一种量化加强筋平板上兰姆波能量衰减程度的方法与流程

本发明属于无损检测应用中信号衰减程度的测量方法，特别是涉及一种量化加强筋平板上兰姆波能量衰减程度的方法。

背景技术：

在无损检测应用领域，经常使用兰姆波对具有加强筋结构的平板(简称加强筋平板)进行健康监测。由于加强筋的存在会使兰姆波产生反射、透射以及模态转换等现象，从而导致兰姆波信号强度大幅度衰减，结果减小兰姆波在平板上的检测范围。同时，研究表明不同加强筋结构对不同频率的兰姆波衰减程度具有不同表现。因此，只要对具有某一加强筋结构的平板选择强度衰减程度小的频率对应的兰姆波作为检测信号，仍然可以保证兰姆波在该加强筋平板上的检测范围。而对具有某一加强筋结构的平板上对应的兰姆波频率的选择，需要通过量化兰姆波在加强筋平板中的能量衰减程度来实现。

目前，存在一种使用宽频带兰姆波并基于二维傅里叶变换的能量衰减量化方法。这种方法采用宽频带兰姆波作为激励信号加载在加强筋的一侧，并在加强筋两端以一定空间间隔对信号进行采样。通过计算兰姆波在经过加强筋前后的能量比值，量化兰姆波通过加强筋结构时的能量衰减程度。但这种方法的缺点是对检测设备要求较高，通常出现某些频带信号能量较弱，量化结果不准的情况。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种量化加强筋平板上兰姆波能量衰减程度的方法。

为了达到上述目的，本发明提供的量化加强筋平板上兰姆波能量衰减程度的方法包括按顺序进行的下列步骤：

步骤1)构建量化加强筋平板上兰姆波能量衰减程度的检测系统，该检测系统包括：信号发生器、电压放大器、换能器、激光控制器、激光前端和计算机；信号发生器通过电压放大器与换能器连接，换能器设置在待检测的加强筋平板上加强筋一侧；信号发生器同时与激光控制器连接，激光控制器与激光前端连接而组成激光测振仪，激光前端设置在加强筋平板的上方，计算机与激光控制器连接；

步骤2)将信号发生器产生的具有某一中心频率并被汉宁窗调制的窄带兰姆波激励信号通过电压放大器放大，然后由电压放大器传送给换能器，并由换能器加载于加强筋的一侧；信号发生器产生窄带兰姆波激励信号的同时同步触发激光控制器；

步骤3)在激光控制器的控制下利用激光前端对所述的加强筋平板的表面发射激光并沿扫描路径进行扫描，激光经由加强筋平板的表面反射后被激光前端接收，激光控制器接收到采样信号后传送给激光控制器，最后由激光控制器再传送给计算机进行处理；扫描路径垂直于加强筋，并均匀线性分布在加强筋的两侧；每个扫描点上振动反馈起始时间和换能器起振时间相同，每个扫描点上振动结束时间相同并提前于下一次信号发生器的起振时间；

步骤4)计算机对上述扫描得到的位于加强筋两侧的采样信号分别进行二维傅里叶变换而得到两组二维矩阵；

步骤5)计算机对经过加强筋前后的两组二维矩阵进行比值运算，并提取出位于该中心频率正负5kHz范围内的比值平均值，以此比值平均值作为该中心频率的窄带兰姆波激励信号通过加强筋时的能量衰减系数，由此对该中心频率下的窄带兰姆波激励信号的能量衰减程度进行量化；

步骤6)改变信号发生器发出的窄带兰姆波激励信号的中心频率，重复步骤2)至步骤5)，以对加强筋平板对不同中心频率的窄带兰姆波激励信号的能量衰减程度进行量化。

在步骤1)中，所述的信号发生器读取由任意波形发生器写入并发出的窄带兰姆波激励信号的中心频率在10KHz至1MHz之间，幅值在5至20V之间；电压放大器的放大倍数为5-60倍；换能器选用普通压电陶瓷传感器。

在步骤1)中，所述的窄带兰姆波激励信号的数学表达式为：

式中：A表示窄带兰姆波激励信号的幅值；fc代表兰姆波激励信号的中心频率，通常取10KHz—1MHz范围的频率；dt表示兰姆波激励信号的持续时间，一般取兰姆波激励信号的1—10个周期长度。

在步骤4)中，所述的二维傅里叶变换的数学表达式为：

式中，u(x,t)表示扫描路径上采样点的时域信号；x表示采样点的空间坐标；t表示兰姆波激励信号的时间特征；k表示兰姆波激励信号的波数；ω表示兰姆波激励信号的角频率。

本发明提供的量化加强筋平板上兰姆波能量衰减程度的方法使用窄带兰姆波信号替代现有方法中的宽带兰姆波信号，得到具有某一中心频率的兰姆波信号在加强筋平板上的能量衰减程度。同时，通过改变窄带兰姆波信号的中心频率，从而得到不同频率的兰姆波在经过加强筋时的能量衰减程度。该方法克服了现有方法对检测设备要求较高的缺点，并且能够有效防止使用宽频兰姆波激励时出现的某些频带信号能量较弱，量化结果不准的情况。

附图说明

图1为本发明提供的量化加强筋平板上兰姆波能量衰减程度的方法流程图。

图2为本发明方法采用的检测系统结构示意图。

图3为激光扫描路径示意图。

图中：

1：信号发生器 2：电压放大器

3：加强筋平板 4：换能器

5：激光控制器 6：激光前端

7：计算机 8：加强筋

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的量化加强筋平板上兰姆波能量衰减程度的方法进行详细说明。

如图1所示，本发明提供的量化加强筋平板上兰姆波能量衰减程度的方法包括按顺序进行的下列步骤：

步骤1)构建如图2所示的量化加强筋平板上兰姆波能量衰减程度的检测系统，该检测系统包括：信号发生器1、电压放大器2、换能器4、激光控制器5、激光前端6和计算机7；信号发生器1通过电压放大器2与换能器4连接，换能器4设置在待检测的加强筋平板3上加强筋8一侧；信号发生器1同时与激光控制器5连接，激光控制器5与激光前端6连接而组成激光测振仪，激光前端6设置在加强筋平板3的上方，计算机7与激光控制器5连接；

步骤2)将信号发生器1产生的具有某一中心频率并被汉宁窗调制的窄带兰姆波激励信号通过电压放大器2放大，然后由电压放大器2传送给换能器4，并由换能器4加载于加强筋8的一侧；信号发生器1产生窄带兰姆波激励信号的同时同步触发激光控制器5；

步骤3)在激光控制器5的控制下利用激光前端6对所述的加强筋平板3的表面发射激光并沿扫描路径进行扫描，激光经由加强筋平板3的表面反射后被激光前端6接收，激光控制器6接收到采样信号后传送给激光控制器5，最后由激光控制器5再传送给计算机7进行处理；如图3所示，扫描路径垂直于加强筋8，并均匀线性分布在加强筋8的两侧；每个扫描点上振动反馈起始时间和换能器4起振时间相同。每个扫描点上振动结束时间相同并提前于下一次信号发生器1的起振时间；

步骤4)计算机7对上述扫描得到的位于加强筋8两侧的采样信号分别进行二维傅里叶变换而得到两组二维矩阵；二维傅里叶变换能够将扫描路径上获得的时间-空间信号转换成时间频率-空间频率信号，从而将信号的频率以及传播方向在频域上鉴别开来；

步骤5)计算机7对经过加强筋8前后的两组二维矩阵进行比值运算，并提取出位于该中心频率正负5kHz范围内的比值平均值，以此比值平均值作为该中心频率的窄带兰姆波激励信号通过加强筋8时的能量衰减系数，由此对该中心频率下的窄带兰姆波激励信号的能量衰减程度进行量化；

步骤6)改变信号发生器1发出的窄带兰姆波激励信号的中心频率，重复步骤2)至步骤5)，以对加强筋平板3对不同中心频率的窄带兰姆波激励信号的能量衰减程度进行量化，从而进一步分析和优化得到的量化结果，以改善宽频带激励时导致的某些频带能量较弱，能量衰减程度量化结果不准的现象。

在步骤1)中，所述的信号发生器1读取由任意波形发生器写入并发出的窄带兰姆波激励信号的中心频率在10KHz至1MHz之间，幅值在5至20V之间；该窄带兰姆波激励信号具有窄频带、幅值变化平缓的特点，能够防止换能器4突然起振产生的其他频率信号；电压放大器2的放大倍数为5-60倍；换能器4选用普通压电陶瓷传感器；压电陶瓷传感器的响应频谱具有宽频带、响应稳定的特点，从而能够保证10KHz—1MHz的窄带兰姆波激励信号被成功激励；

在步骤1)中，所述的窄带兰姆波激励信号的数学表达式为：

式中：A表示窄带兰姆波激励信号的幅值；fc代表兰姆波激励信号的中心频率，通常取10KHz—1MHz范围的频率；dt表示兰姆波激励信号的持续时间，一般取兰姆波激励信号的1—10个周期长度。

在步骤4)中，所述的二维傅里叶变换的数学表达式为：

式中，u(x,t)表示扫描路径上采样点的时域信号；x表示采样点的空间坐标；t表示兰姆波激励信号的时间特征；k表示兰姆波激励信号的波数；ω表示兰姆波激励信号的角频率。

在步骤6)中，通过改变窄带兰姆波激励信号的中心频率，并重复以上过程，可以对所有频率的兰姆波信号在加强筋平板上的能量衰减程度进行量化。这种方法可以改善在宽频带兰姆波激励时导致的某些频带能量较弱，能量衰减程度量化结果不准的现象。