai)的(de)(de)(de)，但(dan)因為模(mo)(mo)擬損傷剛好處于該傳播路(lu)徑(jing)(jing)上(shang)，與路(lu)徑(jing)(jing)夾角約63度(du)，大(da)大(da)降(jiang)低(di)了(le)經(jing)由該方(fang)向的(de)(de)(de)Lamb波(bo)(bo)能(neng)量。表明模(mo)(mo)擬損傷的(de)(de)(de)存在(zai)(zai)對Lamb波(bo)(bo)的(de)(de)(de)傳播造成顯著(zhu)的(de)(de)(de)影響，主要是(shi)Lamb波(bo)(bo)在(zai)(zai)經(jing)過損傷位(wei)置(zhi)時(shi)(shi)部分能(neng)量在(zai)(zai)相互作用的(de)(de)(de)過程中(zhong)消耗掉或發(fa)(fa)散到(dao)其他方(fang)向，表現在(zai)(zai)STRMS圖形上(shang)就是(shi)幅(fu)值(zhi)降(jiang)低(di)。

　　ATA-4014高壓功率放大器

　　帶寬：（-3dB）DC~1MHz

　　電壓：160Vp-p（±80Vp）

　　電流(liu)：5.65Ap

　　功率：452Wp

　　壓擺(bai)率：≥356V/μs

　　可程控

　　6結束語

　　筆(bi)者(zhe)采用短時均(jun)方根能量(liang)分(fen)析方法對鋁板中Lam波(bo)的(de)傳(chuan)播特性進行實驗研究，首先分(fen)析了(le)不同激勵(li)條(tiao)件下完好薄板中Lamb波(bo)的(de)傳(chuan)播特性。在此(ci)基礎上，對含模擬缺陷鋁板的(de)Lamb波(bo)的(de)傳(chuan)播特性進行了(le)研究，得出了(le)一些有(you)價值(zhi)的(de)結論。

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