歐陽(yáng)青華，周 麗，劉曉同

(機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京航空航天大學(xué))，南京210016)

采用有效信號(hào)段自提取算法識(shí)別結(jié)構(gòu)多損傷位置

歐陽(yáng)青華，周 麗，劉曉同

(機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京航空航天大學(xué))，南京210016)

為識(shí)別結(jié)構(gòu)中的多處損傷，提出了一種采用有效Lamb波信號(hào)段自提取算法計(jì)算結(jié)構(gòu)損傷指標(biāo)的多損傷識(shí)別成像方法.該方法將結(jié)構(gòu)的待檢測(cè)區(qū)域劃分為數(shù)個(gè)子區(qū)域，并根據(jù)Lamb波的傳播時(shí)間和波速?gòu)膫鞲衅鹘邮盏降男盘?hào)中自動(dòng)提取出包含結(jié)構(gòu)信息的有效信號(hào).以該有效信號(hào)作為輸入，計(jì)算每個(gè)子區(qū)域中基于信號(hào)相關(guān)系數(shù)所獲得的損傷指標(biāo)，最后采用RAPID算法對(duì)全部識(shí)別區(qū)域內(nèi)的損傷位置進(jìn)行識(shí)別和成像.以航空鋁板為研究對(duì)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究，結(jié)果表明，該方法能快速有效地識(shí)別出多個(gè)損傷，并較為準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)損傷成像以描述損傷的位置.

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)；壓電傳感器；Lamb波；相關(guān)系數(shù)；多損傷識(shí)別；損傷成像

航空金屬結(jié)構(gòu)在服役過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)各種形式的損傷，其中以裂紋和腐蝕最為嚴(yán)重.若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)這些損傷，將會(huì)嚴(yán)重影響飛行器的飛行安全.利用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)損傷的存在，避免災(zāi)難的發(fā)生.Lamb 波對(duì)損傷較為敏感，并且還可以發(fā)展成像技術(shù)將損傷的位置顯示出來(lái).因此，利用 Lamb 波技術(shù)識(shí)別損傷成為當(dāng)前結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一.偏移法[1-2]、時(shí)間反轉(zhuǎn)法[3]、相控陣法[4]等成像方法利用信號(hào)的傳播時(shí)間，對(duì)損傷進(jìn)行定位，進(jìn)而利用成像算法對(duì)損傷進(jìn)行成像.但是Lamb波的多模態(tài)轉(zhuǎn)換以及彌散特性增加了精確提取Lamb波損傷信號(hào)傳播時(shí)間的難度.為了保證提取到的Lamb波損傷信號(hào)傳播時(shí)間的精度，需要運(yùn)用小波變換[5-6]、Hilbert-Huang變換[7-8]等時(shí)頻分析方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理.為避免提取損傷信號(hào)傳播時(shí)間帶來(lái)的復(fù)雜信號(hào)處理方法，Hay等[9-10]在傳統(tǒng)CT成像的基礎(chǔ)上，提出了一種基于損傷存在概率的成像算法，稱為RAPID(reconstruction algorithm for probabilistic inspection of damage).該方法通過(guò)比較結(jié)構(gòu)損傷前后的Lamb波信號(hào)的相關(guān)系數(shù)得到一組損傷指標(biāo)(damage index， DI)來(lái)評(píng)估損傷存在的概率，然后對(duì)損傷進(jìn)行快速、準(zhǔn)確成像.但是該方法使用等長(zhǎng)度的信號(hào)段參與計(jì)算相關(guān)系數(shù)，得到的損傷指標(biāo)也與信號(hào)段的長(zhǎng)度有關(guān).信號(hào)段長(zhǎng)度較短時(shí)，可能只包含較少的有效信號(hào)；信號(hào)段長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，可能包含了較多的無(wú)關(guān)信號(hào).信號(hào)段長(zhǎng)度過(guò)短或過(guò)長(zhǎng)都會(huì)影響著基于信號(hào)相關(guān)系數(shù)計(jì)算的損傷指標(biāo)，將有可能出現(xiàn)損傷識(shí)別虛假和識(shí)別不明顯的現(xiàn)象.

本文提出了一種有效信號(hào)段自提取算法來(lái)識(shí)別多損傷的方法.先將待檢測(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行區(qū)域分割，然后根據(jù)壓電傳感器間的距離和Lamb波的波速，自動(dòng)計(jì)算并提取出接收傳感器接收到的有效信號(hào)段.利用提取出的有效信號(hào)段計(jì)算基于信號(hào)相關(guān)系數(shù)的損傷指標(biāo)，最后利用RAPID算法將損傷的位置成像出來(lái).本文提出的有效信號(hào)段自提取算法克服了等長(zhǎng)度信號(hào)段參與多損傷成像可能帶來(lái)的識(shí)別不準(zhǔn)確的缺點(diǎn).鋁板實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提方法在多損傷成像中應(yīng)用的可行性和有效性.

1 有效信號(hào)段自提取算法

在激勵(lì)傳感器激勵(lì)出Lamb波時(shí)，接收傳感器便同時(shí)開(kāi)始接收信號(hào).但是，Lamb波從激勵(lì)到被接收，有一段在結(jié)構(gòu)中傳播的時(shí)間，這段時(shí)間理論上表現(xiàn)在接收信號(hào)中就是一段幅值為0的信號(hào)段.由于實(shí)際環(huán)境中噪聲、信號(hào)干擾的影響，實(shí)際這段信號(hào)的幅值通常不為0.但信號(hào)噪聲通常頻率相對(duì)較低，Lamb波為高頻激勵(lì)信號(hào)，可以通過(guò)濾波去除噪聲.這個(gè)信號(hào)段在計(jì)算信號(hào)相關(guān)系數(shù)時(shí)因?yàn)椴粩y帶任何與結(jié)構(gòu)有關(guān)的信息，可以被認(rèn)為是無(wú)關(guān)信號(hào).同理，Lamb波傳播到邊界或者其他傳感器時(shí)， Lamb波的模態(tài)會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，甚至出現(xiàn)信號(hào)混疊等現(xiàn)象，較為復(fù)雜，難以處理.因此這段信號(hào)對(duì)于計(jì)算信號(hào)相關(guān)系數(shù)是不利的，也是無(wú)關(guān)的.所以，實(shí)際的有效信號(hào)段就是在檢測(cè)范圍內(nèi)，從接收傳感器接收到Lamb波到接收傳感器接收完Lamb波的這段信號(hào).也就是接收傳感器在采集時(shí)間內(nèi)采集到的信號(hào)去掉無(wú)關(guān)信號(hào)后，截取出來(lái)的信號(hào).這段有效信號(hào)包含了Lamb波在無(wú)損結(jié)構(gòu)中傳播的信號(hào)和結(jié)構(gòu)遇到損傷時(shí)的散射信號(hào).

當(dāng)以較短的信號(hào)段參與損傷指標(biāo)的計(jì)算時(shí)，距離激勵(lì)傳感器較遠(yuǎn)的接收傳感器接收到的信號(hào)中可能會(huì)缺失一部分有效信號(hào)；若以較長(zhǎng)的信號(hào)段參與損傷指標(biāo)的計(jì)算，距離激勵(lì)傳感器較近的接收傳感器接收到的信號(hào)中可能會(huì)包含較多的無(wú)關(guān)信號(hào).因此，信號(hào)段長(zhǎng)度過(guò)短或者過(guò)長(zhǎng)都不利于基于信號(hào)相關(guān)系數(shù)的損傷指標(biāo)的計(jì)算.信號(hào)中攜帶結(jié)構(gòu)損傷信息的有效信號(hào)越多，得出的信號(hào)相關(guān)系數(shù)就越有效，損傷指標(biāo)也就越準(zhǔn)確.接收傳感器在接收到Lamb波之前采集到的信號(hào)和從邊界反射回來(lái)的信號(hào)都屬于無(wú)關(guān)信號(hào)，這種無(wú)關(guān)信號(hào)越少，對(duì)損傷指標(biāo)的不利影響也就越小.采用等長(zhǎng)度信號(hào)段來(lái)得到損傷指標(biāo)時(shí)，改變信號(hào)段的長(zhǎng)度，就會(huì)改變參與計(jì)算的信號(hào)段中的有效信號(hào)段和無(wú)關(guān)信號(hào)段的長(zhǎng)度，使得基于信號(hào)相關(guān)系數(shù)的損傷指標(biāo)發(fā)生改變，損傷識(shí)別結(jié)果中將有可能出現(xiàn)損傷識(shí)別虛假和識(shí)別不明顯的現(xiàn)象.針對(duì)等長(zhǎng)度信號(hào)段參與計(jì)算的不足，提出了一種有效信號(hào)段自提取的算法.

該有效信號(hào)段自提取算法的提取關(guān)鍵參數(shù)就是接收傳感器接收到Lamb波的時(shí)刻和完全接收完不包括邊界和其他傳感器反射的Lamb波的時(shí)刻.因此在傳感器布置時(shí)，應(yīng)考慮傳感器之間的距離和傳感器與邊界的距離，即要求速度最快的S0波從激勵(lì)傳感器出發(fā)，經(jīng)邊界或相鄰傳感器反射到接收傳感器所需的時(shí)間盡可能地多于速度最慢的A0波從出發(fā)到接收完全所需要的時(shí)間.根據(jù)Lamb波在結(jié)構(gòu)的傳播速度，結(jié)合壓電傳感器之間的距離，計(jì)算速度最快的S0波從出發(fā)到剛接收所需要的時(shí)間，轉(zhuǎn)化為相對(duì)應(yīng)的信號(hào)采集點(diǎn)數(shù)m1，計(jì)算速度最慢的A0波從出發(fā)到剛接收所需要的時(shí)間，轉(zhuǎn)化為相對(duì)應(yīng)的信號(hào)采集點(diǎn)數(shù)m2，并補(bǔ)償Lamb波的波寬長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的信號(hào)采集點(diǎn)數(shù)n，為減小誤差，乘以一個(gè)放大倍數(shù)q.對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行截?cái)嗵幚恚崛〕鲇行盘?hào)段.提取過(guò)程如下：從信號(hào)段第m1個(gè)點(diǎn)數(shù)作為起點(diǎn)，從信號(hào)段第(m2+q×n)個(gè)點(diǎn)數(shù)作為終點(diǎn)，起點(diǎn)至終點(diǎn)的這段信號(hào)段就是有效信號(hào)段，有效信號(hào)段長(zhǎng)度num=m2+q×n-m1+1，如圖1所示.

圖1 有效信號(hào)段的提取

2 損傷指標(biāo)

由于Lamb波信號(hào)經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)損傷時(shí)發(fā)生散射和能量衰減，信號(hào)幅值會(huì)發(fā)生明顯的改變，通過(guò)比較結(jié)構(gòu)在發(fā)生損傷前后的Lamb波信號(hào)，就能確定幅值的變化量，進(jìn)而判斷出結(jié)構(gòu)中是否存在損傷[11-12].另一種處理方法則是對(duì)Lamb波信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析，把時(shí)域內(nèi)的Lamb波信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域或者時(shí)頻域內(nèi)的特征進(jìn)行分析，提取出的幅值變化量就作為損傷因子[13-14].本文利用損傷發(fā)生前后的信號(hào)幅值的相關(guān)系數(shù)作為損傷的判斷依據(jù)來(lái)判斷損識(shí)別傷和損傷成像.

某條路徑采集到的損傷前后的信號(hào)段經(jīng)截?cái)嗵幚砗蠓謩e用a和b表示，ρ表示信號(hào)a和b的相關(guān)系數(shù)，對(duì)于離散信號(hào)，ρ可表示為

(1)

因此DI的數(shù)值越大，則該路徑損傷前后的信號(hào)相關(guān)性越小，損傷位置范圍就越大.

3 損傷成像算法

在RAPID成像算法基礎(chǔ)上，引進(jìn)圖像增強(qiáng)因子以提高損傷區(qū)域與無(wú)損傷區(qū)域的對(duì)比度.然后根據(jù)每個(gè)激勵(lì)-接收路徑的損傷指標(biāo)，計(jì)算整個(gè)結(jié)構(gòu)內(nèi)每個(gè)像素點(diǎn)存在損傷的概率疊加.

(2)

式中:下標(biāo)ai為激勵(lì)壓電傳感器;下標(biāo)si為接收壓電傳感器.

圖2 激勵(lì)-接收路徑示意

當(dāng)激勵(lì)-接收路徑距離損傷較近時(shí)，該路徑計(jì)算得出的損傷指標(biāo)DI就會(huì)較大，距離越遠(yuǎn)的則越小.由于環(huán)境的影響，在不存在損傷的路徑上，損傷發(fā)生前后采集到的信號(hào)也存在較小差異，使得DI較小，而靠近損傷的路徑的DI則會(huì)很大.算法以DI的最大值的0.2倍為閾值，低于閾值的認(rèn)為該路徑距離損傷較遠(yuǎn)，將該路徑的DI置為0.用這種方法對(duì)先前計(jì)算的DI進(jìn)行修正，然后將修正后的DI用于損傷成像算法的計(jì)算.

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)布置

基于Lamb波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法可以應(yīng)用于大型金屬板狀結(jié)構(gòu)范圍廣、距離長(zhǎng)的損傷監(jiān)測(cè)[15-16].根據(jù)結(jié)構(gòu)的大小，可以布置M行N列的傳感器陣列，將較大的檢測(cè)區(qū)域分割成若干子區(qū)域.一個(gè)子區(qū)域就是一個(gè)基本檢測(cè)單元，在基本檢測(cè)單元內(nèi)對(duì)損傷進(jìn)行檢測(cè)和識(shí)別.在本文的研究中，以2行3列共6個(gè)壓電傳感器組成的區(qū)域作為一個(gè)獨(dú)立的基本檢測(cè)單元.

實(shí)驗(yàn)采用無(wú)錫海鷹企業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司的P51型壓電傳感器，壓電傳感器直徑為10mm，厚度為2mm，實(shí)驗(yàn)件為1 000mm×1 000mm×5mm的金屬鋁板.在鋁板上粘貼第1個(gè)壓電傳感器，編號(hào)為1，粘貼位置定為坐標(biāo)原點(diǎn)(0,0).在平板上共布置9個(gè)壓電傳感器(編號(hào)1～9)，組成3×3的正方形陣列.相鄰兩個(gè)壓電傳感器之間水平、垂直距離均為150mm.傳感器陣列距離右邊邊界200mm，距離上方和下方邊界均為350mm，距離左邊邊界500mm，如圖3所示.編號(hào)為1、2、3、4、5、6的壓電傳感器組成的長(zhǎng)方形區(qū)域作為第1個(gè)基本檢測(cè)單元，編號(hào)為4、5、6、7、8、9的壓電傳感器組成的長(zhǎng)方形區(qū)域作為第2個(gè)基本檢測(cè)單元.

圖3 壓電傳感器的布置

實(shí)驗(yàn)布置如圖4所示，激勵(lì)信號(hào)采用中心頻率為250kHz的調(diào)制五波峰窄帶波，激勵(lì)信號(hào)由NIPXI5441任意波形發(fā)生器產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)KH7602M寬帶型功率放大器放大，進(jìn)而激勵(lì)壓電傳感器產(chǎn)生Lamb波.NITB2605 多路復(fù)合接線盒作為一個(gè)自動(dòng)切換通道的開(kāi)關(guān)，自動(dòng)選擇每個(gè)壓電傳感器作為激勵(lì).響應(yīng)信號(hào)通過(guò)NIPXI5105數(shù)據(jù)采集卡由其他壓電傳感器接收.NIPXI-1042Ω機(jī)箱集合了NIPXI5441任意波形發(fā)生器、NITB2605 多路復(fù)合接線盒和NIPXI5105數(shù)據(jù)采集卡.采樣頻率設(shè)置為10MHz.中心頻率為250kHz時(shí)的Lamb波的A0波群速度3 083m/s，S0波的群速度為4 745m/s.

圖4 實(shí)驗(yàn)布置

信號(hào)采集流程如下：對(duì)1號(hào)壓電傳感器進(jìn)行激勵(lì)，2～6號(hào)壓電傳感器接收信號(hào)；激勵(lì)2號(hào)壓電傳感器，3～6號(hào)壓電傳感器接收信號(hào)；信號(hào)的激勵(lì)、采集只在一個(gè)單元內(nèi)進(jìn)行.共采集2個(gè)單元內(nèi)的信號(hào).

按照先前提出的有效信號(hào)段自提取算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，將提取出的有效信號(hào)段應(yīng)用于損傷成像算法.損傷成像算法中的控制激勵(lì)-接收路徑影響范圍的尺度因子參數(shù)β取1.02；圖像增強(qiáng)因子α取10.放大倍數(shù)q取1.2，采用吸波膠模擬結(jié)構(gòu)損傷.

圖5給出了路徑1-4采集到的原始信號(hào)和提取出的有效信號(hào).1號(hào)傳感器激勵(lì)時(shí)，4號(hào)傳感器接收到S0波和A0波所需的時(shí)間分別為31.6、48.6μs，時(shí)間轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的采集點(diǎn)數(shù)分別為316、486個(gè)點(diǎn).此時(shí)，剛采集到A0波為第486個(gè)點(diǎn)，補(bǔ)償?shù)狞c(diǎn)數(shù)為250.0×1.2，等于300個(gè)點(diǎn)，即信號(hào)段的末尾為第786個(gè)點(diǎn).因此提取出的路徑1-4有效信號(hào)段的起始點(diǎn)為第316個(gè)點(diǎn)，結(jié)束點(diǎn)為第786個(gè)點(diǎn).如圖5所示，圖5中方框所圍的信號(hào)部分就是提取出的有效信號(hào).根據(jù)同樣的方法提取出的路徑1-5有效信號(hào)段的起始點(diǎn)為第447個(gè)點(diǎn)，結(jié)束點(diǎn)為第988個(gè)點(diǎn).提取出的路徑1-6有效信號(hào)段的起始點(diǎn)為第707個(gè)點(diǎn)，結(jié)束點(diǎn)為第1 388個(gè)點(diǎn).

圖5 路徑1-4采集到的原始信號(hào)和提取出的有效信號(hào)

4.2 雙損傷識(shí)別

以4-9號(hào)傳感器組成的基本檢測(cè)單元為例分析對(duì)比實(shí)驗(yàn)中信號(hào)段長(zhǎng)度的確定方法.

4號(hào)傳感器激勵(lì)時(shí)，7號(hào)傳感器接收到S0波和A0波所需的時(shí)間分別為31.6、48.6μs，時(shí)間轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的采集點(diǎn)數(shù)分別為316、486個(gè)點(diǎn).以4號(hào)與7號(hào)傳感器之間的距離來(lái)確定第1段參與計(jì)算的信號(hào)段長(zhǎng)度.此時(shí)，剛采集到A0波為第486個(gè)點(diǎn)，補(bǔ)償?shù)狞c(diǎn)數(shù)為250.0×1.2，等于300個(gè)點(diǎn)，即信號(hào)段的末尾為第786個(gè)點(diǎn)，實(shí)際參與計(jì)算取第800個(gè)點(diǎn).因此，該段信號(hào)段確定如下：第301個(gè)點(diǎn)為起始點(diǎn)，第800個(gè)點(diǎn)為結(jié)束點(diǎn)，信號(hào)段長(zhǎng)度為500個(gè)點(diǎn).

4號(hào)傳感器激勵(lì)時(shí)，8號(hào)傳感器接收到S0波和A0波的相應(yīng)點(diǎn)數(shù)為第447個(gè)點(diǎn)、第688個(gè)點(diǎn).考慮到4號(hào)傳感器與7號(hào)傳感器之間的距離，不能遺漏掉該段距離有效的信號(hào)段，因此該段信號(hào)段確定如下：第301個(gè)點(diǎn)為起始點(diǎn)，第1 000個(gè)點(diǎn)為結(jié)束點(diǎn)，信號(hào)段長(zhǎng)度為700個(gè)點(diǎn).

4號(hào)傳感器激勵(lì)時(shí)，9號(hào)傳感器接收到S0波和A0波的相應(yīng)點(diǎn)數(shù)為第707個(gè)點(diǎn)、第1 088個(gè)點(diǎn).該段信號(hào)段確定如下：第301個(gè)點(diǎn)為起始點(diǎn)，第1 400個(gè)點(diǎn)為結(jié)束點(diǎn)，信號(hào)段長(zhǎng)度為1 100個(gè)點(diǎn).

同時(shí)，為了考察無(wú)關(guān)信號(hào)的長(zhǎng)度對(duì)損傷成像的影響，選取了第301個(gè)點(diǎn)為起始點(diǎn)，信號(hào)段長(zhǎng)度分別為1 400、2 200、2 700個(gè)點(diǎn)的信號(hào)段參與損傷成像.

在鋁板上粘貼兩個(gè)模擬損傷.損傷點(diǎn)位置如圖6所示.一處模擬損傷位于主要路徑1-6、2-4的直接路徑上，次要路徑1-5的間接路徑上；另一處模擬損傷位于主要路徑4-9、6-8的直接路徑上.

圖6 雙損傷位置

4.2.1 等長(zhǎng)度信號(hào)段應(yīng)用于雙損傷識(shí)別

現(xiàn)采用等長(zhǎng)度信號(hào)段計(jì)算信號(hào)相關(guān)系數(shù)的方法來(lái)識(shí)別損傷.

將長(zhǎng)度分別為500個(gè)點(diǎn)(第301個(gè)點(diǎn)為起始點(diǎn)，第800個(gè)點(diǎn)為結(jié)束點(diǎn))、700個(gè)點(diǎn)(第301個(gè)點(diǎn)為起始點(diǎn)，第1 000個(gè)點(diǎn)為結(jié)束點(diǎn))、1 100個(gè)點(diǎn)(第301個(gè)點(diǎn)為起始點(diǎn)，第1 400個(gè)點(diǎn)為結(jié)束點(diǎn))的信號(hào)段參與雙損傷成像比較.

如圖7(a)所示，當(dāng)信號(hào)段長(zhǎng)度為500個(gè)點(diǎn)時(shí)，主要路徑1-6、4-9的DI較大，主要路徑2-4，6-8的DI次之，無(wú)損傷的路徑3-4的DI大致等于主要路徑2-4的DI.如圖7(b)所示，當(dāng)信號(hào)段長(zhǎng)度為700個(gè)點(diǎn)時(shí)，主要路徑2-4、6-8的DI略微增長(zhǎng)，主要路徑1-6的DI減小，路徑3-4、主要路徑4-9的DI減小明顯.如圖7(c)所示，當(dāng)信號(hào)段長(zhǎng)度增加到1 100個(gè)點(diǎn)時(shí)，隨著路徑4-9的有效信號(hào)段長(zhǎng)度增加，DI增大明顯，路徑1-6、2-4都有不同程度的增大.

圖7 信號(hào)段長(zhǎng)度分別為500、700、1 100個(gè)點(diǎn)時(shí)的DI

如圖8(a)所示，因?yàn)闊o(wú)損傷的路徑3-4的DI大致等于主要路徑2-4的DI，所以最終成像結(jié)果中出現(xiàn)路徑1-6與路徑3-4的虛假損傷，并且成像結(jié)果較暗淡，不清晰.當(dāng)信號(hào)段包含的有效信號(hào)長(zhǎng)度增加時(shí)，損傷所在的主要路徑的DI總體都有所增加，損傷位置識(shí)別的比先前更明顯，消除了虛假損傷，但還是有一個(gè)損傷不太明顯.

圖8 信號(hào)段長(zhǎng)度分別為500、700、1 100個(gè)點(diǎn)時(shí)的損傷成像

因此，有效信號(hào)段的長(zhǎng)度太小時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致成像圖中出現(xiàn)實(shí)際不存在的損傷，且有的損傷不明顯，不易觀察到.隨著有效信號(hào)段長(zhǎng)度的增加，成像效果會(huì)隨之改善，但仍有可能出現(xiàn)損傷成像不明顯的現(xiàn)象.這是因?yàn)樾盘?hào)段長(zhǎng)度的增加，會(huì)不同程度地影響各個(gè)DI，進(jìn)而影響成像結(jié)果.

將長(zhǎng)度分別為1 400個(gè)點(diǎn)(第301個(gè)點(diǎn)為起始點(diǎn)，第1 700個(gè)點(diǎn)為結(jié)束點(diǎn))、2 200個(gè)點(diǎn)(第301個(gè)點(diǎn)為起始點(diǎn)，第2 500個(gè)點(diǎn)為結(jié)束點(diǎn))、2 700個(gè)點(diǎn)(第301個(gè)點(diǎn)為起始點(diǎn)，第3 000個(gè)點(diǎn)為結(jié)束點(diǎn))的信號(hào)段參與雙損傷成像比較.

如圖9所示，隨著信號(hào)段長(zhǎng)度逐漸增加，信號(hào)段中無(wú)關(guān)信號(hào)段長(zhǎng)度也隨之增加，主要路徑上1-6和路徑4-9的DI都有所增加.

圖9 信號(hào)段長(zhǎng)度分別為1 400、2 200、2 700個(gè)點(diǎn)時(shí)的DI

如圖10所示，損傷明亮程度隨著信號(hào)段長(zhǎng)度的增加先增強(qiáng)，后減弱，成像結(jié)果先由壞轉(zhuǎn)好，再由好轉(zhuǎn)壞，這是因?yàn)闊o(wú)關(guān)信號(hào)段的長(zhǎng)度增加影響了DI，最終影響了成像效果.

圖10 信號(hào)段長(zhǎng)度分別為1 400、2 200、2 700個(gè)點(diǎn)時(shí)的損傷成像

因此，適當(dāng)?shù)脑黾訜o(wú)關(guān)信號(hào)段的長(zhǎng)度會(huì)改善成像效果，但若是增加太多的無(wú)關(guān)信號(hào)，會(huì)導(dǎo)致成像中的個(gè)別損傷暗淡，效果不明顯.

4.2.2 自提取有效信號(hào)段應(yīng)用于雙損傷識(shí)別

現(xiàn)采用有效信號(hào)段自提取算法計(jì)算信號(hào)相關(guān)系數(shù)的方法來(lái)識(shí)別損傷.

利用有效信號(hào)段自提取算法提取出的路徑1-4有效信號(hào)段的起始點(diǎn)為第316個(gè)點(diǎn)，結(jié)束點(diǎn)為第786個(gè)點(diǎn).提取出的路徑1-5有效信號(hào)段的起始點(diǎn)為第447個(gè)點(diǎn)，結(jié)束點(diǎn)為第988個(gè)點(diǎn).提取出的路徑1-6有效信號(hào)段的起始點(diǎn)為第707個(gè)點(diǎn)，結(jié)束點(diǎn)為第1 388個(gè)點(diǎn).在不同激勵(lì)-接收路徑采用不同長(zhǎng)度的有效信號(hào)段計(jì)算信號(hào)相關(guān)系數(shù)，并得到損傷指標(biāo).

觀察圖11，主要路徑1-6、4-9的DI最大，主要路徑2-4、6-8的DI次之，次要路徑1-3的DI與主要路徑6-8的DI差不多，無(wú)關(guān)路徑的DI普遍較小，充分利用了有效信號(hào)段增大DI的優(yōu)勢(shì)，剔除了無(wú)關(guān)信號(hào)段對(duì)DI的不利影響.

如圖12所示，應(yīng)用自提取有效信號(hào)段參與損傷識(shí)別的成像圖對(duì)損傷的識(shí)別效果較好，不需要人工選擇信號(hào)段的長(zhǎng)度，既可避免出現(xiàn)虛假損傷，又能避免出現(xiàn)另一損傷隱約可見(jiàn)的不理想效果，可以不受干擾、自動(dòng)地識(shí)別出損傷，并清晰地顯示出來(lái).

圖11 雙損傷時(shí)的損傷指標(biāo)柱狀

圖12 雙損傷成像圖與實(shí)際損傷圖對(duì)比

5 結(jié) 論

1)提出了一種有效信號(hào)段自提取的算法，并結(jié)合區(qū)域分割方法，改進(jìn)了成像算法，增強(qiáng)了成像效果，使得不會(huì)出現(xiàn)虛假損傷和遺漏真實(shí)損傷的現(xiàn)象，不再需要人為地選擇參與計(jì)算的信號(hào)段長(zhǎng)度，避免了人工操作對(duì)損傷識(shí)別結(jié)果帶來(lái)的不利影響.

2)能依據(jù)基本檢測(cè)單元內(nèi)的6個(gè)傳感器組成的檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)確識(shí)別出每個(gè)單元內(nèi)的單個(gè)損傷，并利用損傷成像算法將分布在不同基本檢測(cè)單元內(nèi)的多個(gè)損傷位置成像出來(lái)，直觀明了地顯示出多個(gè)損傷的位置.

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(編輯 張 紅)

Identification of structural multiple damage locations using an effective signal automatic extraction algorithm

OUYANG Qinghua, ZHOU Li, LIU Xiaotong

(State Key Laboratory of Mechanics and Control of Mechanical Structures (Nanjing University of Aeronautics & Astronautics), Nanjing 210016, China)

To identify multiple damage locations in the structure, a method of multiple damage locations identification and imaging was proposed. In this method, the damage index is calculated by using an effective Lamb wave response automatic extraction algorithm. The detected key area in the structure is divided into several subregions, and the effective response signals containing the structural damage information are automatically extracted from the entire Lamb wave responses received by the piezoelectric sensors. Subsequently, the damage indexes of every subregion based on the correlation coefficient are evaluated by using the effective Lamb wave response automatic extraction algorithm. Eventually, the damage locations identification and imaging are performed using the reconstruction algorithm for probabilistic inspection of damage (RAPID). The experimental verification research is conducted using an aeronautic aluminum plate. The experimental results show that the method proposed in this research is capable of identifying multiple damage locations quickly and effectively, as well as imaging the damages in detected area clearly.

structural health monitoring; piezoelectric sensor; Lamb wave; correlation coefficient; multiple damage identification; damage imaging

10.11918/j.issn.0367-6234.201509047

2015-09-12

國(guó)家自然科學(xué)基金(11172128,51475228);高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20123218110001);機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京航空航天大學(xué))自主研究課題資助(0515G01)

歐陽(yáng)青華(1990—)，男，碩士研究生; 周 麗(1963—)，女，教授，博士生導(dǎo)師

周 麗，lzhou@nuaa.edu.cn

TP212.13

A

0367-6234(2017)04-0035-07