窄带激励条件下的兰姆波时域信号参数估计研究
发布时间：2021-03-18 11:03
兰姆（Lamb）波是一种在板状或层状结构中传播的弹性波,具有传播距离远、对损伤敏感等特点。因此,Lamb波技术被认作实现损伤快速检测的有效手段。然而,Lamb波在实际应用中仍存在诸多问题。一方面是,Lamb波的频散特征和多模特性使得信号处理及数据分析难度较大;另一方面,因外部环境导致的Lamb波传播行为改变会导致检测方案失效。本文主要研究了在窄带激励作用下的Lamb波时域信号波包模型和信号参数估计方法,以解析的形式揭示了信号中波包特征与理论频散曲线、传播距离间的关系,并利用其关系研究了（准）各向同性板材的表面损伤定位问题。主要研究工作包括以下几个方面:基于Lamb波的二阶频散理论,提出了时域信号的波包模型,为全文奠定理论基础。模型考虑两种情况:初始激励以单模态传播和由模态转换现象引起的双模态传播。在模型推导过程中,明确地给出了模型参数、传播距离、频散特征之间的解析关系。在时-频域内,通过实验信号或（和）数值模拟信号对模型进行了验证。利用信号波包模型,将信号处理过程中的反卷积问题转化为参数估计问题。为解决参数估计问题,提出了一种基于期望-最大化（Expectation-maximizat...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：166 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
厚度为1mm的铝板频散曲线，(a)相速度曲线；(b)群速度曲线
第1章绪论-7-图1-2(a)窄带激励与调制脉冲信号波形；(b)窄带激励与调制脉冲信号频谱。Fig.1-2(a)waveformofnarrow-bandpulseandmodulationpulse,and(b)spectrumofnarrow-bandpulseandmodulationpulse.板结构中Lamb波频散现象的解析表达是通过波数-频厚积关系进行描述的。对于等厚板状结构，波数和频率的关系通过单个的实时信号是无法表述的。因此，一般的测量方案为单点激发，多点等距离采样的方式，如图1-3所示，最终生成的信号集合为：横坐标为时间、纵坐标为传播距离的信号矩阵。图1-3波数曲线实验测量示意图Fig.1-3Schematicdiagramofwavenumbercurvesexperimentalmeasurement.为了得到波数-频厚积关系，需要对矩阵进行两次傅里叶变换（即二维傅里叶变换）：（1）时域-频域转换：将单个时域信号进行一维傅里叶变换，得到横坐标为频率、纵坐标为距离的矩阵；（2）距离域-波数域转换：对结果再次进行傅里叶变换，得到横坐标为频率、纵坐标为波数的矩阵。采用窄带激励数据处理结果如图1-4所示[54]。(b)激励点：采样点i=1,2,…,N：激励点
哈尔滨工业大学工学博士学位论文-8-图1-4频率-波数曲线实验测量结果[54]Fig.1-4Experimentalresultsoffrequency-wavenumber[54].借助时频分析工具，例如短时傅里叶变换、维纳分布、连续小波变换、希尔伯特-黄氏变换等[55-59]，可以得到时域信号中的频率分布情况。当激发点和接收点的距离已知时，可以通过传播距离和传播时间的线性关系得到频率-群速度的测量结果。在宽带激励作用下的处理如图1-5所示[55]。图1-5(a)宽带激励信号下的时域信号时-频域结果;(b)群速度曲线[55]。Fig.1-5(a)Time-frequencyresultsoftimedomainsignalsunderbroadbandexcitationsignals,and(b)groupvelocitycurveresults[55].1.2.2结构损伤对Lamb波散射的相关研究Lamb波的传播介质就是板结构本身。结构表面或内部出现损伤时，入射的弹性波会在损伤处发生散射现象，散射的弹性波信号是损伤检测应用中所依赖的数A0A1（a）时间(s)频率(Hz)（b）频率(Hz)群速度(m/s)
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于时间反转法的Lamb波检测技术的研究进展[J]. 刘增华,徐庆龙,董拓灿,龚裕,何存富,吴斌. 实验力学. 2015(02)
[2]先进复合材料与航空航天[J]. 杜善义. 复合材料学报. 2007(01)
博士论文
[1]Lamb波损伤成像中的频散补偿方法研究[D]. 蔡建.南京航空航天大学 2012
[2]基于超声相控阵原理的结构健康监测技术研究[D]. 孙亚杰.南京航空航天大学 2010
[3]Lamb波时间反转方法及其在结构健康监测中的应用研究[D]. 王强.南京航空航天大学 2009
本文编号：3088212
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：166 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
厚度为1mm的铝板频散曲线，(a)相速度曲线；(b)群速度曲线
第1章绪论-7-图1-2(a)窄带激励与调制脉冲信号波形；(b)窄带激励与调制脉冲信号频谱。Fig.1-2(a)waveformofnarrow-bandpulseandmodulationpulse,and(b)spectrumofnarrow-bandpulseandmodulationpulse.板结构中Lamb波频散现象的解析表达是通过波数-频厚积关系进行描述的。对于等厚板状结构，波数和频率的关系通过单个的实时信号是无法表述的。因此，一般的测量方案为单点激发，多点等距离采样的方式，如图1-3所示，最终生成的信号集合为：横坐标为时间、纵坐标为传播距离的信号矩阵。图1-3波数曲线实验测量示意图Fig.1-3Schematicdiagramofwavenumbercurvesexperimentalmeasurement.为了得到波数-频厚积关系，需要对矩阵进行两次傅里叶变换（即二维傅里叶变换）：（1）时域-频域转换：将单个时域信号进行一维傅里叶变换，得到横坐标为频率、纵坐标为距离的矩阵；（2）距离域-波数域转换：对结果再次进行傅里叶变换，得到横坐标为频率、纵坐标为波数的矩阵。采用窄带激励数据处理结果如图1-4所示[54]。(b)激励点：采样点i=1,2,…,N：激励点
哈尔滨工业大学工学博士学位论文-8-图1-4频率-波数曲线实验测量结果[54]Fig.1-4Experimentalresultsoffrequency-wavenumber[54].借助时频分析工具，例如短时傅里叶变换、维纳分布、连续小波变换、希尔伯特-黄氏变换等[55-59]，可以得到时域信号中的频率分布情况。当激发点和接收点的距离已知时，可以通过传播距离和传播时间的线性关系得到频率-群速度的测量结果。在宽带激励作用下的处理如图1-5所示[55]。图1-5(a)宽带激励信号下的时域信号时-频域结果;(b)群速度曲线[55]。Fig.1-5(a)Time-frequencyresultsoftimedomainsignalsunderbroadbandexcitationsignals,and(b)groupvelocitycurveresults[55].1.2.2结构损伤对Lamb波散射的相关研究Lamb波的传播介质就是板结构本身。结构表面或内部出现损伤时，入射的弹性波会在损伤处发生散射现象，散射的弹性波信号是损伤检测应用中所依赖的数A0A1（a）时间(s)频率(Hz)（b）频率(Hz)群速度(m/s)
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于时间反转法的Lamb波检测技术的研究进展[J]. 刘增华,徐庆龙,董拓灿,龚裕,何存富,吴斌. 实验力学. 2015(02)
[2]先进复合材料与航空航天[J]. 杜善义. 复合材料学报. 2007(01)
博士论文
[1]Lamb波损伤成像中的频散补偿方法研究[D]. 蔡建.南京航空航天大学 2012
[2]基于超声相控阵原理的结构健康监测技术研究[D]. 孙亚杰.南京航空航天大学 2010
[3]Lamb波时间反转方法及其在结构健康监测中的应用研究[D]. 王强.南京航空航天大学 2009
本文编号：3088212
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