聲-超聲技術的最初想法起源于 D. E. Egle等人的工作[1 2] 他們在致力于尋求改進表征各種聲發射信號和聲發射源的問題中，用各種聲激勵法來研究應力波模型。在其工作基礎上， A. 町提出并完整歸納出應力波因子技術思想[3] 他建議用超聲模擬應力波和聲發射信號分析法來評價復合材料的性質和缺陷狀態，這就是聲·超聲技術。該技術的基本思想是:采用壓電換能器或者激光照射等手段在復合材料(或各向同性材料)表面激發詢問脈沖應力波，與此同時再利用壓電傳感器在材料的同一表面的其它一個或多個地方接收應力波信號，在此基礎上通過信號分析確定反映材料對于瞬間脈沖波傳播效率的應力波因子(stress wave faωr SWF) [4]從而以此表征材料的機械性能的變化。該技術是受聲發射技術啟發而產生的，故又稱聲·超聲技術或主動聲發射技術，是結構損傷檢測及完整性動態評估方面的一項新技術，特別適合于各類結構的健康監控。

因此自 20 世紀 80 年代問世以來，聲-超聲技術吸引了人們的極大興趣。早期的聲·超聲技術研究主要集中在應力波的激勵、檢測和傳播特性方面。隨著信號分析方法的發展，人們開始采用常規或更先進的信號分析手段對應力波因子的提取、量化方法及利用應力波因子對材料損傷類型及損傷狀態進行監測評價。目前，聲『超聲技術正由原來的靜態檢測走向動態監測，對象也從復合材料層板或板類結構擴展到纏繞壓力容器、鋼絲繩、粘接接頭等多種結構。同時，人們更關注于應力波因子技術與材料的機械力學性能間的內在聯系研究。

由板波理論可知[旬，聲-超聲技術在薄板中激發的彈性波為Lamb 波。因此，對Lamb波進行合理有效的分析，發掘出包含在Lamb 波中的關于檢測對象的信息是聲-超聲技術應用的關鍵。筆者主要針對LY12α 鋁板，采用信號短時均方根(S MS) 方法，對聲-超聲技術在鋁板中激發的Lamb波的特性進行實驗研究，對鋁板中有無模擬損傷的情況做了對比研究和分析，以期為基于聲-超聲技術的結構健康監控系統研究打下基礎。

1 聲·超聲技術中的Lamb波

Lamb波是在自由板中產生的平面應變波，在板的上下表面應力 (traction force) 為零。Lamb波具有頻散特性，其速度隨頻率的改變而改變，群速度和相速度不相等。其波動方程是瑞利-蘭姆方程[6) 表達式為

波的傳播即是能量傳播的過程，因此可以通過對能量的分析達到了解波的傳播特性的目的。信號均方(root-mean-square RMS) 分析是能量分析中常用的方法， RMS 的大小代表信號的總能量。文獻[7J 提出了一種短時能量的概念，借鑒其思路，筆者采用了一種短RMS (short-time-root-mean-square) 的分析方法對Lamb波信號進行分析。

 

若將一個Lamb波傳播信號按時序等分為小段信號并求其均方根值，則 MS 值反映了各小段信號的能量特征，若按時間順序將其排列起來，則可以表征信號的能量傳播特征。因此，筆者采用 MS 從能量傳播的角度來度量各模態波的平均傳播速度和特性。

3 實驗裝置及儀器配置

 

 

4 完好鋁板中Lam 波特性分析

采用尺寸為 715 mm x475 mm x3. 5 mm 的完好LY12CZ 鋁板進行測試，壓電片分別布置在鋁板同側表面上，分別位于A (365 ，400)、B (365 350)C(365 250) 三點 A為激勵源 BC為接收傳感器。見圖4 。取每 10 個采樣點為單元對信號進行STRMS 分析。圖 給出激勵信號頻率為 250 kHz350 kHz 兩點接收到Lam 波信號的 STRMS分析結果。根據 STRMS 原理，信號的 STRMS 序列的最大幅值點對應Lamb波的能量中心經過傳感器中心位置的時刻，而幅值高低表征該Lamb 波能量的強弱。因此，可根據所獲得的 STRMS 序列確定Lamb 波的傳播情況及各模態波能量中心到達各傳感器的準確時刻，據此可計算出Lamb 波的群速度。改變激勵頻率可得到一系列的群速度，經與理論群速度對照，可確定Lam 波的模態。

 

 

 

5 含缺陷鋁板中Lamb 波特性分析

含缺陷鋁板的外形尺寸和圖 一致。板上有一個模擬裂紋缺陷的通透槽，槽的尺寸是 30 mm x 1 mm ，以板的左下角為坐標原點則缺陷中心坐標為(225 ,140) ，與底邊夾角 135度。

壓電傳感器的布置則采用兩種方案。方案A的3個傳感器 1# 2# 3#布置于缺陸周圍，其中， 2#3#傳感器連線垂直平分缺陷槽，間距 30 mm， 1#、2#連線平行于缺陷槽，間距 20 mm ，如圖 6( a) 所示。方案B的4 個傳感器分布在一個邊長為 100 mm的正方形頂角上，正方形左下角點的坐標是 (200 mm，100 mm) ，詳見圖 6(b) 。激勵頻率采用 175 kHz和350 kHz。

 

5.1 方案 的Lamb 波特性分析

 

 

 

、

 

當激勵頻率為 350 kHz( So 模態)時，幾乎所有路徑的Lamb波能量都發生了不同程度的明顯衰減，特別是當模擬損傷位于傳播路徑(1←→3 ，圖l0 (b) )上時，直接到達Lamb波的能量也發生了衰減，而對于其他路徑，衰減均發生在多次反射過程中經過損傷區域后到達的Lamb波上。圖l0(a) 中箭頭標示的衰減位置的Lamb波就是經過上表面反射回來的，但因為模擬損傷剛好處于該傳播路徑上，與路徑夾角約 63度，大大降低了經由該方向的Lamb波能量。表明模擬損傷的存在對Lamb波的傳播造成顯著的影響，主要是Lamb波在經過損傷位置時部分能量在相互作用的過程中消耗掉或發散到其他方向，表現在 STRMS圖形上就是幅值降低。

6結束語

筆者采用短時均方根能量分析方法對鋁板中Lam 波的傳播特性進行實驗研究，首先分析了不同激勵條件下完好薄板中Lamb 波的傳播特性。在此基礎上，對含模擬缺陷鋁板的Lamb 波的傳播特性進行了研究，得出了一些有價值的結論。

[參考文獻]

1.Egle 0 M, Brown A E. A nole on pseudo-acouslic emission sourees [J]. Journal oC 臼出 and Evaluation , 1976 ,4(3)

2.Egle 0 M. A slochaslic model for nsienl acoustic emission signals [J]. The Journal oC .e Acoustical Society oC America , 1979 , 65(5) :1198 203

3.Vary A A, Bowles K J. Ullrasonic evalualion of unidirectional graphilelpolyimide com ile [A]. In: Proceedings 11 Sym.posium on Nondeslructive Ev uation [ C] , ASNT and Soulh-westResearch Institule , San Anlonio , TX， 1977 ,242 - 258

4.童谷生，孫良新.應力波因子技術中一些問題的回顧和展望[J] .振動、測試與診斷， 1999 19(4) :320 326

5.劉鎮清.超聲無損檢測中的導波技術] .無損檢測， 1999，21(8)

6.Joseph L Rose. lTItrasonic Wavωln Solid Media [ M]. NewYork: Cambridge University Press, 1999

7.Li CJ,Li SY. Acoustic emission. analysis for bearing condition monitoring[ J]. Wear， 1985 ,185 :67 -74