一种基于Lamb波波数扫描的空间-波数滤波器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于Lamb波波数扫描的空间-波数滤波器，属于工程结构健康监 测技术领域。
【背景技术】
[0002] 基于Lamb波的结构健康监测方法具有损伤监测灵敏度高、监测范围大、既能在线 应用也可离线应用、既能进行主动损伤监测也能进行被动冲击监测、既能监测金属结构也 能监测复合材料结构等等优点。通常，压电传感器是实现Lamb波激励和传感的主要器件。 因此，基于Lamb波和压电传感器的结构健康监测方法受到了国内外的广泛研究，是目前最 具有前景的结构健康监测技术之一。在结构中传播的Lamb波除了具有时间、频率的物理属 性外，还具有空间、波数的物理属性。信号的波数表征了信号的空间振动频率，准确求取信 号的波数是对信号进行空间-波数域处理的基础。目前常用的求取Lamb波信号波数的方 法主要有理论建模方法、相位展开方法和傅里叶变换方法等等。理论建模方法需要获知结 构的力学模型才能准确计算出Lamb波信号的波数，但是，对于复杂的复合材料结构，其力 学模型难以精确获取。相位展开方法需要确保激励信号与传感信号之间的相位差在-η~ η之间，否则会产生2/731的相位周期误差，λ为整数，从而造成Lamb波信号波数的计算错 误，这对于传播速度较快并且具有频散特性的Lamb波信号难以保证。傅里叶变换方法需要 较多的空间采样点才能精确的获取Lamb波信号的波数，目前的研究通常是基于多普勒激 光扫描测振仪来获得结构中Lamb波传播的空间信息。这些都限制了目前研究的基于一维 线形压电传感器阵列的Lamb波空间-波数域信号处理方法在各向异性的复合材料结构健 康监测中的应用。
【发明内容】
[0003] 为解决上述问题，本发明提出了一种基于Lamb波波数扫描的空间-波数滤波器， 实现了线形压电传感器阵列采集到的Lamb波响应信号的波数求取，并且抑制了结构材料 参数对Lamb波响应信号波数计算结果的影响。
[0004] 本发明为解决其技术问题采用如下技术方案： 一种基于Lamb波波数扫描的空间-波数滤波器，包括如下步骤： 步骤一：布置一维线形压电传感器阵列 根据结构健康监测的任务需求，在被监测结构上布置一条由#相同型号的压电传感 器阵元组成的等间距线形压电传感器阵列，其中靡3大于2的整数，压电传感器依次编号为 1、2、"·、?、···、#，相邻两个压电传感器中心点之间的间距，也即是阵元间距为Δχ; 步骤二：采集结构中传播的Lamb波信号 使用线形压电传感器阵列采集结构中传播的Lamb波信号，采集到的Lamb波响应信号 为线形压电传感器阵列中第/^压电传感器的坐标； 步骤三：设置波数扫描范围及间隔 (1) 线形压电传感器阵列的空间采样率为： 式中：4为线形压电传感器阵列的空间采样率，ΛX为该线形压电传感器阵列的阵元 间距，31为圆周率； 依据奈奎斯特采样定理，设置波数扫描空间-波数滤波器的波数扫描范围为[砣4]， 波数扫描分辨率为Α々，其中
(2) 步骤四：生成波数扫描空间-波数滤波器 选定一个波数扫描值先，々4,根据公式（3)和公式（4)生成波数扫描空间-波 数滤波器：
式中：表Μ为生成的波数扫描空间-波数滤波器，^为线形压电传感器阵列中第 压电传感器的坐标，i为虚数单位，先为选定的一个波数扫描值，^为线形压电传感器 阵列中第1号压电传感器的坐标，为线形压电传感器阵列中第碍压电传感器的X 轴坐标，为线形压电传感器阵列中第1号压电传感器的波数扫描空间-波数滤波权 重函数，itiy::为线形压电传感器阵列中第压电传感器的波数扫描空间-波数滤波权 重函数，为线形压电传感器阵列中第碍压电传感器的波数扫描空间-波数滤波权 重函数。
[0005] 步骤五：Lamb波响应信号的空间-波数滤波 首先使用Hilbert变换构建Lamb波响应信号的解析信号，即复信号，如公式（5)和公 式（6)所示：
式中：为构建的Lamb波响应信号的解析信号，即复信号，为构建的?号压 电传感器Lamb波响应信号的解析信号，觸为构建的#^压电传感器Lamb波响应信号 的解析信号，户UJ为/UJ的Hilbert变换。
[0006] 然后使用生成的波数扫描空间-波数滤波器，对线形压电传感器阵列采集到的 Lamb波响应信号进行空间-波数滤波，得到的滤波结果如公式（7)所示：
(7) 式中：ΦU")为波数扫描值为九时的空间-波数滤波结果，V为卷积运算。
[0007] 最后根据公式（8)计算出波数扫描值为4时，空间-波数滤波结果Φ(々")的合成 幅度：
(8) 式中：汍先）为空间-波数滤波结果Φ(先）的合成幅度。
[0008] 步骤六：Lamb波响应信号波数扫描空间-波数滤波 选取下一个波数扫描值先+Λ々，重复步骤四和步骤五的空间-波数滤波流程，计算该 波数扫描值时，线形压电传感器阵列采集到的Lamb波响应信号的空间-波数滤波结果的合 成幅度Φ(先+Λ幻，直至波数扫描值先=4。由此得到各波数扫描值对应的空间-波数滤 波结果的合成幅度，如公式（9)所示：
(9) 式中为各波数扫描值对应的空间-波数滤波结果的合成幅度，ΜΑ)为波数扫描 值Λ对应的空间-波数滤波结果的合成幅度，为波数扫描值先对应的空间-波数滤 波结果的合成幅度，Μ4)为波数扫描值4对应的空间-波数滤波结果的合成幅度。
[0009] 然后选取波数扫描空间-波数滤波结果合成幅度最大值处对应的波数值，即为线 形压电传感器阵列采集到的Lamb波响应信号的波数。
[0010] 本发明的有益效果如下： 1、实现了线形压电传感器阵列采集到的Lamb波响应信号的波数求取。
[0011] 2、波数扫描过程不需要依赖结构的材料参数，从而抑制了结构材料参数对Lamb 波响应信号波数计算结果的影响。
[0012] 3、本发明有助于空间-波数域信号处理方法在复合材料结构健康监测领域中的 应用。
【附图说明】
[0013] 图1是基于Lamb波波数扫描的空间-波数滤波器的信号处理流程图。
[0014] 图2是实施例中，线形压电传感器阵列布置、激励元件位置以及二维直角坐标系 的示意图。
[0015] 图3是线形压电传感器阵列采集到的Lamb波响应信号。
[0016] 图4是各波数扫描值下，空间-波数滤波结果的合成幅度。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。
[0018] 本方法使用一维线形压电传感器阵列采集结构中传播的Lamb波信号；其次，根据 阵列的空间采样率设置波数扫描范围，生成Lamb波波数扫描空间-波数滤波器；然后，对采 集到的Lamb波响应信号进行波数扫描空间-波数滤波；最后，根据波数扫描滤波结果合成 幅度得到Lamb波响应信号的波数。从而实现了在不依赖结构材料参数的情况下，Lamb波 响应信号波数的获取。
[0019] 图1是本发明基于Lamb波波数扫描的空间-波数滤波器的信号处理流程图：使 用线形压电传感器阵列采集结构中传播的Lamb波信号；采用Hilbert变换构建Lamb波响 应信号的解析信号，即复信号；设置波数扫描范围及间隔；选定一个波数扫描值；生成波数 扫描空间-波数滤波器；对线形压电传感器阵列采集到的Lamb波响应信号进行波数扫描 空间-波数滤波；计算波数扫描空间-波数滤波结果的合成幅度；依次进行波数扫描，得到 Lamb波响应信号的波数。
[0020] 实施例试件为2024-T3航空铝合金，试件的尺寸为1200mmX1200mmX2mm。激励和 传感元件均为PZT-5A型压电传感器，压电传感器的直径为8_、厚度为0. 4_。实验设备使 用的是南京航空航天大学自主研发的地面级航空结构健康监测系统。
[0021] 本实施例包括如下步骤： 步骤一：布置一维线形压电传感器阵列 使用21个PZT-5A型压电传感器在2024-T3航空铝合金试件的正下方中间位置均匀布 置一条线形压电传感器阵列，相邻两个压电传感器中心点之间的间距为A^=9_，线形压电