声-超声技术用于铝板损伤监控的实验研究

　　声-超声技术的最初想法起源于D. E. Egle等人的工作[1, 2],他们在致力于寻求改进表征各种声发射信号和声发射源的问题中,用各种声激励法来研究应力波模型。在其工作基础上, A. Vary提出并完整归纳出应力波因子技术思想[3],他建议用超声模拟应力波和声发射信号分析法来评价复合材料的性质和缺陷状态,这就是声-超声技术。该技术的基本思想是:采用压电换能器或者激光照射等手段在复合材料(或各向同性材料)表面激发询问脉冲应力波,与此同时再利用压电传感器在材料的同一表面的其它一个或多个地方接收应力波信号,在此基础上通过信号分析确定反映材料对于瞬间脉冲波传播效率的应力波因子(stresswave factor, SWF)[4]。从而以此表征材料的机械性能的变化。该技术是受声发射技术启发而产生的,故又称声-超声技术或主动声发射技术,是结构损伤检测及完整性动态评估方面的一项新技术,特别适合于各类结构的健康监控。

　　因此自20世纪80年代问世以来,声-超声技术吸引了人们的极大兴趣。早期的声-超声技术研究主要集中在应力波的激励、检测和传播特性方面。随着信号分析方法的发展,人们开始采用常规或更先进的信号分析手段对应力波因子的提取、量化方法及利用应力波因子对材料损伤类型及损伤状态进行监测评价。目前,声-超声技术正由原来的静态检测走向动态监测,对象也从复合材料层板或板类结构扩展到缠绕压力容器、钢丝绳、粘接接头等多种结构。同时,人们更关注于应力波因子技术与材料的机械力学性能间的内在联系研究。

　　由板波理论可知[5],声-超声技术在薄板中激发的弹性波为Lamb波。因此,对Lamb波进行合理有效的分析,发掘出包含在Lamb波中的关于检测对象的信息是声-超声技术应用的关键。笔者主要针对LY12CZ铝板,采用信号短时均方根(STRMS)方法,对声-超声技术在铝板中激发的Lamb波的特性进行实验研究,对铝板中有无模拟损伤的情况做了对比研究和分析,以期为基于声-超声技术的结构健康监控系统研究打下基础。

　　1　声-超声技术中的Lamb波

　　Lamb波是在自由板中产生的平面应变波,在板的上下表面应力(traction force)为零。Lamb波具有频散特性,其速度随频率的改变而改变,群速度和相速度不相等。其波动方程是瑞利-兰姆方程[6],表达式为对称模态

　　反对称模态

　　式中:k0为沿板水平方向的波数;b为1/2板厚;ω为角频率;cl为纵波波速;cs为横波波速。

　　波动方程决定Lamb波的多模态和频散特性,而每种模态又存在不同阶次,这些也是Lamb波最主要的特点,如图1所示。