[发明专利]一种基于声模态叠加的铝板冲击载荷的定位分析方法

说明书

本发明提出一种基于声模态叠加的铝板冲击载荷的定位分析方法，包括铝板的辐射模态分析，铝板的辐射声场建立，局部声场信息的测量，载荷冲击信号的反演。铝板的辐射模态分析以矩形薄板为研究对象，根据薄板自由振动微分方程可以算出铝板的固有频率和模态振型函数。再根据声模态叠加法，可以得铝板外部辐射声场，建立辐射声场与载荷冲击信号的对应关系。通过在铝板上合理布置传声器阵列可以测量到一定的局部声场信息。载荷冲击信号的反演，采用近场声全息理论，从局部声场信息中反演出整个声场的信息，再根据辐射声场与载荷冲击信号的对应关系，定位出载荷冲击的位置，反演出载荷冲击特性。

技术领域

本发明涉及一种基于声模态叠加的铝板冲击载荷的定位分析方法，属于结构健康监测领域。

背景技术

在结构健康监测中，实现冲击部位定位来推演受损部位，是关键的一步。反演的载荷冲击特性为后续的损伤判断和受损程度评估提供重要参考。在使用机械设备时，可能会由于载荷的原因，会对结构逐渐产生各种形式的损伤，这种损伤就属于受到载荷冲击而引发的损伤。如果不在早期做出正确的应对措施，就会导致设备的损坏，甚至还有可能因操作不当造成人员伤亡。因此，能够及时发现结构出现因载荷冲击引起的损伤，并作出报警，以此来进行结构损伤评估就显得颇为重要。

本发明相关的结构健康监测技术与声辐射有一定关系，声辐射问题是一个在声学领域内非常长久的问题，也是一个诞生起就备受关注的课题。声模态叠加法在研究外部声辐射问题中的突出优点解决了结构模态中复杂的耦合项带来的计算问题，使得对声辐射问题的研究更为简单。声模态叠加法指出，任何辐射体的表面法向速度都可以由若干辐射模态的线性组合来表示，且辐射模态与辐射体的本身材料性质无关，只与它的几何形状和振动频率有关。通过该理论可以计算简支平板表面的法向速度进而获取简支平板外部辐射声场。而近场声全息技术理论在工程中的应用研究近年来发展地比较完善了，包括移动声源、封闭空间声场等场合的应用。本发明基于声模态叠加法与近场声全息技术，结合声辐射的正问题与逆问题的原理实现冲击载荷的定位分析。

本发明的目的是以铝板结构为对象，开发面向冲击结构健康监测的铝板冲击载荷的定位分析方法，其最终目的是为了在由冲击载荷引发的铝板结构损伤问题中反演载荷冲击特性，实现冲击部位定位来推演受损部位，并由反演的载荷冲击特性来为后续的损伤判断和受损程度评估提供参考。

发明内容

本发明提供一种基于声模态叠加的铝板冲击载荷的定位分析方法，实现了对冲击信号的实时监测，用以定位冲击部位，实现对载荷冲击特性的反演并以此来评估结构损伤的程度。

本发明中主要采用的技术方案为：

一种基于声模态叠加的铝板冲击载荷的定位分析方法，分析方法包括铝板的辐射模态分析，铝板的辐射声场建立，局部声场信息的测量和载荷冲击信号的反演；

S1：所述铝板的辐射模态分析以矩形薄板为研究对象，根据薄板自由振动微分方程算出铝板的固有频率和模态振型函数；

S2:所述铝板的辐射声场的建立，根据声模态叠加法得简支薄板外部辐射声场，并建立了声场与载荷冲击信号的对应关系；

S3:所述局部声场信息的测量，通过布置传声器阵列获取足够量的局部声场信息；

S4:所述载荷冲击信号的反演，采用近场声全息理论，从局部声场信息中反演出整个声场的信息，再根据辐射声场与载荷冲击信号的对应关系，定位出载荷冲击的位置，反演出载荷冲击特性。

优选地,所述薄板的自由振动微分方程为：

式中w(x,y,t)为平面的内应力，为二重拉普拉斯算子，D为抗弯刚度，对于长宽分别为L_x和L_y的矩形薄板，使用分离变量法来求解，计算得到薄板固有频率

以及与之相对应的固有振型函数