組(zu)合(he)(he)(he)(he)結(jie)構(gou)(gou)(gou)是(shi)一種(zhong)重(zhong)要(yao)的(de)(de)(de)(de)結(jie)構(gou)(gou)(gou)形式(shi)，應(ying)用(yong)十分(fen)廣泛。對于(yu)(yu)組(zu)合(he)(he)(he)(he)結(jie)構(gou)(gou)(gou)而言(yan)，鋼材與(yu)混凝土(tu)之(zhi)間(jian)的(de)(de)(de)(de)粘結(jie)作(zuo)用(yong)是(shi)保證兩者能夠(gou)協同(tong)工作(zuo)的(de)(de)(de)(de)前(qian)提(ti)，一旦粘結(jie)作(zuo)用(yong)消失，會對組(zu)合(he)(he)(he)(he)結(jie)構(gou)(gou)(gou)的(de)(de)(de)(de)安全(quan)使用(yong)帶(dai)來嚴重(zhong)威(wei)脅。因(yin)此(ci)，利用(yong)有效的(de)(de)(de)(de)檢測(ce)方法及(ji)時準確地(di)對組(zu)合(he)(he)(he)(he)結(jie)構(gou)(gou)(gou)的(de)(de)(de)(de)脫粘狀態進(jin)行監測(ce)是(shi)至關重(zhong)要(yao)的(de)(de)(de)(de)。目前(qian)，利用(yong)壓(ya)電波動法對組(zu)合(he)(he)(he)(he)結(jie)構(gou)(gou)(gou)的(de)(de)(de)(de)使用(yong)狀態進(jin)行評估已(yi)取得(de)豐碩的(de)(de)(de)(de)成果。但是(shi)，由(you)于(yu)(yu)傳統的(de)(de)(de)(de)線(xian)性超聲(sheng)檢測(ce)方法對組(zu)合(he)(he)(he)(he)結(jie)構(gou)(gou)(gou)界(jie)面早(zao)(zao)期(qi)脫粘損(sun)(sun)傷并不敏感(gan)，迫切(qie)需要(yao)更為敏感(gan)的(de)(de)(de)(de)組(zu)合(he)(he)(he)(he)結(jie)構(gou)(gou)(gou)界(jie)面早(zao)(zao)期(qi)脫粘損(sun)(sun)傷的(de)(de)(de)(de)識(shi)別方法。振動聲(sheng)調制技術(shu)（Vibro-acousticmodulation,VAM）是(shi)一種(zhong)基于(yu)(yu)非線(xian)性聲(sheng)學理論(lun)的(de)(de)(de)(de)檢測(ce)技術(shu)，能夠(gou)識(shi)別微米(mi)甚(shen)至納米(mi)級損(sun)(sun)傷。此(ci)次(ci)主要(yao)以鋼板-混凝土(tu)組(zu)合(he)(he)(he)(he)板（steel-concretecompositeslab,SCCS）早(zao)(zao)期(qi)脫粘損(sun)(sun)傷識(shi)別為研究對象，將壓(ya)電陶瓷與(yu)VAM技術(shu)相結(jie)合(he)(he)(he)(he)，實現兩個聲(sheng)場(chang)在損(sun)(sun)傷部位發生非線(xian)性調制，利用(yong)非線(xian)性VAM原理推導(dao)出損(sun)(sun)傷指標，對脫粘損(sun)(sun)傷進(jin)行識(shi)別和(he)損(sun)(sun)傷趨勢的(de)(de)(de)(de)定(ding)量評估。

　　通過研究(jiu)VAM技(ji)術在(zai)SCCS早期(qi)(qi)脫粘(zhan)(zhan)(zhan)損(sun)(sun)傷(shang)(shang)監測(ce)(ce)方面的(de)應用，對(dui)得到(dao)(dao)的(de)傳感信(xin)(xin)號進(jin)(jin)行(xing)時頻(pin)域(yu)分析(xi)，并(bing)根據(ju)聲學(xue)非(fei)(fei)線(xian)性(xing)(xing)理論(lun)推(tui)導(dao)，得到(dao)(dao)用于表(biao)征損(sun)(sun)傷(shang)(shang)的(de)特定參數，實現(xian)對(dui)SCCS早期(qi)(qi)脫粘(zhan)(zhan)(zhan)損(sun)(sun)傷(shang)(shang)識別和評估的(de)目(mu)標。根據(ju)關于混頻(pin)聲場下理論(lun)推(tui)導(dao)以及相關的(de)仿真計算(suan)，得出SCCS在(zai)粘(zhan)(zhan)(zhan)結良(liang)好狀態(tai)下，損(sun)(sun)傷(shang)(shang)非(fei)(fei)線(xian)性(xing)(xing)不(bu)明顯，得到(dao)(dao)的(de)傳感信(xin)(xin)號時頻(pin)域(yu)圖表(biao)現(xian)為(wei)兩個聲場的(de)線(xian)性(xing)(xing)疊加(jia)；當SCCS中出現(xian)脫粘(zhan)(zhan)(zhan)損(sun)(sun)傷(shang)(shang)后，其非(fei)(fei)線(xian)性(xing)(xing)顯著(zhu)增強(qiang)，在(zai)損(sun)(sun)傷(shang)(shang)部位發生調制效(xiao)(xiao)應。根據(ju)理論(lun)分析(xi)結果(guo)，設計并(bing)搭建VAM監測(ce)(ce)系統，依(yi)托該(gai)試驗(yan)(yan)平臺(tai)進(jin)(jin)行(xing)相關研究(jiu)，進(jin)(jin)而(er)驗(yan)(yan)證(zheng)VAM方法對(dui)SCCS早期(qi)(qi)脫粘(zhan)(zhan)(zhan)損(sun)(sun)傷(shang)(shang)具(ju)有檢測(ce)(ce)效(xiao)(xiao)果(guo)。利用非(fei)(fei)線(xian)性(xing)(xing)VAM技(ji)術對(dui)SCCS脫粘(zhan)(zhan)(zhan)損(sun)(sun)傷(shang)(shang)進(jin)(jin)行(xing)檢測(ce)(ce)并(bing)得到(dao)(dao)相應的(de)非(fei)(fei)線(xian)性(xing)(xing)參數是試驗(yan)(yan)的(de)關鍵，要(yao)求非(fei)(fei)線(xian)性(xing)(xing)參數能(neng)夠反映損(sun)(sun)傷(shang)(shang)狀態(tai)還可以排(pai)除試驗(yan)(yan)平臺(tai)的(de)非(fei)(fei)線(xian)性(xing)(xing)影(ying)響。研究(jiu)表(biao)明，基于非(fei)(fei)線(xian)性(xing)(xing)VAM的(de)監測(ce)(ce)算(suan)法能(neng)夠有效(xiao)(xiao)識別微米級脫粘(zhan)(zhan)(zhan)損(sun)(sun)傷(shang)(shang)，且對(dui)激勵參數具(ju)有魯棒性(xing)(xing)，為(wei)組合結構界(jie)面健康監測(ce)(ce)提供了高靈敏度(du)的(de)無(wu)損(sun)(sun)檢測(ce)(ce)手(shou)段。

　　實驗名稱：基于非線性壓電超聲的組(zu)合結構界(jie)面脫粘監測(ce)方法研究

　　實驗原理：原理是基(ji)于(yu)非線(xian)性(xing)(xing)壓電超聲(sheng)技(ji)術中的(de)(de)振(zhen)動(dong)聲(sheng)調(diao)制(zhi)（Vibration-AcousticModulation,VAM）方(fang)法，旨(zhi)在檢測(ce)鋼板-混凝土組合(he)板（SCCS）界(jie)面(mian)(mian)的(de)(de)早期脫粘(zhan)(zhan)損(sun)傷(shang)。其(qi)(qi)核心原理是通過(guo)同時施加(jia)低頻（LF）和高(gao)頻（HF）聲(sheng)波激勵信(xin)號(hao)，利用損(sun)傷(shang)界(jie)面(mian)(mian)處非線(xian)性(xing)(xing)接觸效應引發的(de)(de)調(diao)制(zhi)現(xian)象，提取(qu)與損(sun)傷(shang)相關的(de)(de)特征參(can)數。具體(ti)而言，LF信(xin)號(hao)（如1.5kHz）作(zuo)為(wei)泵浦波，通過(guo)激振(zhen)器施加(jia)于(yu)結構(gou)表面(mian)(mian)，引發脫粘(zhan)(zhan)界(jie)面(mian)(mian)的(de)(de)周期性(xing)(xing)開合(he)振(zhen)動(dong)；HF信(xin)號(hao)（如50kHz）作(zuo)為(wei)探測(ce)波，由壓電陶瓷（PZT）激發并沿結構(gou)表面(mian)(mian)傳播(bo)。當HF波經(jing)過(guo)脫粘(zhan)(zhan)損(sun)傷(shang)區域時，受(shou)LF驅動(dong)的(de)(de)界(jie)面(mian)(mian)非線(xian)性(xing)(xing)振(zhen)動(dong)會對其(qi)(qi)傳播(bo)路徑和能量(liang)分布產生調(diao)制(zhi)作(zuo)用，導(dao)致高(gao)頻信(xin)號(hao)頻譜中出現(xian)旁頻分量(liang)（fHF±nfLF，n為(wei)整數），其(qi)(qi)幅(fu)值(zhi)大小與界(jie)面(mian)(mian)損(sun)傷(shang)程度直接相關。

　　實(shi)驗通過理(li)論建(jian)模(mo)、有(you)限元(yuan)仿真(zhen)和實(shi)物試驗三階(jie)段驗證(zheng)該原理(li)。理(li)論層面(mian)，基(ji)于彈性(xing)(xing)波(bo)(bo)(bo)動方程和接(jie)觸(chu)非線(xian)性(xing)(xing)模(mo)型，推導了旁(pang)(pang)頻(pin)信號的數(shu)(shu)(shu)學表達(da)式(shi)，揭示(shi)了損(sun)(sun)傷界面(mian)剛度非線(xian)性(xing)(xing)對(dui)調(diao)制(zhi)效應的影響(xiang)機(ji)制(zhi)。仿真(zhen)層面(mian)，利(li)用ABAQUS建(jian)立SCCS二維(wei)模(mo)型，模(mo)擬(ni)不(bu)同(tong)脫粘(zhan)面(mian)積(ji)、深(shen)度及激(ji)勵參(can)數(shu)(shu)(shu)下的波(bo)(bo)(bo)傳行為，發現LF頻(pin)率接(jie)近結構(gou)固有(you)頻(pin)率（如1460Hz）時界面(mian)開合最顯著，旁(pang)(pang)頻(pin)幅(fu)值(zhi)與(yu)LF幅(fu)值(zhi)呈(cheng)線(xian)性(xing)(xing)增長(chang)，而HF幅(fu)值(zhi)存在閾值(zhi)（約(yue)6V）后趨于飽和。試驗層面(mian)，搭建(jian)了由激(ji)振器、壓電傳感器、函(han)數(shu)(shu)(shu)發生器和示(shi)波(bo)(bo)(bo)器組成的監測平臺，通過對(dui)比健(jian)康(kang)與(yu)損(sun)(sun)傷試件的頻(pin)域響(xiang)應，發現損(sun)(sun)傷側一階(jie)旁(pang)(pang)頻(pin)幅(fu)值(zhi)可達(da)健(jian)康(kang)側的92倍，且調(diao)制(zhi)指(zhi)數(shu)(shu)(shu)（MI）隨(sui)LF幅(fu)值(zhi)增加顯著提(ti)升（從-98dB至-79dB）。此外，損(sun)(sun)傷面(mian)積(ji)增大導致非線(xian)性(xing)(xing)系數(shu)(shu)(shu)（K'）提(ti)升3倍后趨于穩定，損(sun)(sun)傷深(shen)度則呈(cheng)現“增長(chang)-衰(shuai)減-穩定”三階(jie)段規律(lv)。最終，通過Rayleigh波(bo)(bo)(bo)速實(shi)測（2400~2415m/s）與(yu)理(li)論誤差（<5%）驗證(zheng)了模(mo)型可靠性(xing)(xing)，表明VAM技術通過捕捉(zhuo)非線(xian)性(xing)(xing)調(diao)制(zhi)特(te)征，能(neng)有(you)效識別(bie)微米級脫粘(zhan)損(sun)(sun)傷，為組合結構(gou)健(jian)康(kang)監測提(ti)供(gong)了高(gao)靈(ling)敏度的無損(sun)(sun)檢測手段。

　　實驗框圖：

　　實驗過程：首(shou)先(xian)在(zai)澆筑混凝土之前(qian)，于鋼板表面確(que)定(ding)損(sun)(sun)傷(shang)(shang)位(wei)(wei)置并噴涂黃(huang)油以模擬(ni)界面脫粘，同時將壓電(dian)(dian)陶瓷(ci)傳感器(qi)粘貼在(zai)鋼板外表面的(de)(de)指(zhi)定(ding)位(wei)(wei)置，用(yong)于信(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)激發(fa)與(yu)接(jie)收(shou)。隨后，搭建振動(dong)聲(sheng)(sheng)調制(zhi)(zhi)監測系統，該系統包含激振器(qi)、函(han)數發(fa)生(sheng)器(qi)、功率放大(da)器(qi)、示波(bo)器(qi)以及(ji)壓電(dian)(dian)陶瓷(ci)片等關鍵設備。通(tong)過理論分析和仿真計(ji)算，選定(ding)低頻(pin)（LF）和高頻(pin)（HF）信(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)頻(pin)率與(yu)幅值。利用(yong)激振器(qi)產生(sheng)低頻(pin)信(xin)號(hao)(hao)，壓電(dian)(dian)陶瓷(ci)片產生(sheng)高頻(pin)信(xin)號(hao)(hao)，這些(xie)信(xin)號(hao)(hao)在(zai)組合結(jie)構界面處相互作用(yong)，模擬(ni)損(sun)(sun)傷(shang)(shang)部位(wei)(wei)的(de)(de)非線性調制(zhi)(zhi)效應(ying)。接(jie)著，通(tong)過示波(bo)器(qi)采(cai)集壓電(dian)(dian)陶瓷(ci)片接(jie)收(shou)到的(de)(de)傳感信(xin)號(hao)(hao)，并對(dui)信(xin)號(hao)(hao)進行時頻(pin)域分析，提取用(yong)于損(sun)(sun)傷(shang)(shang)識(shi)(shi)別的(de)(de)特征參數。最終，依據非線性超(chao)聲(sheng)(sheng)理論，分析所(suo)提取特征參數的(de)(de)變化，實現對(dui)損(sun)(sun)傷(shang)(shang)的(de)(de)存在(zai)及(ji)其程(cheng)度的(de)(de)識(shi)(shi)別。

　　應用方向：細胞分選，無損檢測，介電電泳，電致發光器件測試

　　應用場景：非線性超聲技術，振動聲調制（VAM），早期脫粘監測，非線性特征參數，損傷評估算法，有限元分析，組合結構界面脫粘，壓電陶瓷，鋼板-混凝土組合板（SCCS）

　　電壓放大器產品推薦：ATA-2000系列(lie)高(gao)壓放(fang)大器

圖(tu)：ATA-2000系列(lie)高壓放大器指標(biao)參(can)數

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