声-超声技术的最初想法起源于 D. E. Egle等人的工作[1 2] 他们在致力于寻求改进表征各种声发射信号和声发射源的问题中，用各种声激励法来研究应力波模型。在其工作基础上， A. 町提出并完整归纳出应力波因子技术思想[3] 他建议用超声模拟应力波和声发射信号分析法来评价复合材料的性质和缺陷状态，这就是声·超声技术。该技术的基本思想是:采用压电换能器或者激光照射等手段在复合材料(或各向同性材料)表面激发询问脉冲应力波，与此同时再利用压电传感器在材料的同一表面的其它一个或多个地方接收应力波信号，在此基础上通过信号分析确定反映材料对于瞬间脉冲波传播效率的应力波因子(stress wave faωr SWF) [4]从而以此表征材料的机械性能的变化。该技术是受声发射技术启发而产生的，故又称声·超声技术或主动声发射技术，是结构损伤检测及完整性动态评估方面的一项新技术，特别适合于各类结构的健康监控。

因此自 20 世纪 80 年代问世以来，声-超声技术吸引了人们的极大兴趣。早期的声·超声技术研究主要集中在应力波的激励、检测和传播特性方面。随着信号分析方法的发展，人们开始采用常规或更先进的信号分析手段对应力波因子的提取、量化方法及利用应力波因子对材料损伤类型及损伤状态进行监测评价。目前，声『超声技术正由原来的静态检测走向动态监测，对象也从复合材料层板或板类结构扩展到缠绕压力容器、钢丝绳、粘接接头等多种结构。同时，人们更关注于应力波因子技术与材料的机械力学性能间的内在联系研究。

由板波理论可知[旬，声-超声技术在薄板中激发的弹性波为Lamb 波。因此，对Lamb波进行合理有效的分析，发掘出包含在Lamb 波中的关于检测对象的信息是声-超声技术应用的关键。笔者主要针对LY12α 铝板，采用信号短时均方根(S MS) 方法，对声-超声技术在铝板中激发的Lamb波的特性进行实验研究，对铝板中有无模拟损伤的情况做了对比研究和分析，以期为基于声-超声技术的结构健康监控系统研究打下基础。

1 声·超声技术中的Lamb波

Lamb波是在自由板中产生的平面应变波，在板的上下表面应力 (traction force) 为零。Lamb波具有频散特性，其速度随频率的改变而改变，群速度和相速度不相等。其波动方程是瑞利-兰姆方程[6) 表达式为

波的传播即是能量传播的过程，因此可以通过对能量的分析达到了解波的传播特性的目的。信号均方(root-mean-square RMS) 分析是能量分析中常用的方法， RMS 的大小代表信号的总能量。文献[7J 提出了一种短时能量的概念，借鉴其思路，笔者采用了一种短RMS (short-time-root-mean-square) 的分析方法对Lamb波信号进行分析。

 

若将一个Lamb波传播信号按时序等分为小段信号并求其均方根值，则 MS 值反映了各小段信号的能量特征，若按时间顺序将其排列起来，则可以表征信号的能量传播特征。因此，笔者采用 MS 从能量传播的角度来度量各模态波的平均传播速度和特性。

3 实验装置及仪器配置

 

 

4 完好铝板中Lam 波特性分析

采用尺寸为 715 mm x475 mm x3. 5 mm 的完好LY12CZ 铝板进行测试，压电片分别布置在铝板同侧表面上，分别位于A (365 ，400)、B (365 350)C(365 250) 三点 A为激励源 BC为接收传感器。见图4 。取每 10 个采样点为单元对信号进行STRMS 分析。图 给出激励信号频率为 250 kHz350 kHz 两点接收到Lam 波信号的 STRMS分析结果。根据 STRMS 原理，信号的 STRMS 序列的最大幅值点对应Lamb波的能量中心经过传感器中心位置的时刻，而幅值高低表征该Lamb 波能量的强弱。因此，可根据所获得的 STRMS 序列确定Lamb 波的传播情况及各模态波能量中心到达各传感器的准确时刻，据此可计算出Lamb 波的群速度。改变激励频率可得到一系列的群速度，经与理论群速度对照，可确定Lam 波的模态。

 

 

 

5 含缺陷铝板中Lamb 波特性分析

含缺陷铝板的外形尺寸和图 一致。板上有一个模拟裂纹缺陷的通透槽，槽的尺寸是 30 mm x 1 mm ，以板的左下角为坐标原点则缺陷中心坐标为(225 ,140) ，与底边夹角 135度。

压电传感器的布置则采用两种方案。方案A的3个传感器 1# 2# 3#布置于缺陆周围，其中， 2#3#传感器连线垂直平分缺陷槽，间距 30 mm， 1#、2#连线平行于缺陷槽，间距 20 mm ，如图 6( a) 所示。方案B的4 个传感器分布在一个边长为 100 mm的正方形顶角上，正方形左下角点的坐标是 (200 mm，100 mm) ，详见图 6(b) 。激励频率采用 175 kHz和350 kHz。

 

5.1 方案 的Lamb 波特性分析

 

 

 

、

 

当激励频率为 350 kHz( So 模态)时，几乎所有路径的Lamb波能量都发生了不同程度的明显衰减，特别是当模拟损伤位于传播路径(1←→3 ，图l0 (b) )上时，直接到达Lamb波的能量也发生了衰减，而对于其他路径，衰减均发生在多次反射过程中经过损伤区域后到达的Lamb波上。图l0(a) 中箭头标示的衰减位置的Lamb波就是经过上表面反射回来的，但因为模拟损伤刚好处于该传播路径上，与路径夹角约 63度，大大降低了经由该方向的Lamb波能量。表明模拟损伤的存在对Lamb波的传播造成显著的影响，主要是Lamb波在经过损伤位置时部分能量在相互作用的过程中消耗掉或发散到其他方向，表现在 STRMS图形上就是幅值降低。

6结束语

笔者采用短时均方根能量分析方法对铝板中Lam 波的传播特性进行实验研究，首先分析了不同激励条件下完好薄板中Lamb 波的传播特性。在此基础上，对含模拟缺陷铝板的Lamb 波的传播特性进行了研究，得出了一些有价值的结论。

[参考文献]

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，孙良新.应力波因子技术中一些问题的回顾和展望[J] .振动、测试与诊断， 1999 19(4) :320 326

5.刘镇清.超声无损检测中的导波技术] .无损检测， 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