[发明专利]一种工程结构损伤主动监测中Lamb波时间反转聚焦方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种板类工程结构主动Lamb波损伤监测的方法，尤其涉及一种在常规通用设备条件下实现主动Lamb波结构损伤监测信号时间反转聚焦增强，从而实现工程结构损伤监测的方法。

二、背景技术

随着对结构安全性、可靠性要求的不断提高，结构损伤的在线监测和诊断日益引起人们的高度重视，为了防止结构损伤所带来的灾难或损失，必须对结构进行有效的监测。

结构损伤的在线监测要求相关信号发生和采集设备要相对简单，监测必须具有很高的实时性和准确性。板类结构的损伤监测一般采用主动Lamb波的方法，即在结构表面或内部集成一定数量的激励器和传感器，如压电元件，除此之外，整个监测系统还包括信号发生装置、功率放大器、信号放大器和数采设备等，在监测时首先向结构中激励一定的波形，通过传感器接收结构的响应以及损伤产生的散射波，采集到计算机中，计算机程序根据损伤散射波的到达时刻、相位等信息确定损伤的位置和范围。根据Lamb波传播理论，Lamb波在板结构内的传播过程中存在模式变换，各模态信号对损伤有不同的敏感程度和响应，同时被监测结构一般都较为复杂，传感信号中将混叠有大量的由边界、螺钉孔、加筋等引起的散射信号，这些干扰信号与损伤散射信号的产生机理相同，因此具有相同的时频域特征，也就很难将他们区分开来。这些问题对正确的分析声波传播过程以及提取损伤散射信号的特征参数带来了困难，尤其是在复合材料板类结构损伤监测中，由于存在各向异性，使得这一问题变得更加复杂。例如：目前飞行器结构采用了大量的复合材料，且结构都很复杂，要研究飞行器结构的在线损伤监测必须首先克服损伤散射信号的提取问题。因此，必须对损伤散射信号进行有效放大，以正确提取出与损伤相关的特征参数，保证监测结果的真实性、有效性和稳定性。

时间反转(在频域里称作相共轭)聚焦方法是指传感阵列接收到声源发射的时域信号后，将其信号时反，再发射出去，即先到后发、后到先发。该方法可以使信号的能量在空间和时间上得到聚焦，通过这种聚焦实现声源信号重构，是一种不需要介质和传感器数组性质和结构的先验知识就可以实现声波自适应聚焦和检测的方法。该理论对波源的自适应聚焦能力被证明可以用来实现常规超声波无损检测中对损伤处的信号聚焦，借此提高损伤散射信号的能量，提高传感信号的信噪比。但目前的信号时间反转聚焦方法都是在较为复杂的设备条件下实现的，对传感器/激励器阵列、信号发生器、数据采集设备等都有很高的要求，显然不满足在线结构损伤监测的要求；同时，在板类结构的主动Lamb波损伤监测中，Lamb波传播无方向性，各传感器在接收损伤聚焦增强散射信号的同时，也在接收各传感器激发的时间反转信号，这些信号将叠加在一起难以区分。因此，在主动Lamb波结构健康监测技术中采用常规的设备和方法难以获取聚焦增强的损伤散射信号，必须采用新的处理方法和技术实现损伤散射信号的聚焦和采集。

三、发明内容

1、技术问题：本发明的技术问题是提供一种工程结构损伤主动监测中Lamb波时间反转聚焦方法，本方法应用了传感器/激励器阵列技术，在现有结构损伤监测设备条件基础上，无需其他特殊设备采用卷积运算处理实现损伤监测系统中Lamb波信号的聚焦，提高损伤散射信号的信噪比，简化特征参数提取方法，从而提高监测系统的准确性和稳定性。

2、技术方案：为了解决上述的技术问题，本发明的方法包括下列步骤：

(1)采集结构响应信号：

包括下列步骤：

(1.1)在结构上布置一组压电元件组成传感/激励阵列；

(1.2)通过函数发生器和功率放大器将Lamb波窄带信号加载到步骤(1.1)中压电元件组的一个压电激励元件(P_j)上，在结构中激发激励信号；同时选定压电元件组中另一个压电元件(P_i)作为传感器采集结构响应；

(1.3)以健康状态下的结构响应为基信号，将损伤状态下的结构响应与其相减，得到损伤散射信号；

(1.4)依次选定压电元件组的压电元件作为激励器，得到所有激励/传感通道下的损伤散射信号(f_ji)(i，j＝1，2，3…)；

(2)时间反转处理：

根据步骤(1)采集到的损伤散射信号(f_ji)能量的衰减程度，进行时间反转处理，得到经过处理的损伤散谢信号(f’_ji)；进行时间反转处理时，选定相同的开始时刻和时间长度形成时间窗口，使响应信号的能量集中在该时间窗口中，将时间窗口内的信号反转；

(3)损伤散射信号聚焦：