本發(fā)明屬于無損檢測應(yīng)用中信號衰減程度的測量方法，特別是涉及一種量化加強(qiáng)筋平板上蘭姆波能量衰減程度的方法。

背景技術(shù)：

在無損檢測應(yīng)用領(lǐng)域，經(jīng)常使用蘭姆波對具有加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)的平板(簡稱加強(qiáng)筋平板)進(jìn)行健康監(jiān)測。由于加強(qiáng)筋的存在會使蘭姆波產(chǎn)生反射、透射以及模態(tài)轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致蘭姆波信號強(qiáng)度大幅度衰減，結(jié)果減小蘭姆波在平板上的檢測范圍。同時(shí)，研究表明不同加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)對不同頻率的蘭姆波衰減程度具有不同表現(xiàn)。因此，只要對具有某一加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)的平板選擇強(qiáng)度衰減程度小的頻率對應(yīng)的蘭姆波作為檢測信號，仍然可以保證蘭姆波在該加強(qiáng)筋平板上的檢測范圍。而對具有某一加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)的平板上對應(yīng)的蘭姆波頻率的選擇，需要通過量化蘭姆波在加強(qiáng)筋平板中的能量衰減程度來實(shí)現(xiàn)。

目前，存在一種使用寬頻帶蘭姆波并基于二維傅里葉變換的能量衰減量化方法。這種方法采用寬頻帶蘭姆波作為激勵(lì)信號加載在加強(qiáng)筋的一側(cè)，并在加強(qiáng)筋兩端以一定空間間隔對信號進(jìn)行采樣。通過計(jì)算蘭姆波在經(jīng)過加強(qiáng)筋前后的能量比值，量化蘭姆波通過加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)時(shí)的能量衰減程度。但這種方法的缺點(diǎn)是對檢測設(shè)備要求較高，通常出現(xiàn)某些頻帶信號能量較弱，量化結(jié)果不準(zhǔn)的情況。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種量化加強(qiáng)筋平板上蘭姆波能量衰減程度的方法。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的量化加強(qiáng)筋平板上蘭姆波能量衰減程度的方法包括按順序進(jìn)行的下列步驟：

步驟1)構(gòu)建量化加強(qiáng)筋平板上蘭姆波能量衰減程度的檢測系統(tǒng)，該檢測系統(tǒng)包括：信號發(fā)生器、電壓放大器、換能器、激光控制器、激光前端和計(jì)算機(jī)；信號發(fā)生器通過電壓放大器與換能器連接，換能器設(shè)置在待檢測的加強(qiáng)筋平板上加強(qiáng)筋一側(cè)；信號發(fā)生器同時(shí)與激光控制器連接，激光控制器與激光前端連接而組成激光測振儀，激光前端設(shè)置在加強(qiáng)筋平板的上方，計(jì)算機(jī)與激光控制器連接；

步驟2)將信號發(fā)生器產(chǎn)生的具有某一中心頻率并被漢寧窗調(diào)制的窄帶蘭姆波激勵(lì)信號通過電壓放大器放大，然后由電壓放大器傳送給換能器，并由換能器加載于加強(qiáng)筋的一側(cè)；信號發(fā)生器產(chǎn)生窄帶蘭姆波激勵(lì)信號的同時(shí)同步觸發(fā)激光控制器；

步驟3)在激光控制器的控制下利用激光前端對所述的加強(qiáng)筋平板的表面發(fā)射激光并沿掃描路徑進(jìn)行掃描，激光經(jīng)由加強(qiáng)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樣信號后傳送給激光控制器，最后由激光控制器再傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理；掃描路徑垂直于加強(qiáng)筋，并均勻線性分布在加強(qiáng)筋的兩側(cè)；每個(gè)掃描點(diǎn)上振動反饋起始時(shí)間和換能器起振時(shí)間相同，每個(gè)掃描點(diǎn)上振動結(jié)束時(shí)間相同并提前于下一次信號發(fā)生器的起振時(shí)間；

步驟4)計(jì)算機(jī)對上述掃描得到的位于加強(qiáng)筋兩側(cè)的采樣信號分別進(jìn)行二維傅里葉變換而得到兩組二維矩陣；

步驟5)計(jì)算機(jī)對經(jīng)過加強(qiáng)筋前后的兩組二維矩陣進(jìn)行比值運(yùn)算，并提取出位于該中心頻率正負(fù)5kHz范圍內(nèi)的比值平均值，以此比值平均值作為該中心頻率的窄帶蘭姆波激勵(lì)信號通過加強(qiáng)筋時(shí)的能量衰減系數(shù)，由此對該中心頻率下的窄帶蘭姆波激勵(lì)信號的能量衰減程度進(jìn)行量化；

步驟6)改變信號發(fā)生器發(fā)出的窄帶蘭姆波激勵(lì)信號的中心頻率，重復(fù)步驟2)至步驟5)，以對加強(qiáng)筋平板對不同中心頻率的窄帶蘭姆波激勵(lì)信號的能量衰減程度進(jìn)行量化。

在步驟1)中，所述的信號發(fā)生器讀取由任意波形發(fā)生器寫入并發(fā)出的窄帶蘭姆波激勵(lì)信號的中心頻率在10KHz至1MHz之間，幅值在5至20V之間；電壓放大器的放大倍數(shù)為5-60倍；換能器選用普通壓電陶瓷傳感器。

在步驟1)中，所述的窄帶蘭姆波激勵(lì)信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：A表示窄帶蘭姆波激勵(lì)信號的幅值；fc代表蘭姆波激勵(lì)信號的中心頻率，通常取10KHz—1MHz范圍的頻率；dt表示蘭姆波激勵(lì)信號的持續(xù)時(shí)間，一般取蘭姆波激勵(lì)信號的1—10個(gè)周期長度。

在步驟4)中，所述的二維傅里葉變換的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中，u(x,t)表示掃描路徑上采樣點(diǎn)的時(shí)域信號；x表示采樣點(diǎn)的空間坐標(biāo)；t表示蘭姆波激勵(lì)信號的時(shí)間特征；k表示蘭姆波激勵(lì)信號的波數(shù)；ω表示蘭姆波激勵(lì)信號的角頻率。

本發(fā)明提供的量化加強(qiáng)筋平板上蘭姆波能量衰減程度的方法使用窄帶蘭姆波信號替代現(xiàn)有方法中的寬帶蘭姆波信號，得到具有某一中心頻率的蘭姆波信號在加強(qiáng)筋平板上的能量衰減程度。同時(shí)，通過改變窄帶蘭姆波信號的中心頻率，從而得到不同頻率的蘭姆波在經(jīng)過加強(qiáng)筋時(shí)的能量衰減程度。該方法克服了現(xiàn)有方法對檢測設(shè)備要求較高的缺點(diǎn)，并且能夠有效防止使用寬頻蘭姆波激勵(lì)時(shí)出現(xiàn)的某些頻帶信號能量較弱，量化結(jié)果不準(zhǔn)的情況。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的量化加強(qiáng)筋平板上蘭姆波能量衰減程度的方法流程圖。

圖2為本發(fā)明方法采用的檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為激光掃描路徑示意圖。

圖中：

1：信號發(fā)生器 2：電壓放大器

3：加強(qiáng)筋平板 4：換能器

5：激光控制器 6：激光前端

7：計(jì)算機(jī) 8：加強(qiáng)筋

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明提供的量化加強(qiáng)筋平板上蘭姆波能量衰減程度的方法進(jìn)行詳細(xì)說明。

如圖1所示，本發(fā)明提供的量化加強(qiáng)筋平板上蘭姆波能量衰減程度的方法包括按順序進(jìn)行的下列步驟：

步驟1)構(gòu)建如圖2所示的量化加強(qiáng)筋平板上蘭姆波能量衰減程度的檢測系統(tǒng)，該檢測系統(tǒng)包括：信號發(fā)生器1、電壓放大器2、換能器4、激光控制器5、激光前端6和計(jì)算機(jī)7；信號發(fā)生器1通過電壓放大器2與換能器4連接，換能器4設(shè)置在待檢測的加強(qiáng)筋平板3上加強(qiáng)筋8一側(cè)；信號發(fā)生器1同時(shí)與激光控制器5連接，激光控制器5與激光前端6連接而組成激光測振儀，激光前端6設(shè)置在加強(qiáng)筋平板3的上方，計(jì)算機(jī)7與激光控制器5連接；

步驟2)將信號發(fā)生器1產(chǎn)生的具有某一中心頻率并被漢寧窗調(diào)制的窄帶蘭姆波激勵(lì)信號通過電壓放大器2放大，然后由電壓放大器2傳送給換能器4，并由換能器4加載于加強(qiáng)筋8的一側(cè)；信號發(fā)生器1產(chǎn)生窄帶蘭姆波激勵(lì)信號的同時(shí)同步觸發(fā)激光控制器5；

步驟3)在激光控制器5的控制下利用激光前端6對所述的加強(qiáng)筋平板3的表面發(fā)射激光并沿掃描路徑進(jìn)行掃描，激光經(jīng)由加強(qiáng)筋平板3的表面反射后被激光前端6接收，激光控制器6接收到采樣信號后傳送給激光控制器5，最后由激光控制器5再傳送給計(jì)算機(jī)7進(jìn)行處理；如圖3所示，掃描路徑垂直于加強(qiáng)筋8，并均勻線性分布在加強(qiáng)筋8的兩側(cè)；每個(gè)掃描點(diǎn)上振動反饋起始時(shí)間和換能器4起振時(shí)間相同。每個(gè)掃描點(diǎn)上振動結(jié)束時(shí)間相同并提前于下一次信號發(fā)生器1的起振時(shí)間；

步驟4)計(jì)算機(jī)7對上述掃描得到的位于加強(qiáng)筋8兩側(cè)的采樣信號分別進(jìn)行二維傅里葉變換而得到兩組二維矩陣；二維傅里葉變換能夠?qū)呙杪窂缴汐@得的時(shí)間-空間信號轉(zhuǎn)換成時(shí)間頻率-空間頻率信號，從而將信號的頻率以及傳播方向在頻域上鑒別開來；

步驟5)計(jì)算機(jī)7對經(jīng)過加強(qiáng)筋8前后的兩組二維矩陣進(jìn)行比值運(yùn)算，并提取出位于該中心頻率正負(fù)5kHz范圍內(nèi)的比值平均值，以此比值平均值作為該中心頻率的窄帶蘭姆波激勵(lì)信號通過加強(qiáng)筋8時(shí)的能量衰減系數(shù)，由此對該中心頻率下的窄帶蘭姆波激勵(lì)信號的能量衰減程度進(jìn)行量化；

步驟6)改變信號發(fā)生器1發(fā)出的窄帶蘭姆波激勵(lì)信號的中心頻率，重復(fù)步驟2)至步驟5)，以對加強(qiáng)筋平板3對不同中心頻率的窄帶蘭姆波激勵(lì)信號的能量衰減程度進(jìn)行量化，從而進(jìn)一步分析和優(yōu)化得到的量化結(jié)果，以改善寬頻帶激勵(lì)時(shí)導(dǎo)致的某些頻帶能量較弱，能量衰減程度量化結(jié)果不準(zhǔn)的現(xiàn)象。

在步驟1)中，所述的信號發(fā)生器1讀取由任意波形發(fā)生器寫入并發(fā)出的窄帶蘭姆波激勵(lì)信號的中心頻率在10KHz至1MHz之間，幅值在5至20V之間；該窄帶蘭姆波激勵(lì)信號具有窄頻帶、幅值變化平緩的特點(diǎn)，能夠防止換能器4突然起振產(chǎn)生的其他頻率信號；電壓放大器2的放大倍數(shù)為5-60倍；換能器4選用普通壓電陶瓷傳感器；壓電陶瓷傳感器的響應(yīng)頻譜具有寬頻帶、響應(yīng)穩(wěn)定的特點(diǎn)，從而能夠保證10KHz—1MHz的窄帶蘭姆波激勵(lì)信號被成功激勵(lì)；

在步驟1)中，所述的窄帶蘭姆波激勵(lì)信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：A表示窄帶蘭姆波激勵(lì)信號的幅值；fc代表蘭姆波激勵(lì)信號的中心頻率，通常取10KHz—1MHz范圍的頻率；dt表示蘭姆波激勵(lì)信號的持續(xù)時(shí)間，一般取蘭姆波激勵(lì)信號的1—10個(gè)周期長度。

在步驟4)中，所述的二維傅里葉變換的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中，u(x,t)表示掃描路徑上采樣點(diǎn)的時(shí)域信號；x表示采樣點(diǎn)的空間坐標(biāo)；t表示蘭姆波激勵(lì)信號的時(shí)間特征；k表示蘭姆波激勵(lì)信號的波數(shù)；ω表示蘭姆波激勵(lì)信號的角頻率。

在步驟6)中，通過改變窄帶蘭姆波激勵(lì)信號的中心頻率，并重復(fù)以上過程，可以對所有頻率的蘭姆波信號在加強(qiáng)筋平板上的能量衰減程度進(jìn)行量化。這種方法可以改善在寬頻帶蘭姆波激勵(lì)時(shí)導(dǎo)致的某些頻帶能量較弱，能量衰減程度量化結(jié)果不準(zhǔn)的現(xiàn)象。