實驗名稱：窄帶激勵條件下的蘭姆波時域信號參數(shù)估計研究

研究方向：Lamb波

測試目的：

基于Lamb波的二階頻散理論，提出了時域信號的波包模型，為全文奠定理論基礎(chǔ)。模型考慮兩種情況：初始激勵以單模態(tài)傳播和由模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象引起的雙模態(tài)傳播。在模型推導(dǎo)過程中，明確地給出了模型參數(shù)、傳播距離、頻散特征之間的解析關(guān)系。在時-頻域內(nèi)，通過實驗信號或（和）數(shù)值模擬信號對模型進行了驗證。

利用信號波包模型，將信號處理過程中的反卷積問題轉(zhuǎn)化為參數(shù)估計問題。為解決參數(shù)估計問題，提出了一種基于期望-最大化算法的Lamb波信號處理技術(shù)，用于對信號參數(shù)進行估計。通過合成信號，對該信號處理方法的收斂性、抗噪聲能力以及參數(shù)估計結(jié)果可靠性進行了驗證。同時，利用實驗測量信號或（和）數(shù)值模擬信號，驗證了單模態(tài)傳播模型中各參數(shù)與傳播距離、頻散特征間的關(guān)系，并利用其關(guān)系提出了一種從信號中提取模態(tài)頻散特征的方法。

測試設(shè)備：ATA-2022功率放大器、信號采集卡、信號輸出卡、電腦。

實驗過程：

圖：（a）被測鋁板；（b）傳感器及用于激發(fā)AO和SO模態(tài)初始激勵的外接電路示意圖

如圖上圖a所示，2024鋁板厚度為2mm，兩個傳感器對相距36.0cm。在本次試驗中，1號點上下對稱粘貼的傳感器對被用作激勵器，2號點的上表面?zhèn)鞲衅鞅挥米?a target="_blank">接收器。每個傳感器點包含兩個尺寸一致且上下表面對稱粘貼的PZT-5H圓形壓電晶片，其厚度為0.2mm，直徑為10.0mm。采用上圖b所示的外接電路分別對上下傳感器施加同相和反相電場，以激發(fā)出“單純”的S0模態(tài)和A0模態(tài)的初始激勵。

圖2：實驗設(shè)備

實驗的外接電路和控制單元如圖2所示。其中，控制軟件由自編的Labview程序完成，負責控制激勵信號的生成和數(shù)據(jù)的同步采集。同時，根據(jù)激勵情況對信號進行帶通濾波處理（例如當激勵信號的中心頻率為140KHz時，可將帶通設(shè)為20KHz?600KHz，在不對信號造成影響的前提下，避免電磁干擾對信號的影響）。激勵信號由信號輸出板卡生成，輸出信號經(jīng)由ATA-2022功率放大器放大后驅(qū)動激勵單元，信號采集板卡負責彈性波信號采集。

圖3：數(shù)值模擬模型

基于平面應(yīng)變假設(shè)，用ABAQUS有限元軟件針對如圖3所示的模型進行模擬。在A點的上表面At處和下表面Ab處分別施加對稱和反對稱載荷以激勵出A0和SO兩種模態(tài)的初始激勵，B點應(yīng)力的歷史輸出即為采樣信號。在模擬過程中，為保證結(jié)果的精確性，采用實體單元，劃分網(wǎng)格密度為0.2mm。材料參數(shù)為上文所提到的2024鋁板參數(shù)，模型厚度為2.0mm，長度為1.0m，A點與B點間距為36.0cm。

實驗結(jié)果：

圖：2mm鋁板中傳播36cm的Lamb波波包，A0模態(tài)：(a)合成信號；(b)數(shù)值模擬信號；(c)實驗信號。S0模態(tài)：(d)合成信號；(e)數(shù)值模擬信號；(f)實驗信號。

對比信號波形可以發(fā)現(xiàn)：雖然三種信號在抵達時間和時間跨度上呈現(xiàn)出相似的特征，但是波形的具體細節(jié)有所差別，主要體現(xiàn)在相位上。這是因為：在構(gòu)建合成信號時，并未將相速度予以考慮，因此造成的相位的差別。

安泰ATA-2022B高壓放大器：

圖：ATA-2022B高壓放大器指標參數(shù)

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審核編輯：湯梓紅