[发明专利]一种高空间分辨率的Lamb波虚拟时间反转方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高空间分辨率的Lamb波虚拟时间反转方法，属于工程结构健康监测技术领域。

背景技术

工程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。目前，基于Lamb波的结构健康监测技术，特别是主动Lamb波监测技术已成为一个研究热点。该技术可分为4个过程：①以特定的信号激励压电元件，向结构中激发Lamb波信号；②Lamb波信号在材料中的传播；③采用压电传感器或其它传感器在结构的不同位置接收Lamb波信号；④对接收到的Lamb波传感信号进行分析处理，提取损伤特征参数。

Lamb波传播速度较快并存在频散特性，实际结构中复杂边界引起的多路径传播以及现场噪声使得Lamb传感信号中原本较弱的损伤散射信号很可能被淹没，严重影响后续的损伤特征参数提取，降低了监测结果的可靠性。所以，提高损伤散射信号的信噪比是主动Lamb波监测技术在工程应用中急需解决的难题。

时间反转(频域里称为相共轭)方法由光学领域的相位共轭方法发展而来，是指传感器接收到声源发射的信号后，把传感信号时间翻转再加载到相应的传感器上进行时反二次发射，即先到后发，后到先发。该方法能够自动使信号在时间和空间上得到补偿，从而在波源处实现自适应聚焦。损伤，特别是点损伤，可视为二次波源，利用时间反转方法可实现多路径损伤散射信号在相应损伤处聚焦增强，提高其信噪比。

目前现有的工程结构健康监测中的Lamb波时间反转方法，主要存在以下两个不足之处：(1)由于物理时间反转涉及到两次信号发射和接收，操作过程较为烦琐，对监测设备的要求较高，在实际工程中直接进行物理时间反转具有一定的难度；(2)一些研究者提出了一种用信号运算来代替物理时间反转操作的时间反转聚焦方法，如中国专利200710133882.9所公开的方法，其聚焦增强的损伤散射信号如图5b所示，由于该方法直接对Lamb波损伤散射信号进行运算，故会增加聚焦波峰宽度，降低其空间分辨率，限制了该方法在多损伤情况下的应用。

发明内容

本发明的目的克服现有技术的不足之处，提供一种高空间分辨率虚拟时间反转方法，能够无需进行复杂的物理时间反转操作就能实现信号聚焦，又能保持聚焦波峰宽度，提高其空间分辨率。

本发明的高空间分辨率虚拟时间反转方法，包括以下步骤：

(1)在待测结构上布置N个压电片组成的压电阵列；

(2)获取损伤散射路径传递函数：通过任意波形发生卡发出一阶跃信号，经功率放大后加载到作为激励的压电片P_i上，在待测结构中产生Lamb波宽带监测信号；另一压电片P_j作为传感器分别采集结构在损伤状态和健康状态下的响应信号，对这两种响应信号进行差运算以获得监测路径P_i-P_j中的阶跃激励下的损伤散射信号，对损伤散射信号进行求导运算和归一化处理后得到监测路径P_i-P_j中的损伤散射路径传递函数h_ij，分别选取不同激励和传感器并进行上述操作，得到压电阵列中所有监测路径的损伤散射路径传递函数h_ij；

(3)获取多路径损伤散射信号：把激励信号加载到作为激励的压电片P_i上，另一压电片P_j则作为传感器分别采集待测结构在损伤状态和健康状态下的响应信号，对这两种响应信号进行差运算以获得监测路径P_i-P_j中的多路径损伤散射信号w_ij，分别选取不同激励和传感器并进行相同的操作，得到压电阵列中所有监测路径的多路径损伤散射信号w_ij；