實驗名稱：窄帶激勵條件下的蘭姆波時域信號參數估計研究

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。模型考慮兩種情況：初始激勵以單模態傳播和由模態轉換現象引起的雙模態傳播。在模型推導過程中，明確地給出了模型參數、傳播距離、頻散特征之間的解析關系。在時-頻域內，通過實驗信號或（和）數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化為參數估計問題。為解決參數估計問題，提出了一種基于期望-最大化算法的Lamb波信號處理技術，用于對信號參數進行估計。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估計結果可靠性進行了驗證。同時，利用實驗測量信號或（和）數值模擬信號，驗證了單模態傳播模型中各參數與傳播距離、頻散特征間的關系，并利用其關系提出了一種從信號中提取模態頻散特征的方法。

測試設備：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AO和SO模態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號點的上表面傳感器被用作接收器。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，以激發出“單純”的S0模態和A0模態的初始激勵。

圖2：實驗設備

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據的同步采集。同時，根據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，輸出信號經由ATA-2022功率放大器放大后驅動激勵單元，信號采集板卡負責彈性波信號采集。

圖3：數值模擬模型

基于平面應變假設，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兩種模態的初始激勵，B點應力的歷史輸出即為采樣信號。在模擬過程中，為保證結果的精確性，采用實體單元，劃分網格密度為0.2mm。材料參數為上文所提到的2024鋁板參數，模型厚度為2.0mm，長度為1.0m，A點與B點間距為36.0cm。

實驗結果：

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

對比信號波形可以發現：雖然三種信號在抵達時間和時間跨度上呈現出相似的特征，但是波形的具體細節有所差別，主要體現在相位上。這是因為：在構建合成信號時，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

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審核編輯：湯梓紅