技术摘要：
本发明公布了一种基于空间‑波数滤波器的损伤无波速定位方法，属于工程结构健康监测技术领域。该方法首先使用十字阵获取结构中的双频率损伤散射信号；然后，使用空间‑波数滤波器获得各频率下十字阵中两条线阵损伤散射信号的波数‑时间图像，得到各频率下两条线阵损伤 全部
背景技术：
结构健康监测技术对于预防重大事故的发生、提高结构的安全性，减少经济损失、 降低结构的维护费用、保障重大工程项目的建设具有重要的科学研究意义和广阔的应用前 景。其中，基于Lamb波的结构健康监测方法具有损伤监测灵敏度高、监测范围大、既能在线 应用也可离线应用、既能进行主动损伤监测也能进行被动冲击监测、既能监测金属结构也 能监测复合材料结构等等优点。因此，基于Lamb波的结构健康监测方法受到了国内外的广 泛研究，是目前最具有前景的结构健康监测技术之一。基于压电传感器阵列和Lamb波的结 构监测方法利用压电传感器阵列中多个激励-传感通道的监测信息，通过控制阵列信号的 合成机制实现结构的直观成像。该方法可以有效优化监测信号的信噪比，直观显示结构的 健康状态，从而提高损伤定位的精确度。其中，基于压电传感器阵列和Lamb波的空间-波数 滤波器方法，可以提取Lamb波中特定模式的入射波、反射波等，减少损伤散射信号混叠，提 高损伤散射信号的信噪比。现有基于十字阵和空间-波数滤波器的损伤定位方法，实现了不 依赖于Lamb波波数的0°～360°全方位在线损伤成像，从而抑制了结构材料参数对损伤角度 计算的影响。但是，在损伤距离计算过程中，依然需要事先获取Lamb波波速，而复杂结构的 Lamb波波速难以精确获取、复合材料的Lamb波波速具有各向异性特点，这严重限制了空间- 波数滤波器损伤定位方法在结构健康监测中的应用。
技术实现要素：
本发明提出了一种基于空间-波数滤波器的损伤无波速定位方法，利用空间-波数 滤波器获得的Lamb波波数在线计算出该角度上的Lamb波波速，不需要事先获取Lamb波波 速，从而抑制了结构材料参数各向异性对损伤定位结果的影响、扩展了空间-波数滤波器损 伤定位方法的应用范围。 本发明为解决其技术问题采用如下技术方案： 一种基于空间-波数滤波器的损伤无波速定位方法，包括如下步骤： 步骤一：获取双频率损伤散射信号； 步骤二：对双频率损伤散射信号进行空间-波数滤波； 步骤三：计算损伤角度； 步骤四：计算损伤距离。 所述步骤一的具体实现过程如下： 结构上布置有一个十字阵，十字阵中的两条线阵分别标记为I号线阵和II号线阵； 两条线阵均由M个压电传感器组成，相邻两个压电传感器中心点之间的间距均为Δx；I号线 阵中的压电传感器依次编号为I-1、I-2、…、I-m、…、I-M，II号线阵中的压电传感器依次编 5 CN 111551630 A 说 明 书 2/7 页 号为II-1、II-2、…、II-m、…、II-M；在十字阵的中心点附近布置一个主动Lamb波激励元件； ①在结构处于健康状态下，激励元件在结构中分别激发出中心频率为ω1和ω2的 Lamb波，十字阵采集结构的Lamb波响应信号，作为结构的健康基准信号H(ω,r-m,t)，ω为 Lamb波的中心频率，r为线阵的编号，m为线阵中压电传感器的编号，r-m为r号线阵中m号压 电传感器，t为采样时间； ②当结构发生损伤之后，激励元件在结构中再次分别激发出中心频率为ω1和ω2 的Lamb波，十字阵采集结构的Lamb波响应信号，作为结构的在线监测信号D(ω,r-m,t)； ③使用结构的健康基准信号H(ω,r-m,t)和结构的在线监测信号D(ω,r-m,t)，提 取损伤散射信号f(ω,r-m,t)，如公式(1)所示： f(ω,r-m,t)＝D(ω,r-m,t)-H(ω,r-m,t) (1) 式中：f(ω,r-m ,t)为提取出的ω频率下十字阵中r号线阵的m号压电传感器的损 伤散射信号，D(ω,r-m,t)为ω频率下十字阵中r号线阵的m号压电传感器的在线监测信号， H(ω,r-m,t)为ω频率下十字阵中r号线阵的m号压电传感器的健康基准信号，ω为Lamb波 的中心频率，r为线阵的编号，r-m为r号线阵中m号压电传感器，t为采样时间。 所述步骤二的具体实现过程如下： 首先，设置空间-波数滤波器的波数滤波间隔为Δk，空间-波数滤波器的波数滤波 范围为(-ks, ks)，ks为线阵的空间采样波数： 式中：Δx为线阵的阵元间距，π为圆周率； 然后，选定一个波数滤波值k，-ks＜k＜ks，对两条线阵分别进行空间-波数滤波： 式中：Φr(ω,k,t)为波数滤波值为k时ω频率下r号线阵伤散射信号的空间-波数 滤波合成值， 为卷积运算，φ(k,r-m)为r号线阵中m号压电传感器的空间-波数滤波权重 函数，如公式(4)所示： 式中：φ(k,r-m)为r号线阵中m号压电传感器的空间-波数滤波权重函数，lr-m为r 号线阵中m号压电传感器相对于原点的距离，i为虚数单位，k为空间-波数滤波权重函数的 中心波数，e为自然常数； 其次，选取下一个波数滤波值k Δk，根据以上空间-波数滤波的流程，计算该波数 滤波值时，ω频率下r号线阵损伤散射信号的空间-波数滤波合成值Φr(ω,k Δk,t)，直至 所有设定的波数滤波值计算完毕；由此得到ω频率下，各个时刻t下，各个波数滤波值k下的 空间-波数滤波合成值； 选择ω频率下r号线阵的波数-时间图像中图像像素值最大值处对应的波数即为 该频率下线阵损伤散射信号的波数ka-ω-r；像素值最大值处对应的时刻即为该线阵损伤散 射信号到达线阵的时刻tR-ω-r。 所述步骤三的具体实现过程如下： 6 CN 111551630 A 说 明 书 3/7 页 使用ω频率下r号线阵损伤散射信号的波数ka-ω-r，计算出损伤的角度θa： 式中：θa为计算出的损伤角度，θa-ω为ω频率下计算出的损伤角度， 为ω1频率 下计算出的损伤角度， 为ω2频率下计算出的损伤角度，ka-ω-I为ω频率下I号线阵损伤 散射信号的波数，ka-ω-II为ω频率下II号线阵损伤散射信号的波数。 所述步骤四的具体实现过程如下： 首先，使用ω频率下I号线阵和II号线阵损伤散射信号的波数ka-ω-I和ka-ω-II，计算 出ω频率下Lamb波的波数ka-ω： 其次，使用ω1和ω2两个频率下Lamb波的波数，计算出Lamb波的波速cg： 式中： 为ω1频率下Lamb波的波数， 为ω2频率下Lamb波的波数； 最后，使用Lamb波的波速cg和损伤散射信号到达线阵的时刻tR-ω-r，计算出损伤的 距离La： 式中： 为ω1频率下I号线阵损伤散射信号的波达时刻， 为ω1频率下II 号线阵损伤散射信号的波达时刻， 为ω1频率下Lamb波激励信号的开始时刻， 为 ω2频率下I号线阵损伤散射信号的波达时刻， 为ω2频率下II号线阵损伤散射信号的 波达时刻， 为ω2频率下Lamb波激励信号的开始时刻； 7 CN 111551630 A 说 明 书 4/7 页 最终实现损伤的定位为(θa,La)。 本发明的有益效果如下： 1、利用空间-波数滤波器获得的Lamb波波数在线计算出Lamb波波速，不需要事先 获取Lamb波波速。 2、在线计算出的Lamb波波速即为该角度上的Lamb波波速，抑制了结构材料参数各 向异性对损伤定位结果的影响。 3、采用双频率计算损伤角度和距离，减少了各种噪声对损伤定位的影响。 4、本发明有助于促进空间-波数滤波器损伤定位方法在工程结构健康监测领域的 应用。 附图说明 图1是基于空间-波数滤波器的损伤无波速定位方法的信号处理流程图。 图2是实施例中，压电传感器布置、损伤位置及二维直角坐标系的示意图。 图3是40kHz频率下I号线阵的健康基准信号图。 图4是40kHz频率下II号线阵的健康基准信号图。 图5是41kHz频率下I号线阵的健康基准信号图。 图6是41kHz频率下II号线阵的健康基准信号图。 图7是40kHz频率下I号线阵的在线监测信号图。 图8是40kHz频率下II号线阵的在线监测信号图。 图9是41kHz频率下I号线阵的在线监测信号图。 图10是41kHz频率下II号线阵的在线监测信号图。 图11是40kHz频率下I号线阵的损伤散射信号图。 图12是40kHz频率下II号线阵的损伤散射信号图。 图13是41kHz频率下I号线阵的损伤散射信号图。 图14是41kHz频率下II号线阵的损伤散射信号图。 图15是40kHz频率下I号线阵的波数-时间图像图。 图16是40kHz频率下II号线阵的波数-时间图像图。 图17是41kHz频率下I号线阵的波数-时间图像图。 图18是41kHz频率下II号线阵的波数-时间图像图。 图19是40kHz频率下Lamb波激励信号的开始时刻图。 图20是41kHz频率下Lamb波激励信号的开始时刻图。
