基于Lamb波的材料小范围损伤检测研究

江腾，张雪婷，朱永凯

（南京航空航天大学 自动化学院，江苏 南京 210016）

利用压电陶瓷片激励Lamb波[1]是一种常用的材料损伤检测方法。Lamb波各模式信号之间的混叠在损伤检测中是一个常见的问题，实际检测中时常会碰到小尺寸的检测平面，那么这时候利用传感器布设来防止混叠和边界反射信号是无法实现的。本文提出了通过Lamb波激励模式优化，达到小范围、近距离情况下损伤信号之间的模式分离，实验结果表明，该方法能够在小范围内提取损伤信号。

1 铝板中S0、A0波传播速度实验计算

图1 无损铝板传感器分布图Fig.1 Nondestructive aluminum sensor distribution diagram

实验中我们采用LF21型铝板作为实验试件，尺寸为600×600×2mm。首先我们在铝板上用耦合剂粘贴3块直径10 mm，厚度1 mm的压电陶瓷片。实验过程中我们使用经过Hanning窗调制的5周期正弦信号作为激励信号，激励信号幅值为5 V，中心频率为150 kHz。实验铝板以及压电陶瓷的布设平面图、侧视图如图1所示。

S0模式和A0模式[2]的传播速度对于后续小范围、近距离损伤信号的研究是必须的，所以我们首先测量S0、A0模式波在LF21铝板内的传播速度。基于图1中的图（b）我们分别给PZT2和PZT3施加激励信号，PZT1作为接收，PZT2为同面激励，PZT3为异面激励，接收PZT和激励PZT之间的间距ΔL=173 mm，PZT和边界距离d=213.5 mm。经过Matlab程序处理后的信号如图2所示。

如图2所示，第一部分代表S0模式波，由于S模式波的对称性，所以PZT1接收到的波形幅值和相位相同，而第二部分表示A0模式波，由于A模式波的反对称性，所以PZT1接收到的波形幅值相同，相位相反。

对于上述波形我们验证S0模式和A0模式波在铝板中传播的群速度。图中激励信号的幅值为原信号幅值的1/500。3个信号峰值点从左到右对应激励信号峰值点、PZT接收到的S0模式波峰值点、PZT接收到的A0模式波峰值点，我们可以从Matlab处理信号图上得到激励信号横坐标x=491，xS0=848，xA0=1192，相邻两个点之间的采样时间差为采集整个信号的时间，在本次实验中T=250μs，n表示采集到的信号点数，本实验中n=2 500，所以相邻采样点之间的采样时间差τ=10-7秒。根据速度公式可以得到VS0=4 846 m/s，VA0=2 468 m/s，此速度只是作为后续小范围、近距离损伤信号研究的一个参考速度。

图2 远距离接收的同面、异面信号Fig.2 Long distance with the same surface and contrary surface signal

2 近距离损伤中激励方式的选择

我们知道，在材料损伤检测中，利用PZT作为传感器检测损伤的方法最常用的就是单面激励、单面接收和双面激励和单面接收两种，所以本节主要研究哪一种激励方式[3]更适合近距离损伤的检测。

在小范围近距离损伤实验中，我们缩小传感器之间的距离，具体实验布设如图1（b），其中ΔL取值为55 mm，则相应的取值为272.5 mm。实验过程中我们使用经过Hanning窗调制的5周期正弦信号作为激励信号，激励信号幅值为5 V，中心频率为150 kHz。实验中采用PZT1作为接收，PZT2作为激励，接收到的单面同面信号如图3所示。

图3 5.5cm下的单面同面信号Fig.3 Sided with the surface signal under 5.5cm

从图中可以清楚的看到，同面信号的有3个峰值近似的波峰，而且接收到的信号不是5周期信号，原因是激励和接收PZT之间的距离太近，不满足防止混叠的最小距离条件，S0模式波和A0模式波产生了混叠，无法分析信号，所以近距离损伤检测采用单面激励方式是不可行的。

为了验证近距离损伤检测中双面激励的效果，我们同时激励PZT2和PZT3，PZT1作为接收，接收到的双面信号如图4所示。

图4 5.5cm下的双面信号Fig.4 Double signal under 5.5cm

从双面信号图中可以明显看到1个5周期信号，其中波峰代表S0模式波的波峰，经计算S0模式波波速为4 792 m/s，和理论值接近。由于双面激励无法将A0模式波完全消除，所以呈现出了幅值很小的A0模式波。

从上面的研究结果我们可以看出，在近距离、小范围内检测损伤时，采用双面激励是可行的，而采用单面激励存在着不足。所以，在近距离损伤中，我们应该优先考虑双面激励方式。

3 近距离损伤中单、双面激励对比研究

本节主要对近距离损伤检测所接收到的损伤信号进行分析研究。在近距离损伤检测中，在第2节中的LF21铝板上人为制造一个损伤空洞，在铝板上布设4块PZT，其中2块对称粘贴在损伤铝板的正反面，记为PZT1和PZT2；另外2块作为接收，记为PZT3和PZT4。其中损伤位置到PZT1（PZT2）和PZT3的距离相等。实验铝板以及压电陶瓷的布设平面图、侧视图如图5所示。

图5 有损铝板传感器分布图Fig.5 Destructive aluminum sensor distribution diagram

在损伤实验中，我们首先给PZT1施加经过Hanning窗调制的5周期正弦信号作为激励信号，激励信号幅值为5 V，中心频率为150 kHz。同时让PZT3和PZT4作为接收传感器，PZT3接收到的是有损伤信号，而PZT4接收到的是无损伤信号。他们的信号差含有损伤信息，经过Matlab处理后图形如图6所示。

图6 单面激励信号图Fig.6 Single excitation signal diagram

从图中我们可以看到，有损信号的幅值比无损信号的幅值大，是因为Lamb波经过损伤传播到接受传感器的信号和Lamb波直线传播到接收传感器的信号发生了混叠，导致了信号幅值的增大，两者的差信号就是损伤信号，其中包含了损伤信息。

从图中可知，对应波峰的时间差是确定的，激励传感器到损伤的距离和损伤到接收传感器的距离是确定的，本实验中的距离之和为12.2 cm。并且损伤空洞并不会引起Lamb波各模式波的传播速度，所以根据距离之和和时间，我们可以测得S0模式波的速度为6 545 m/s。与无损伤板上测得的速度相差甚远，发生这种情况的原因是单面激励模式中的模式发生了混叠，所以差信号中的第一个波峰并不代表S0模式波。

接下来我们同时对PZT1和PZT2施加激励信号[4-6]，即采用双面激励的方式进行实验。双面激励实验中我们得到的PZT3有损伤信号和PZT4无损伤信号以及他们的差信号如图7所示。

从图中可知，对应波峰的时间差是确定的，激励传感器到损伤的距离和损伤到接收传感器的距离是确定的，本实验中的距离之和为12.2 cm。并且损伤空洞并不会引起Lamb波各模式波的传播速度，所以根据距离之和和时间，我们可以测得S0模式波的速度为4 778 m/s。与无损伤板上测得的速度接近，说明了双面激励在近距离损伤检测中是可行的。

4 结 论

文中对主动Lamb波[7]监测技术在小范围、近距离损伤中的激励方式进行了研究。根据实验和理论计算，对单面激励和双面激励损伤信号进行了对比研究。结果表明，在小范围、近距离的损伤检测中，运用双面激励方式比单面激励方式的效果好，精确度高。这对于目前广泛研究的基于Lamb波的损伤检测技术是十分有帮助的。

图7 双面激励信号图Fig.7 Double excitation signal diagram

[1]魏凤春.利用压电陶瓷片进行复合材料无损检测的研究[D].河南：郑州大学，2006.

[2]蔡建，袁慎芳，张逍越，等.Lamb波双面激励方法及其在近邻损伤监测中的应用[J].南京航空航天大学学报，2010，42（1）:62-67.CAI Jian，YUAN Shen-fang，ZHANG Xiao-yue，et al.Lamb wave double side excitation and its application in adjacent damage monitoring[J].Journal of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2010，42（1）:62-67.

[3]彭鸽，袁慎芳.主动Lamb波监测技术中的传感元件优化布置研究[J].航空学报，2006，27（5）:957-962.PENG Ge，YUAN Shen-fang.Optimization for collocation of sensors in active lamb wave-based monitoring[J].Journal of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2006，27（5）:957-962.

[4]Benmeddour F，Grondel S，Assaad J，et al.Experimental study of the A0 and S0 Lamb waves interaction with symmetrical notches[J].Ultrasonics，2009，49（2）:202-205.

[5]Rathod V T，Mahapatra D R.Ultrasonic Lamb wave based monitoring of corrosion type of damage in plate using a circular array of piezoelectric transducers[J].NDT&E International，2011（7）:628-636.

[6]GAO Dong-yue，WANG Yi-shou，WU Zhan-jun，et al.Design of a sensor network for structural health monitoring of a fullscale composite horizontal tai[J].Smart Materials and Structures，2014（3）:1-11.

[7]LIU Yan，WANG Yue-min，SHEN Chuan-jun，et al.Damage detection for plate-like structure based on lamb wave and time reversal theory[J].International Congress on Image and Signal Processing，2012（5）:1778-1781.