[发明专利]一种基于测量波数曲线的Lamb波频散补偿方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种Lamb波信号处理方法，尤其涉及一种Lamb波频散补偿方法。 

背景技术

诸如载人飞行器、核反应堆和桥梁等重要结构在其服役过程中难免产生各种形式的损伤，为了避免结构损伤带来的灾难或损失，必须对这些结构进行长期有效的监测，而传统的无损检测技术已不太能满足该监测要求。为此，研究者们提出了结构健康监测的概念。结构健康监测技术是一种在线、动态、实时的监测技术，其近几年得到高速发展并在工程结构的安全和可靠性评估中发挥着日益重要的作用。Lamb波作为一种板类结构中传播的超声导波，因其能够进行长距离传播并且对结构表面和内部损伤均敏感，在结构健康监测领域得到日益广泛的关注，Lamb波监测技术已成为一个研究热点。Lamb波具有多模特性，在实际应用中通常采用合适中心频率的窄带激励信号向被测结构中选择性地激发单一的基本对称(S₀)或反对称(A₀)模式的Lamb波信号。但由于Lamb波频散特性的存在，使得监测信号中的波包在传播过程中发生扩展，波包形状发生畸变，幅值也随之降低，影响了信号的信噪比和分辨率，为后续信号分析和损伤识别增加了难度。 

现有技术中，时间反转方法无需Lamb波在结构中传播的先验知识便可自动补偿频散特性，但同时也消除了Lamb波的传播时间，为后续损伤识别增加了难度。Alleyne通过信号再次激励来抑制传播距离已知的特定模态的频散现象。Sicard等基于后向传播函数提出一种频散补偿方法，该方法需要积分运算，计算量较大。Wilcox通过把信号从时域变换到空间域来消除频散特性，由于信号域的变换，处理过程较为复杂。Liu和Yuan对传感信号频谱进行插值处理来补偿铝板中频散的A₀模式信号，该方法没有考虑插值处理对原始激励信号的影响，而且需要已知结构材料参数来计算理论波数曲线，应用场合受到限制。 

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足之处，提供一种基于测量波数曲线的 Lamb波频散补偿方法。本方法无需知道结构材料参数，而是根据传感信号直接测量出波数曲线，然后基于该曲线和结构脉冲响应构建出非频散的传感信号，实现频散补偿。 

本发明的基于测量波数曲线的Lamb波频散补偿方法，包括下列步骤： 

(1)测量波数曲线 

选择具有合适中心频率的窄带激励信号向结构中激发Lamb波信号并采集相应的传感信号，从传感信号中提取出所选Lamb波模式的直达波，分别求取激励信号和直达波的相位变化曲线，则波数曲线可计算为 

K(ω)＝[Φ1(ω)-Φ2(ω)]/L 

其中Φ1(ω)和Φ2(ω)分别为激励信号和直达波的相位曲线，L为激励和传感器之间的距离； 

(2)对波数曲线进行线性化 

把K(ω)在激励信号的中心频率ω_c处进行泰勒级数展开并只保留其中第0，1阶次项，得到线性化的波数曲线 

K_lin(ω)＝K(ω_c)+1/c_g(ω_c)g(ω-ω_c) 

其中c_g(ω_c)为ω_c处的群速度； 

(3)求取Lamb波脉冲响应频谱 

在结构中的激励上加载阶跃激励信号，利用传感器采集结构的阶跃响应，对该响应进行求导运算可获得对应于该激励-传感器对的结构脉冲响应h(t)，最后对脉冲响应进行傅立叶变换得到Lamb波脉冲响应频谱H(ω)； 

(4)求取线性化波数下的脉冲响应 

根据线性化前后的波数，可把每个频率值ω改变为 

ω_lin(ω)＝K^-1[K_lin(ω)]

其中K^-1[k]为测量波数曲线K(ω)的逆函数，对H(ω)在ω＝ω_lin(ω)处进行插值处理得到新的传感信号频谱H_lin(ω)，对H_lin(ω)进行逆傅立叶变换可得到线性化波 数下的脉冲响应h_lin(t)； 

(5)构建频散补偿的Lamb波信号 

对窄带激励信号a(t)和线性化波数下的脉冲响应h_lin(t)进行卷积运算便能得到频散补偿后的传感信号s_lin(t)。 

优选地，