綦磊，孫立臣，朱嶠，閆榮鑫，孟冬輝，王勇

?

基于Lamb波結(jié)構(gòu)損傷診斷的邊界反射效應(yīng)控制方法

綦磊1，孫立臣1，朱嶠2，閆榮鑫1，孟冬輝1，王勇1

（1. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094；2. 上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240）

提出一種基于Lamb波結(jié)構(gòu)損傷診斷技術(shù)的邊界反射效應(yīng)控制方法。首先利用結(jié)構(gòu)幾何形狀的對(duì)稱性，合理設(shè)計(jì)STMR陣列的布置形式和信號(hào)收發(fā)策略；然后通過(guò)將對(duì)稱位置獲得的傳感信號(hào)相減，來(lái)消除邊界反射效應(yīng)對(duì)損傷診斷結(jié)果的影響，從而實(shí)現(xiàn)邊界附近損傷和缺陷的準(zhǔn)確識(shí)別檢測(cè)。仿真分析結(jié)果表明：該方法不僅可提高結(jié)構(gòu)損傷診斷的精度，有效克服目前基于Lamb波的結(jié)構(gòu)損傷診斷技術(shù)存在檢測(cè)盲區(qū)的缺陷，而且操作簡(jiǎn)單，不需要進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算，因而在實(shí)際工程應(yīng)用中具有更好的發(fā)展前景。

STMR陣列；損傷診斷；邊界反射效應(yīng)；Lamb波

0 引言

近年來(lái)，隨著對(duì)航天器尤其載人航天器安全問(wèn)題的日益關(guān)注，對(duì)其結(jié)構(gòu)的“健康”實(shí)時(shí)評(píng)估已越來(lái)越受到重視，特別是無(wú)損的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)（structural health monitoring, SHM）技術(shù)在航天器安全保障和在軌維護(hù)方面的應(yīng)用[1-2]。SHM技術(shù)是基于波傳播的損傷診斷技術(shù)，以結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能分析為基礎(chǔ)，具有全局化、智能化、操作要求低等優(yōu)點(diǎn)[3-6]，廣受國(guó)內(nèi)外學(xué)者的青睞。

對(duì)于航天器艙體結(jié)構(gòu)中最為常見(jiàn)的板、殼構(gòu)件而言，Lamb波[7]由于具備多模式的固有特征和長(zhǎng)距離穩(wěn)定傳播的特性，是一種常見(jiàn)的波傳播損傷診斷技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)及損傷診斷[8-10]?；贚amb波的傳播，Wilcox最早提出了一種全周向的環(huán)形相控陣列，用來(lái)對(duì)板狀結(jié)構(gòu)中的損傷進(jìn)行識(shí)別和定位檢測(cè)[11]。對(duì)于這種單發(fā)射-多接收（single transmitter multi receiver, STMR）的換能器陣列布置形式，不僅Lamb波的信號(hào)收發(fā)策略相對(duì)簡(jiǎn)單，同時(shí)只需要較小的表面布置區(qū)域就能夠覆蓋較大的監(jiān)測(cè)/檢測(cè)范圍，甚至可以實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)整體全方位的損傷準(zhǔn)確診斷。隨著進(jìn)一步的發(fā)展，基于STMR陣列而發(fā)展的實(shí)時(shí)成像技術(shù)已經(jīng)可以在三維層面上同時(shí)表征損傷或缺陷的存在、位置以及相對(duì)大小程度[12-14]。但值得注意的是，該方法在實(shí)際工程的應(yīng)用過(guò)程中仍然存在一些問(wèn)題亟待解決：1）當(dāng)損傷發(fā)生在較為靠近結(jié)構(gòu)邊角附近的區(qū)域時(shí)，由于邊界反射的Lamb波包的幅值相比于損傷反射波包大很多，故而損傷反射信號(hào)就會(huì)被邊界反射信號(hào)所掩蓋，從而無(wú)法對(duì)損傷實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的診斷識(shí)別；2）該方法損傷診斷結(jié)果的周向定位精度會(huì)隨著STMR環(huán)形陣列半徑的減小而降低，這對(duì)于實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中那些要求換能器陣列布置范圍較小的情形來(lái)說(shuō)存在一定的局限。

為了解決上述問(wèn)題，本文基于波傳播信號(hào)的“對(duì)稱相消”原理，利用航天器艙體結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)加筋薄板構(gòu)件幾何形狀的對(duì)稱性，通過(guò)合理設(shè)計(jì)PZT壓電陶瓷的陣列布置形式及相應(yīng)的信號(hào)收發(fā)策略，提出一種改進(jìn)的基于Lamb波損傷診斷技術(shù)邊界反射效應(yīng)的有效控制方法，并通過(guò)數(shù)值模擬仿真進(jìn)行驗(yàn)證。

1 基本理論

1.1 基于STMR陣列的薄板結(jié)構(gòu)損傷診斷原理

基于STMR環(huán)形陣列的薄板結(jié)構(gòu)損傷診斷原理如圖1所示。12個(gè)傳感器按時(shí)鐘位置均勻地布置在啟動(dòng)器（E）的外圍某圓周上。啟動(dòng)器發(fā)射的Lamb波包經(jīng)結(jié)構(gòu)邊界反射之前會(huì)有2條路徑傳輸至傳感器，即直接傳輸（圖1(a)中紅色路徑）和經(jīng)損傷反射或折射之后傳輸（圖1(a)中綠色路徑），而傳感器相應(yīng)的接收信號(hào)也分別如圖1(b)中的紅色部分和綠色部分所示。

令啟動(dòng)器所在位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，則Lamb波包經(jīng)損傷反射傳輸至傳感器的時(shí)間eds可以表示為

式中：ed和ds分別為啟動(dòng)器與損傷位置以及損傷位置與傳感器之間的距離；Lamb為L(zhǎng)amb波激勵(lì)信號(hào)中心頻率對(duì)應(yīng)的群速度；(d,d)和(s,s)分別為損傷處和傳感器的位置坐標(biāo)。

于是，利用式(1)得到的損傷反射信號(hào)傳播時(shí)間eds可以從傳感器的接收信號(hào)中提取由損傷反射所致的Lamb波包eds,k，即

eds,k=S(eds,eds+win)，=1, 2, …, 12， (2)

式中：S為第號(hào)傳感器的接收信號(hào)；win為原始Lamb波包的時(shí)間寬度。

進(jìn)一步根據(jù)式(2)提取得到的損傷反射Lamb波包，對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換，則對(duì)應(yīng)于第號(hào)傳感器的損傷指標(biāo)（damage index, DI）可表示為

=1, 2, …, 12， (3)

式中：c為原始激勵(lì)信號(hào)的中心頻率；FFT表示快速傅里葉變換；()為窗函數(shù)，通常選擇能量較為集中在主瓣的諸如漢寧窗函數(shù)、高斯窗函數(shù)等。

依次對(duì)STMR陣列中所有傳感器重復(fù)進(jìn)行式(1)～式(3)的損傷因子提取過(guò)程并求和，即可得到整個(gè)STMR陣列對(duì)應(yīng)于損傷位置(d,d)的診斷因子（diagnostic factor, DF），即

由于在實(shí)際診斷過(guò)程中并不知道損傷位置(d,d)，所以需要預(yù)先設(shè)置具有一定密度覆蓋整個(gè)薄板表面的檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)STMR陣列中傳感器的接收信號(hào)逐點(diǎn)計(jì)算相應(yīng)的DF值；將所有檢測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的DF值立體映射到三維坐標(biāo)系中，即可得到結(jié)構(gòu)整體的損傷診斷圖像?？梢灶A(yù)見(jiàn)，損傷或缺陷產(chǎn)生區(qū)域所對(duì)應(yīng)的DF值由于反射波包信號(hào)的影響，將會(huì)比其他無(wú)損區(qū)域?qū)?yīng)的DF值高，反映在損傷診斷圖像上即出現(xiàn)奇異峰值。

1.2 邊界反射效應(yīng)的有效控制

雖然DF值的大小可以直觀反映結(jié)構(gòu)損傷的具體信息，但啟動(dòng)器發(fā)射的Lamb波信號(hào)不僅在遇到損傷時(shí)會(huì)發(fā)生反射，結(jié)構(gòu)的邊界也會(huì)反射Lamb波，而且邊界反射的波信號(hào)強(qiáng)度通常要遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)損傷的，這就使得當(dāng)損傷發(fā)生在較為靠近結(jié)構(gòu)邊角區(qū)域時(shí)，傳感器測(cè)得其反射信號(hào)會(huì)被結(jié)構(gòu)邊界的反射信號(hào)所掩蓋，相應(yīng)提取的DF值也會(huì)失真，從而可能導(dǎo)致誤診斷的發(fā)生。模擬在0.8m×0.8m×0.002m的方形鋁板幾何中心位置布置環(huán)形STMR陣列，以啟動(dòng)器位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，在(0.3, 0.3)（坐標(biāo)數(shù)值單位均為m，以下同）位置設(shè)置一個(gè)大小為6mm×1mm的穿透損傷，與啟動(dòng)器之間的直線距離約為0.424m，大于結(jié)構(gòu)邊界與啟動(dòng)器之間的最短直線距離，位于9點(diǎn)鐘位置的傳感器接收信號(hào)如圖2所示。從圖中可以看出，損傷反射的Lamb波信號(hào)已經(jīng)完全被淹沒(méi)在結(jié)構(gòu)邊界反射信號(hào)中，無(wú)法予以識(shí)別判斷。因此在結(jié)構(gòu)損傷診斷的應(yīng)用過(guò)程中，常規(guī)STMR陣列的有效檢測(cè)區(qū)域被限定在一定范圍內(nèi)，如圖1中灰色部分所示，而該區(qū)域范圍之外的鋁板表面對(duì)于目前已有的損傷診斷成像技術(shù)來(lái)說(shuō)相當(dāng)于檢測(cè)盲區(qū)。

為了有效解決上述問(wèn)題，本文提出一種基于“對(duì)稱相消”原理改進(jìn)的STMR陣列布置形式及信號(hào)收發(fā)策略，來(lái)實(shí)現(xiàn)加筋薄板構(gòu)件損傷診斷過(guò)程中邊界反射效應(yīng)的有效控制；并結(jié)合目前應(yīng)用廣泛的新型智能材料——PZT壓電陶瓷，進(jìn)一步運(yùn)用Abaqus有限元仿真軟件進(jìn)行模擬驗(yàn)證。

圖3所示的是改進(jìn)的基于“對(duì)稱相消”原理的PZT陣列布置。針對(duì)航天器艙體結(jié)構(gòu)中具有幾何對(duì)稱的加筋薄板構(gòu)件，采用PZT壓電陶瓷傳感器以7×7矩形陣列來(lái)取代之前的環(huán)形陣列，同時(shí)將加筋薄板構(gòu)件幾何中心作為PZT陣列的布置中心（即圖3所示第25號(hào)PZT的布置位置），這樣就使得薄板的對(duì)稱軸與PZT陣列的對(duì)稱軸相重合。

若將圖3中第25號(hào)PZT作為啟動(dòng)器發(fā)射波信號(hào)，取布置在對(duì)稱軸兩側(cè)對(duì)稱位置處的2片PZT作為“對(duì)稱傳感組”（例如橫向?qū)ΨQ分布的1號(hào)和7號(hào)，縱向?qū)ΨQ分布的1號(hào)和43號(hào)），由于結(jié)構(gòu)及PZT陣列的對(duì)稱性，則測(cè)得經(jīng)結(jié)構(gòu)邊界反射回來(lái)的波信號(hào)應(yīng)該是相同的；然而，如圖3所示，因損傷發(fā)生位置與“對(duì)稱傳感組”中2片PZT之間的距離不同，也會(huì)導(dǎo)致測(cè)得經(jīng)損傷反射回來(lái)的波信號(hào)有所差別?；诖?，考慮將2片PZT測(cè)得的信號(hào)相減，就可以消去其中相同的邊界反射成分（包括對(duì)稱模態(tài)(S)和反對(duì)稱模態(tài)(A)），同時(shí)又得以保留接收信號(hào)中的損傷反射部分；再進(jìn)一步運(yùn)用式(1)～式(4)所述成像算法來(lái)構(gòu)建結(jié)構(gòu)整體的損傷診斷圖像，從而可以消除檢測(cè)盲區(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)損傷診斷過(guò)程中邊界效應(yīng)的有效控制。

為了給出較為直觀的解釋說(shuō)明，同樣如圖3所示，模擬0.8m×0.8m、厚0.002m的方形鋁板，在其表面布置STMR7×7矩形陣列，使位于陣列中心位置處的25號(hào)PZT位置與結(jié)構(gòu)的幾何中心位置相重合，設(shè)置大小為5mm×5mm的穿透損傷發(fā)生在(0.26, 0.12)位置。圖4分別給出了1號(hào)和7號(hào)PZT的直接測(cè)量信號(hào)以及將它們進(jìn)行“對(duì)稱相消”處理之后得到僅包含損傷位置信息的反射信號(hào)。

從圖4中可以看出，“對(duì)稱傳感組”中2片PZT由于對(duì)稱布置，故它們接收的原始信號(hào)幾乎一致；但從圖4(b)的信號(hào)局部放大圖中可以看出，損傷反射信號(hào)雖然較為微弱，但其在原始信號(hào)中所表征的損傷位置信息還是有所差異的，這與損傷發(fā)生位置和2片PZT之間距離不同的實(shí)際情況相吻合。同時(shí)，進(jìn)一步觀察可以發(fā)現(xiàn)，通過(guò)“對(duì)稱相消”信號(hào)處理，結(jié)構(gòu)邊界的反射信號(hào)和啟動(dòng)器發(fā)射激勵(lì)信號(hào)的直達(dá)成分都被消除了，從而只剩下2片PZT接收信號(hào)中分別表征損傷位置信息的部分；同時(shí)由于相對(duì)比例變化的關(guān)系，相減信號(hào)中對(duì)應(yīng)損傷反射的波包成分也得到了相對(duì)程度的放大。

注意到圖4中“對(duì)稱相消”處理之后獲得的信號(hào)同時(shí)包含了2片PZT測(cè)量信號(hào)中的損傷位置表征信息，即在目標(biāo)分析區(qū)域（激勵(lì)信號(hào)經(jīng)邊界反射返回的第1個(gè)波包到達(dá)傳感器的最大時(shí)間范圍以內(nèi)）會(huì)同時(shí)出現(xiàn)2個(gè)反射Lamb波包。雖然無(wú)法直接判斷它們分別對(duì)應(yīng)于具體哪一片PZT所表征的損傷信息，但只要對(duì)整個(gè)PZT陣列中所有“對(duì)稱傳感組”得到的相減信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析，即可進(jìn)行區(qū)分識(shí)別。以圖3中PZT陣列最外側(cè)對(duì)稱分布的14對(duì)“對(duì)稱傳感組”為例（橫向?qū)ΨQ分布和縱向?qū)ΨQ分布各7對(duì)），表1給出了其相減信號(hào)中第1個(gè)和第2個(gè)損傷反射波包的峰值對(duì)應(yīng)時(shí)間。

表1 相減信號(hào)中前兩個(gè)損傷反射波包的峰值時(shí)間

通過(guò)對(duì)比表1中損傷反射波包的峰值時(shí)間可以發(fā)現(xiàn)：以橫向?qū)ΨQ分布的7對(duì)傳感組為例，前2個(gè)波包的峰值時(shí)間隨著傳感組的分布位置逐漸向軸負(fù)方向移動(dòng)，其數(shù)值不斷增大，故可以判斷，損傷發(fā)生的位置大致位于鋁板結(jié)構(gòu)整體的上半部分；同樣，對(duì)于縱向?qū)ΨQ分布的7對(duì)傳感組而言，其得到相減信號(hào)的前2個(gè)波包峰值時(shí)間隨著傳感組的分布位置逐漸向軸正方向移動(dòng)，其數(shù)值不斷減小，故可以判斷，損傷發(fā)生的位置大致位于鋁板結(jié)構(gòu)整體的右半部分；由此，可以大致預(yù)估損傷發(fā)生的位置位于鋁板結(jié)構(gòu)整體的第一象限區(qū)域內(nèi)。

于是，可以進(jìn)一步判斷所有橫向?qū)ΨQ分布的“對(duì)稱傳感組”相應(yīng)相減信號(hào)的第1個(gè)波包對(duì)應(yīng)于STMR矩形陣列中布置在軸正方向一側(cè)的PZT，第2個(gè)波包對(duì)應(yīng)布置在軸負(fù)方向一側(cè)的PZT；所有縱向?qū)ΨQ分布的“對(duì)稱傳感組”相應(yīng)相減信號(hào)的第1個(gè)波包對(duì)應(yīng)于STMR矩形陣列中布置在軸正方向一側(cè)的PZT，第2個(gè)波包對(duì)應(yīng)布置在軸負(fù)方向一側(cè)的PZT。值得注意的是，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，該波包峰值時(shí)間與PZT對(duì)應(yīng)的判斷方法對(duì)于某些特定位置的損傷工況來(lái)說(shuō)，部分“對(duì)稱傳感組”得到相減信號(hào)的前2個(gè)波包可能會(huì)發(fā)生混疊，這就會(huì)對(duì)其區(qū)分過(guò)程造成困難，故通常只取PZT陣列中靠近損傷位置一側(cè)的半數(shù)傳感單元參與損傷診斷因子DF的計(jì)算，這樣可以有效減小甚至避免由于波包混疊而導(dǎo)致的誤差。

2 數(shù)值仿真分析

為了驗(yàn)證前文所述方法對(duì)薄板結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷診斷的可行性，以圖3所示的邊長(zhǎng)為800mm、厚為2mm的鋁質(zhì)方形薄板為例進(jìn)行數(shù)值仿真驗(yàn)證。鋁板4邊均不施加任何約束，為自由邊界條件；設(shè)其彈性模量=70GPa，密度=2700kg/m3，泊松比=0.3；選用5mm×5mm的PZT壓電陶瓷片作為啟動(dòng)器和傳感器發(fā)射并接收Lamb波信號(hào)，采用圖3中7×7的陣列布置形式，將第25號(hào)PZT設(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)，相鄰2片PZT之間的距離為15mm。

原始激勵(lì)信號(hào)采用c=100kHz、漢寧窗函數(shù)調(diào)制周期=5的正弦脈沖信號(hào)，其時(shí)域和頻域表示如圖5所示。原始激勵(lì)信號(hào)Exc()可表示為

利用Abaqus有限元仿真軟件建模時(shí)，考慮到模型計(jì)算的精確性和穩(wěn)定性條件，時(shí)間增量步長(zhǎng)選取Δ=10-7s，而單元類型采用三維實(shí)體單元C3D8R，單元大小設(shè)置為1mm。

首先，為了驗(yàn)證本文所述方法對(duì)于薄板結(jié)構(gòu)常規(guī)有效檢測(cè)區(qū)域范圍之內(nèi)的損傷能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確定位識(shí)別，模擬大小為5mm×5mm的穿透損傷發(fā)生在(0.26, 0.12)位置。圖6給出了該工況下基于診斷因子DF的實(shí)時(shí)損傷成像結(jié)果?？梢钥闯?，基于“對(duì)稱相消”PZT陣列布置形式的成像診斷算法對(duì)損傷有較高的定位檢測(cè)精度；而且改進(jìn)的STMR矩形陣列不僅可以保證損傷診斷結(jié)果周向定位精度，也有效控制了其覆蓋范圍的區(qū)域大小。

進(jìn)一步考察本文所述方法對(duì)于發(fā)生在常規(guī)有效檢測(cè)區(qū)域范圍之外損傷的識(shí)別檢測(cè)能力。分別在(0.32, 0.33)和(-0.36, 0.2)位置，模擬發(fā)生大小為5mm×5mm的穿透損傷，圖7給出了這2種工況下基于診斷因子DF的實(shí)時(shí)損傷成像結(jié)果?？梢钥闯?，成像結(jié)果的定位識(shí)別精度較高，診斷結(jié)果較為準(zhǔn)確。這表明該方法可以有效消除結(jié)構(gòu)邊界反射效應(yīng)對(duì)損傷成像診斷結(jié)果的影響，不僅克服了基于常規(guī)STMR方法中一定范圍有效檢測(cè)區(qū)域的束縛，同時(shí)也在一定程度上提高了診斷結(jié)果的周向定位精度。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于波傳播信號(hào)的“對(duì)稱相消”原理，并利用航天器艙體結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)加筋薄板構(gòu)件的對(duì)稱幾何特性，對(duì)常規(guī)的STMR陣列及相應(yīng)的信號(hào)收發(fā)策略進(jìn)行改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)損傷檢測(cè)過(guò)程中邊界反射效應(yīng)的有效控制，消除其對(duì)結(jié)構(gòu)整體成像診斷結(jié)果的影響。進(jìn)一步，結(jié)合目前應(yīng)用廣泛的新型智能材料——PZT壓電陶瓷進(jìn)行模擬仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明，本方法對(duì)于發(fā)生在常規(guī)有效檢測(cè)區(qū)域范圍之外的損傷缺陷，仍然能夠?qū)崿F(xiàn)較為準(zhǔn)確地識(shí)別定位。該方法不僅克服了基于常規(guī)STMR方法中一定范圍有效檢測(cè)區(qū)域的束縛，同時(shí)由于在信號(hào)“對(duì)稱相消”的處理過(guò)程中，損傷的反射成分得到了相對(duì)程度的放大，也在一定程度上提高了診斷結(jié)果的周向定位精度。這些改進(jìn)使得基于波傳播的結(jié)構(gòu)損傷診斷技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用具有更加廣闊的發(fā)展前景。

（References）

[1] WIESLAW S, CHRISTIAN B, GEOF T. Health monitoring of aerospace structures: smart sensor technologies and signal processing[M]. Chichester: John Wiley & Sons, 2004: 1-7

[2] 綦磊, 孫偉, 孫立臣. 非接觸式超聲泄漏檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證[J]. 航天器環(huán)境工程, 2014, 31(2): 212-216

QI L, SUN W, SUN L C. A method of non-contact ultrasonic leak detection[J].Spacecraft Environment Engineering, 2014, 31(2): 212-216

[3] DOEBLING S W, FARRAR C R, PRIME M B, et al. Damage identification and health monitoring of structural and mechanical systems from changes in their vibration characteristics: a literature review: LA-13070-MS[R]. NM: Los Alamos National Laboratory, 1996

[4] FARRAR C R, HEMEZ F M, SHUNK D D, et al. A review of structural health monitoring literature: 1996-2001[M]. NM: Los Alamos National Laboratory, 2004: 17-22

[5] FAN W, QIAO P. Vibration-based damage identification methods: a review and comparative study[J]. Structural Health Monitoring, 2011, 10(1): 83-111

[6] 朱宏平, 余璟, 張俊兵. 結(jié)構(gòu)損傷動(dòng)力檢測(cè)與健康監(jiān)測(cè)研究現(xiàn)狀與展望[J]. 工程力學(xué), 2011, 28(2): 1-11

ZHU H P, YU J, ZHANG J B. A summary review and advantages of vibration-based damage identification methods in structural health monitoring[J]. Engineering Mechanics, 2011, 28(2): 1-11

[7] LAMB H. On waves in an elastic plate[J]. Proceedings of the Royal Society of London: Series A, Containing papers of a Mathematical and Physical Character, 1917, 93(648): 114-128

[8] LESTARI W, QIAO P. Application of wave propagation analysis for damage identification in composite laminated beams[J]. Journal of Composite Materials, 2005, 39(22): 1967-1984

[9] RAGHAVAN A, CESNIK C E S. Review of guided-wave structural health monitoring[J]. Shock and Vibration Digest, 2007, 39(2): 91-116

[10] 苗曉婷. 基于導(dǎo)波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中特征提取技術(shù)與損傷識(shí)別方法的研究[D]. 上海: 上海交通大學(xué), 2011

[11] WILCOX P D. Omni-directional guided wave transducer arrays for the rapid inspection of large areas of plate structures[J]. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 2003, 50(6): 699-709

[12] RAJAGOPALAN J, BALASUBRAMANIAM K, KRISHNAMURTHY C V. A single transmitter multi-receiver (STMR) PZT array for guided ultrasonic wave based structural health monitoring of large isotropic plate structures[J]. Smart Materials and Structures, 2006, 15(5): 1190

[13] KUDELA P, OSTACHOWICZ W, ?AK A. Damage detection in composite plates with embedded PZT transducers[J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 2008, 22(6): 1327-1335

[14] LI F, PENG H, MENG G. Quantitative damage image construction in plate structures using a circular PZT array and Lamb waves[J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2014, 214: 66-73

（編輯：許京媛）

Control of boundary reflection in Lamb wave-based structural damage detection

QI Lei1, SUN Lichen1, ZHU Qiao2, YAN Rongxin1, MENG Donghui1, WANG Yong1

(1.Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China;2. School of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

A control method for the boundary reflection in the Lamb wave-based structural damage detection is presented. Firstly, a reasonable design of the STMR array form and a strategy for the signal receiving & sending are given based on the geometric symmetry of structure．Then, the signals from the symmetrical sensors are subtracted to eliminate the influence of the boundary reflection in the Lamb wave-based structural damage detection and to achieve an accurate identification of the structural damage near the border. Simulation results show that this method not only improves the accuracy of the structural damage detection but also effectively avoids the non-detection zone. This method does not involve complex numerical calculations and has good prospects for engineering applications.

STMR array; damage detection; boundary reflection effect; Lamb wave

TG115.28

A

1673-1379（2017）02-0126-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.02.003

2017-01-16；

2017-03-09

北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所基金項(xiàng)目“基于波傳播的實(shí)時(shí)智能航天器結(jié)構(gòu)損傷診斷技術(shù)”（編號(hào)：CAST-BISEE）。

綦磊（1985—），男，碩士學(xué)位，主要從事航天器結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)技術(shù)研究；E-mail: qilei@tju.edu.cn。

孫立臣（1972—），男，碩士學(xué)位，研究員，主要從事航天器總裝及密封性能測(cè)試技術(shù)研究；E-mail: sunlichen-007@163.com。

http://www.bisee.ac.cn

E-mail: htqhjgc@126.com

Tel: (010)68116407, 68116408, 68116544