超聲Lamb波的激勵(lì)及頻率調(diào)諧

1、江蘇科技大學(xué)本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文）學(xué) 院 數(shù)理學(xué)院 專 業(yè) 應(yīng)用物理學(xué) 學(xué)生姓名 彭 加 福 班級(jí)學(xué)號(hào) 0640502112 指導(dǎo)教師 魏 勤 二零一零年六月江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 超聲Lamb波的激勵(lì)及頻率調(diào)諧The Excitation and Frequency Tuning of Ultrasonic Lamb Wave江蘇科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)學(xué)院名稱： 數(shù)理學(xué)院 專 業(yè)： 應(yīng)用物理學(xué) 學(xué)生姓名： 彭加福 學(xué) 號(hào)： 0640502112 指導(dǎo)教師： 魏 勤 職 稱： 副教授 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目： 超聲Lamb波的激勵(lì)及頻率調(diào)諧一、 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）內(nèi)容及要求（包括

2、原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、達(dá)到的指標(biāo)和應(yīng)做的實(shí)驗(yàn)等）1提供條件： PZT壓電晶片、厚為3.0mm的鋁板、函數(shù)發(fā)生器、數(shù)字示波器、計(jì)算機(jī)2設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求:(1) 調(diào)研收集分析有關(guān)資料，總結(jié)超聲Lamb波在無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用及國(guó)內(nèi) 外研究發(fā)展?fàn)顩r；(2) 推導(dǎo)自由板中Lamb波的頻散方程，并用Matlab進(jìn)行數(shù)值求解；(3) 準(zhǔn)備PZT壓電晶片，接入電極并用聚合樹(shù)脂將其粘結(jié)到薄鋁板上；(4) 用相關(guān)軟件調(diào)制各種窗口調(diào)制的正弦信號(hào)，包括Gaussian窗、Hamming 窗和Hanning窗；(5) 在鋁板中激勵(lì)并接受Lamb波信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理、分析；(6) 撰寫(xiě)論文。二、完成后應(yīng)交的作業(yè)（包括各種說(shuō)明

3、書(shū)、圖紙等）1. 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文一份（不少于1.5萬(wàn)字）；2. 外文譯文一篇（不少于5000英文單詞）；3. 相關(guān)數(shù)據(jù)處理圖像及Matlab數(shù)值計(jì)算程序。二、 完成日期及進(jìn)度2010年2月27日至2010年6月5日，共12周。進(jìn)度安排：(1) 2月27日-3月5日，查閱資料、調(diào)研，完成開(kāi)題報(bào)告；(2) 3月6日-4月10日，完成理論推導(dǎo)及Matlab數(shù)值計(jì)算；(3) 4月11日-5月10日，完成實(shí)驗(yàn)部分及撰寫(xiě)部分畢業(yè)論文；(4) 5月11日-5月20日，數(shù)據(jù)處理及完成畢業(yè)論文初稿；(5) 5月21日-6月14日，論文修改及答辯PPT制作；(6) 6月15日，畢業(yè)答辯。 四、主要參考資料（包括書(shū)刊

4、名稱、出版年月等）:1 Z. Q. Su, L. Ye, Y. Lu. Guided Lamb waves for identification of damage in composite structures: A reviewJ. Journal of Sound and Vibration. 2006, 295: 753-780.2 M. Rguiti, S. Grondel, F. E. youbi, et al. Optimized piezoelectric sensor for a specific application: Detection of Lamb wavesJ.

5、Sensors and Actuators A. 2006, 126: 362-368.3 李家偉, 陳積懋. 無(wú)損檢測(cè)手冊(cè)M. 機(jī)械工業(yè)出版社. 2002年: 206-214.4 D. Leduc, B. Morvan, A. C. Hladky, et al. Interaction of Lamb waves with a grating composed of two spatial periodicities: Study in dual spaceJ. NDT&E International. 2009, 42:513-517.5 孫亞杰, 袁慎芳, 邱雷, 等. 基于La

6、mb波相控陣和圖像增強(qiáng)方法的損傷監(jiān)測(cè)J. 航空學(xué)報(bào). 2009, 30(7): 1325-1330.6 H. S. Yoon, R. DeCicco. Lamb wave excitation and detection with smart fasteners for structural health monitoringJ. Proc. SPIE. 2010, 7649(14): 2412-2422.7 J. S. Leng, A. Asundi. Structural health monitoring of smart composite materials by using EFP

7、I and FBG sensorsJ. Sensors and Actuators A: Physical. 2003, 103(3): 330-340.8 王強(qiáng), 袁慎芳. 無(wú)參考主動(dòng)Lamb波結(jié)構(gòu)損傷時(shí)反成像監(jiān)測(cè)方法J. 航空學(xué)報(bào). 2010, 31(1): 178-183.9 張海燕, 他得安, 劉鎮(zhèn)清, 著. 層狀各向異性復(fù)合板中的蘭姆波M. 科學(xué)出版社. 2008年: 138-156.10 王珅, 黃松嶺, 趙偉. 平板和管道周向Lamb波頻散和波結(jié)構(gòu)特性J. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2009, 49(7): 925-928. 系(教研室)主任： （簽章） 年 月 日 學(xué)院主管

8、領(lǐng)導(dǎo)： （簽章） 年 月 日摘 要基于Lamb波的材料損傷檢測(cè)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)在航空工業(yè)、船舶制造、土木工程和智能材料等領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用。本課題在研究超聲Lamb波波動(dòng)理論的基礎(chǔ)上分析板中Lamb波的傳播特性，并求出自由板中Lamb波頻散方程的數(shù)值解。利用Gaussian函數(shù)、Hamming窗和Hanning窗對(duì)正弦信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，然后采用調(diào)制后的脈沖猝發(fā)信號(hào)對(duì)粘結(jié)在鋁薄板表面的正方形PZT壓電晶片進(jìn)行激勵(lì)，從而在鋁薄板中產(chǎn)生并采集Lamb波。重點(diǎn)研究了各向同性鋁薄板中Lamb波的傳播特性、頻散特性、模式識(shí)別、模式選擇和頻率調(diào)諧。對(duì)時(shí)域信號(hào)的分析結(jié)果表明，激勵(lì)頻率在10200kHz范圍內(nèi)

9、能在板內(nèi)得到明顯的Lamb波信號(hào)，120150kHz時(shí)發(fā)生諧振，采集的信號(hào)最強(qiáng)；對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻域分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，各種激勵(lì)波形產(chǎn)生的Lamb波信號(hào)都發(fā)生了頻散現(xiàn)象，其中采用正弦單周期信號(hào)激勵(lì)時(shí)板中Lamb波的頻散現(xiàn)象最嚴(yán)重，而采用Hamming窗調(diào)制的五步波脈沖信號(hào)激勵(lì)時(shí)頻散最小，適合作為激勵(lì)信號(hào)；實(shí)驗(yàn)測(cè)試了各種頻率下A0和S0模式Lamb波的群速度并與理論值相比較，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值解接近。實(shí)驗(yàn)還研究了采用不同波形激勵(lì)時(shí)不同模式（A0和S0）Lamb波的強(qiáng)度隨頻率的變化關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在2060kHz和100150kHz兩區(qū)間內(nèi)，A0和S0模式Lamb波的強(qiáng)度有明顯差異。因此，可以通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)募?lì)頻

10、率來(lái)獲得模式單一性好、強(qiáng)度高、對(duì)某類缺陷敏感的Lamb波。關(guān)鍵詞：超聲蘭姆波；激勵(lì)與接收；頻散特性；模式識(shí)別與選擇；各向同性鋁薄板 AbstractMaterial damage detection and structural health monitoring based on Lamb wave are widely studied and applied in the areas of aerospace industry, ship manufacturing, civil engineering and smart material. In this research, the p

11、ropagation characteristics of Lamb wave were analyzed by the study of the wave theorem of Lamb wave in plate, and the numerical solutions of dispersion equation of Lamb wave in free plate were also calculated. Excitation signals in a variety of waveforms were obtained via modulating the sinusoidal w

12、aveform by Gaussian function, Hamming window and Hanning window. Then Lamb wave was actuated and collected in the thin aluminium plate by square PZT crystal wafer which bonded on the thin aluminium plate. The major emphasis is placed on the propagation characteristics, dispersion characteristics, mo

13、de identification, mode selection and frequency tuning of Lamb wave in the thin isotropic aluminium plate. The time-domain analysis shows that apparent Lamb wave signals were detected when the excitation frequency ranges from 10kHz to 200kHz, in which, the most intensive signal was detected under a

14、frequency about 120150kHz due to the harmonic oscillation; The frequency-domain analysis indicates that dispersion phenomenon of Lamb wave exists under any conditions of the excitation signal, in which, the Lamb wave excited by a single-cycle sinusoidal burst pulse shows a serious frequency dispersi

15、on, while the Lamb wave excited by a Hamming window modulated five-step waveform burst pulse shows the lowest frequency dispersion. Therefore, the later is the most workable excitation signal. The group velocity of both A0 and S0 modes were measured, which are closed to the theoretical results. The

16、relationship between frequency and signal intensity of both A0 and S0 modes under different conditions of excitation waveforms were studied experimentally to find the intensity of A0 and S0 modes show an apparent difference when the excitation frequency band fall in the ranges of 2060kHz and 100150k

17、Hz. Accordingly, we can obtain a Lamb wave with good unity, high intensity and sensitive for certain defect types by selecting appropriate excitation frequency.Keyword：Ultrasonic Lamb Wave; Excitation and Collection; Dispersion Characteristics; Mode Identification and Selection; Isotropic Thin Alumi

18、nium Plate 目錄第1章 緒 論11.1 本課題的研究背景及意義11.1.1 本課題的研究背景11.1.2 本課題的研究意義21.2 Lamb波在無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用21.2.1 金屬薄板Lamb波檢測(cè)21.2.2 復(fù)合材料Lamb波檢測(cè)41.2.3 Lamb波檢測(cè)在其它材料或結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用51.3 Lamb波檢測(cè)技術(shù)研究的發(fā)展?fàn)顩r51.3.1 國(guó)外Lamb波檢測(cè)技術(shù)研究的發(fā)展?fàn)顩r51.3.2 國(guó)內(nèi)Lamb波檢測(cè)技術(shù)研究的發(fā)展?fàn)顩r61.4 本課題的主要研究?jī)?nèi)容6第2章 自由板中Lamb波的理論基礎(chǔ)72.1 概 述72.2 自由板中的Lamb波72.2.1 運(yùn)動(dòng)方程與邊界條件72.2.2 自由

19、板問(wèn)題82.2.3 位移勢(shì)函數(shù)法求解自由板問(wèn)題9第3章 Lamb波的激勵(lì)與接收123.1 概 述123.2 Lamb波的激勵(lì)與接收方式123.2.1 超聲波探頭123.2.2 激光超聲133.2.3 壓電元件133.2.4 交叉指型換能器143.2.5 光纖傳感器143.3 PZT壓電晶片激勵(lì)與接收Lamb波143.3.1 壓電效應(yīng)與壓電陶瓷143.3.2 PZT壓電晶片換能機(jī)理153.3.3 PZT壓電晶片激勵(lì)與接收Lamb波17第4章 Lamb波的頻散特性及模式選擇184.1 概 述184.2 Lamb波的頻散特性184.2.1 頻散方程及其數(shù)值解184.2.2 Matlab實(shí)現(xiàn)頻散方程數(shù)

20、值解214.2.3 Lamb波的頻散曲線214.3 Lamb波的模式選擇23第5章 鋁板中Lamb波的頻率調(diào)諧245.1 概 述245.2 鋁薄板中Lamb波的激勵(lì)245.3 Lamb波模式識(shí)別275.3.1 波速法275.3.2 二維Fourier變換法285.3.3 平滑偽Wigner-Vile分布法295.4 鋁薄板中Lamb波的頻率調(diào)諧305.4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法305.4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析30結(jié) 論36致 謝37參考文獻(xiàn)38第1章 緒 論1.1 本課題的研究背景及意義 本課題的研究背景隨著當(dāng)前對(duì)飛行器結(jié)構(gòu)、船舶結(jié)構(gòu)、大型基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)等安全性的日益關(guān)注，結(jié)構(gòu)原材料檢測(cè)、組裝生產(chǎn)質(zhì)量

21、監(jiān)控和在役結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的研究越來(lái)越受到人們的重視。在各種針對(duì)大型結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)、無(wú)損評(píng)估和健康監(jiān)測(cè)技術(shù)中，超聲Lamb波檢測(cè)技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注和研究，經(jīng)常被用于板狀結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)和健康監(jiān)測(cè)，特別是在大面積板狀結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用1-3。超聲Lamb波的激勵(lì)和檢測(cè)方式靈活，在板中可以傳播很長(zhǎng)距離，而且能與板材中的缺陷產(chǎn)生有效的相互作用，并攜帶大量的信息。通過(guò)對(duì)接收到的Lamb波信號(hào)進(jìn)行分析和處理不僅可以對(duì)材料中的缺陷進(jìn)行定位、定量和成像，而且可以對(duì)結(jié)構(gòu)的健康狀況及使用壽命進(jìn)行評(píng)估，從而大大的降低了在役結(jié)構(gòu)的安全隱患。近20年來(lái)，復(fù)合材料在各領(lǐng)域的應(yīng)用得到了快速的發(fā)展，不斷替代傳

22、統(tǒng)的金屬材料，如：橋梁等大型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中用基于碳纖維的復(fù)合材料預(yù)加強(qiáng)鋼筋梁替代全鋼鋼筋梁以防止腐蝕；航空器結(jié)構(gòu)中用加強(qiáng)纖維復(fù)合材料代替鋁板或合金等金屬材料以減輕重量提高強(qiáng)度；船舶制造中用玻璃纖維加強(qiáng)復(fù)合材料代替鋼板作為船體或其它構(gòu)件等。但與金屬材料的檢測(cè)相比，復(fù)合材料的損傷檢測(cè)和健康監(jiān)測(cè)難度比較大，因此，尋找一種能夠有效監(jiān)測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)安全性的技術(shù)變得非常必要。目前，用于復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)和結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)的技術(shù)主要有光纖布拉格光柵傳感器4-5和基于Lamb波的超聲檢測(cè)技術(shù)6-8?；贚amb波的超聲檢測(cè)技術(shù)可以有效地檢測(cè)復(fù)合材料的脫層、裂紋、未膠合等不連續(xù)缺陷，并且可以通過(guò)基于Lamb波的表面

23、粘結(jié)式壓電傳感器陣列對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)和無(wú)損評(píng)估。此外，基于Lamb波的嵌入式或表面粘結(jié)式傳感器在智能材料結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)及健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用也非常廣泛9-10。所謂的智能材料結(jié)構(gòu)是指將傳感器和驅(qū)動(dòng)器以及有關(guān)信號(hào)處理和控制電路集成在材料結(jié)構(gòu)中，通過(guò)機(jī)、光、電、熱等激勵(lì)和控制，不僅具有承受載荷的能力，而且具有識(shí)別、分析、處理及控制等多種功能，能進(jìn)行自診斷、自適應(yīng)、自修復(fù)的材料結(jié)構(gòu)。目前，在智能材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中，主動(dòng)Lamb波損傷監(jiān)測(cè)技術(shù)使用得較多，其大都采用基于參考信號(hào)的處理方法獲取損傷散射信號(hào)，即取健康狀態(tài)響應(yīng)信號(hào)為參考信號(hào)，對(duì)比損傷狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號(hào)獲取損傷散射信號(hào)。但由于基于參考信號(hào)

24、的處理方法在真實(shí)條件下容易受到結(jié)構(gòu)和外部條件變化的影響，因此不具備實(shí)用性。解決這一問(wèn)題的一個(gè)方法是采用時(shí)間反轉(zhuǎn)重建波源信號(hào)，通過(guò)對(duì)比重建的波源信號(hào)和初始波源信號(hào)來(lái)確定損傷存在的路徑，進(jìn)而估計(jì)損傷的位置6。該方法是由美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的H. W. Park等提出的。雖然這樣的方法不再依賴參考健康信號(hào)，但由于監(jiān)測(cè)路徑有限，因此定位精度受到了限制。 本課題的研究意義 Lamb波在一定的激發(fā)頻率下至少會(huì)產(chǎn)生兩種模式，不同模式的相速度將隨激勵(lì)頻率的改變而變化，這就是Lamb波的頻散特性。Lamb波的這一特性使檢測(cè)中的信號(hào)處理與分析變得異常復(fù)雜，實(shí)際上Lamb波的這一特性在一定程度上限制了它在工業(yè)無(wú)損檢測(cè)

25、和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用和推廣。然而，Lamb波的頻散特性也會(huì)給檢測(cè)帶來(lái)便利。有研究表明，不同模式的Lamb波對(duì)不同缺陷的敏感性不盡相同，如A0模式對(duì)質(zhì)量負(fù)載有高度的敏感性11，而且不同模式的Lamb波發(fā)現(xiàn)處于不同深度缺陷的能力也大不相同。因此，只要通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)募?lì)方式和頻率，獲得最適于檢測(cè)某一類缺陷的Lamb波模式，進(jìn)行材料Lamb波檢測(cè)就變得相對(duì)簡(jiǎn)單，且精確有效。鑒于此，本課題主要研究了板中超聲Lamb波的激勵(lì)及頻率調(diào)諧，重點(diǎn)研究了鋁薄板中Lamb波的頻散特性及模式選擇，通過(guò)頻散曲線有選擇性的激勵(lì)出S0模式和A0模式，并通過(guò)頻率調(diào)諧的方式對(duì)兩種模式Lamb波進(jìn)行較深入的研究。雖然本課題主要

26、是基于鋁板等金屬材料進(jìn)行研究的，但通過(guò)推廣、改進(jìn)，本課題的研究結(jié)果及研究方法可應(yīng)用于各種材質(zhì)薄板的Lamb波檢測(cè)中，為檢測(cè)中的模式選擇及激勵(lì)信號(hào)頻率選擇提供參考和方法，這對(duì)Lamb波損傷檢測(cè)有著極大的意義。1.2 Lamb波在無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用 金屬薄板Lamb波檢測(cè)金屬或合金材料在宏觀上呈現(xiàn)出各向同性特性，被認(rèn)為是均質(zhì)材料，其無(wú)損探傷比較簡(jiǎn)單、直接。聲波在金屬材料中的衰減及散射比較小，但遇到氣孔、裂紋、夾雜等不連續(xù)缺陷時(shí)會(huì)有很強(qiáng)的缺陷界面回波。因此，一般用超聲波A掃描探傷儀和超聲波C掃描技術(shù)就可以直接對(duì)缺陷進(jìn)行定位、定量和成像，從而對(duì)金屬材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷檢測(cè)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。如圖1.1所示，圖1

27、.1a和圖1.1b分別是鋁塊人工缺陷和鍛件焊縫缺陷的超聲C掃描圖像。然而，由于一般的超聲波探頭都具有一定的盲區(qū)，用垂直入射法對(duì)金屬薄板進(jìn)行檢測(cè)是無(wú)效的。(a)(b)超聲Lamb波是一種導(dǎo)波，是在板材中傳播的一種特殊的應(yīng)力波，在板材厚度與激勵(lì)波長(zhǎng)為相同數(shù)量級(jí)的情況下產(chǎn)生，由縱波和橫波共同合成，通常也稱為板波。在金屬薄板的Lamb波檢測(cè)中，可以采用多種方式在金屬薄板中激勵(lì)和接收Lamb波，再通過(guò)分析、處理接收到的Lamb波信號(hào)對(duì)缺陷進(jìn)行定位、定量和成像。大連理工大學(xué)的侯云霞等在厚度為0.7 mm的鋁板上制作直徑為0.61.8 mm的通孔，以模擬薄鋁板中的孔洞類缺陷，并通過(guò)Lamb波的S0模態(tài)對(duì)鋁板

28、進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)缺陷大小與其反射波幅值之間具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系1。南京航空航天大學(xué)智能材料與結(jié)構(gòu)航空科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的孫亞杰等利用Lamb波和超聲相控陣對(duì)鋁板進(jìn)行了損傷監(jiān)測(cè)的研究12。檢測(cè)中選擇合適的低頻窄帶激勵(lì)信號(hào)，產(chǎn)生單一模式Lamb波，結(jié)合超聲相控陣技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行多方位監(jiān)測(cè)，并采用基于點(diǎn)運(yùn)算的對(duì)比度增強(qiáng)方法提高損傷圖像的分辨率，改善圖像質(zhì)量，使損傷圖像更加清晰地表征出損傷的位置、區(qū)域。圖1.1 鋁塊人工缺陷和焊縫缺陷的超聲C掃描圖像(a. 鋁塊人工缺陷; b. 鍛件焊縫缺陷) Fig. 1.1 Ultrasonic C-scan features of defects (a. artifi

29、cial defects in aluminium; b. defects in weld)圖1.2 無(wú)參考主動(dòng)Lamb波損傷成像技術(shù)得到的玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合板損傷重建圖像(a. 損傷重建圖像; b. 閘值處理后的損傷圖像)Fig. 1.2 Damage rebuilt image of GFRP plate via no baseline active Lamb wave damage imaging technique (a. damage rebuilt image ; b. damage rebuilt image intercepted by threshold value) 復(fù)合材料

30、Lamb波檢測(cè)工程上將由兩種或兩種以上材料在宏觀尺度上組成的新材料稱為復(fù)合材料，其中的每一種組成材料稱為復(fù)合材料的組分。復(fù)合材料通常由機(jī)體材料和增強(qiáng)材料兩大部分組成，組份材料之間具有明顯的界面，宏觀上呈現(xiàn)各向異性特征。復(fù)合材料的種類很多，大致可歸納為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料和薄片增強(qiáng)復(fù)合材料三類。由于復(fù)合材料在宏觀上呈現(xiàn)出顯著的各向異性，有時(shí)還會(huì)加入各種加強(qiáng)筋，使結(jié)構(gòu)變得異常復(fù)雜，加上Lamb波本身的頻散特性和模式轉(zhuǎn)變，因此，在復(fù)合材料損傷檢測(cè)中信號(hào)處理與分析比較復(fù)雜。在復(fù)合材料損傷檢測(cè)中，Lamb波主要用于層狀復(fù)合材料板的檢測(cè)。在多層、各向異性、宏觀非均質(zhì)性的層壓復(fù)合材料板中，La

31、mb波模式的速度依賴于各組元的彈性性質(zhì)、層厚、纖維方向、鋪層順序以及Lamb波的傳播方向。檢測(cè)時(shí)可以通過(guò)在適合的頻厚積下選擇最佳模式來(lái)提高缺陷的檢測(cè)能力，使Lamb波能夠進(jìn)行局部、詳細(xì)的檢測(cè)。目前，在復(fù)合材料Lamb波損傷檢測(cè)中，應(yīng)用的一些主要技術(shù)方法有Lamb波層析成像13，即利用在物體外部觀測(cè)到的物理量場(chǎng)，通過(guò)特殊的數(shù)字處理技術(shù)，重現(xiàn)物體內(nèi)部物性或狀態(tài)參數(shù)的分布圖像；主動(dòng)Lamb波損傷監(jiān)測(cè)技術(shù)6，即取健康狀態(tài)響應(yīng)信號(hào)為參考信號(hào)，對(duì)比損傷狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號(hào)獲取損傷散射信號(hào)；時(shí)間反轉(zhuǎn)重建波源信號(hào)方法6, 14，即采用H. W. Park等提出的的時(shí)間反轉(zhuǎn)方法；基于短時(shí)傅利葉變換( STFT)

32、的時(shí)頻分析方法15 等。圖1.2所示為南京航空航天大學(xué)的王強(qiáng)等采用無(wú)參考主動(dòng)Lamb波損傷成像技術(shù)得到的玻璃纖維復(fù)合板損傷重建圖像6。這些技術(shù)的應(yīng)用往往需要對(duì)復(fù)合材料中Lamb波的傳播特性有深入的了解，而且需要進(jìn)行復(fù)雜的信號(hào)處理及分析，這在一定程度上限制了Lamb波檢測(cè)技術(shù)在復(fù)合材料損傷檢測(cè)中的應(yīng)用及推廣。 Lamb波檢測(cè)在其它材料或結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用除了應(yīng)用于金屬板材和復(fù)合材料層壓板的損傷檢測(cè)外，超聲Lamb波檢測(cè)技術(shù)也廣泛應(yīng)用于管道縱向及周向損傷檢測(cè)和掩埋于地下的管道探傷16。這主要是因?yàn)?，除彈性平板外，管道的縱向和周向同樣可以作為波導(dǎo)引導(dǎo)超聲導(dǎo)波的傳播。在管道圓周方向上可以存在和平板Lamb波

33、類似的超聲導(dǎo)波，稱之為周向Lamb波。清華大學(xué)的王珅等對(duì)平板Lamb波和管道周向Lamb波的頻散和波結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行分析和對(duì)比17。研究結(jié)果表明，管道周向Lamb波與平板Lamb波具有相似性，而這種相似性與表征管道彎曲程度的內(nèi)、外徑之比 相關(guān)， 越大，即越接近100%則管道周向Lamb波越接近于平板Lamb波。1.3 Lamb波檢測(cè)技術(shù)研究的發(fā)展?fàn)顩r 國(guó)外Lamb波檢測(cè)技術(shù)研究的發(fā)展?fàn)顩r在國(guó)外，Lamb波及基于Lamb波的檢測(cè)技術(shù)在航空航天、船舶制造、土木工程和智能材料等領(lǐng)域受到廣泛而深入的研究10, 16, 18-20 。美國(guó)的Joseph L. Rose等18通過(guò)嵌入式PZT晶片網(wǎng)絡(luò)對(duì)飛機(jī)機(jī)翼

34、進(jìn)行主動(dòng)Lamb波健康監(jiān)測(cè)，對(duì)缺陷進(jìn)行探測(cè)、定位和裂紋生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明即使在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)翼中，用PZT晶片作為換能器的主動(dòng)Lamb波檢測(cè)方法仍能實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷進(jìn)行定位、定量。Jill Bingham等19研究了用基于Lamb波的傳感器對(duì)水下爆破彈對(duì)艦船船體壓力進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)，并建立理論模型進(jìn)行對(duì)比認(rèn)證。研究結(jié)果表明，實(shí)際檢測(cè)和理論結(jié)果非常吻合，因此可以用Lamb波對(duì)船體壓力應(yīng)變進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)，從而降低海上設(shè)備安全隱患。澳大利亞的Kaphle Manindra R.等20將Lamb波聲發(fā)射技術(shù)及信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中。使用該方法可以對(duì)橋梁等鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行使用健康評(píng)估，根據(jù)評(píng)估狀況對(duì)結(jié)

35、構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑?，從而使結(jié)構(gòu)性能安全、可靠。 國(guó)內(nèi)Lamb波檢測(cè)技術(shù)研究的發(fā)展?fàn)顩r相對(duì)于國(guó)外的研究發(fā)展，國(guó)內(nèi)關(guān)于Lamb波的研究較晚，起點(diǎn)較低。目前國(guó)內(nèi)對(duì)Lamb波及其應(yīng)用研究較多、較為深入的學(xué)者主要有：南京航空航天大學(xué)智能材料與結(jié)構(gòu)航空科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的袁慎芳6, 12, 14, 21，其主要研究主動(dòng)Lamb波在復(fù)合材料、智能材料損傷檢測(cè)及結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)中的應(yīng)用及采用Lamb波傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)缺陷進(jìn)行掃描成像；同濟(jì)大學(xué)的他得安13, 22-23，其主要研究層狀各向異性復(fù)合材料中的Lamb波及其在復(fù)合材料損傷檢測(cè)中的應(yīng)用。1.4 本課題的主要研究?jī)?nèi)容目前，在進(jìn)行材料、結(jié)構(gòu)的Lamb波損傷檢測(cè)和健康監(jiān)測(cè)

36、時(shí)主要有兩個(gè)問(wèn)題需要解決，即：a. 選擇適當(dāng)?shù)募?lì)方式及激勵(lì)頻率以獲得最適于材料或結(jié)構(gòu)探傷的Lamb波模式；b. 對(duì)接收到的Lamb波信號(hào)進(jìn)行處理和分析。本課題著重研究了Lamb波的激勵(lì)及頻率調(diào)諧，并在各向同性鋁薄板中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。雖然本研究是針對(duì)鋁薄板中的Lamb波進(jìn)行的，但通過(guò)改進(jìn)，可將其應(yīng)用延伸到各種板狀材料的Lamb波損傷檢測(cè)及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中。本課題首先簡(jiǎn)單介紹了超聲Lamb波在金屬板狀材料損傷探測(cè)、復(fù)合材料及結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)和智能材料Lamb波檢測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用及其國(guó)內(nèi)外研究發(fā)展?fàn)顩r；其次，研究了板中Lamb波的傳播特性、頻散特性和Lamb波模式識(shí)別與選擇等相關(guān)理論及其在超聲Lamb波檢測(cè)中

37、的應(yīng)用，通過(guò)Matlab數(shù)值計(jì)算的方法得到自由板中Lamb波頻散方程的數(shù)值解，并繪制了Lamb波頻散曲線；最后，通過(guò)Gaussian函數(shù)、Hamming窗和Hanning窗等調(diào)制出多種激勵(lì)信號(hào)，并根據(jù)頻散曲線及板中Lamb波相關(guān)理論，用PZT壓電晶片在厚度為3.0 mm的鋁板中激勵(lì)、調(diào)諧和接收Lamb波信號(hào)，再通過(guò)快速傅里葉變換（FFT）等方法對(duì)接收到的Lamb波信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。第2章 自由板中的Lamb波理論基礎(chǔ)2.1 概 述超聲Lamb波是在板材中傳播的一種特殊的應(yīng)力波，在厚度與激勵(lì)波長(zhǎng)為相同數(shù)量級(jí)的情況下產(chǎn)生，由縱波和橫波共同合成，通常也稱為板波。本章將簡(jiǎn)要介紹板中Lamb波的彈性動(dòng)力

38、學(xué)控制方程及Lamb波在自由板中傳播問(wèn)題，利用位移勢(shì)函數(shù)法得到波在自由板中傳播問(wèn)題的解，最后導(dǎo)出Lamb波頻散方程。Lamb波傳播的經(jīng)典問(wèn)題與各向同性、均質(zhì)、自由板中的波相聯(lián)系。用于推導(dǎo)控制方程以及相速度對(duì)頻率的頻散曲線的方法類似于很多包括桿、管、多層介質(zhì)以及各向異性介質(zhì)中的導(dǎo)波問(wèn)題。在研究Lamb波問(wèn)題前，有必要了先解一下導(dǎo)波與體波的根本區(qū)別。體波在介質(zhì)中傳播，所以其遠(yuǎn)離邊界。然而，導(dǎo)波傳播卻常常以反射與折射的形式與邊界發(fā)生相互作用，且發(fā)生縱波與橫波間的波型轉(zhuǎn)換。盡管體波與導(dǎo)波有本質(zhì)上的區(qū)別，但它們受到同一組偏微分波動(dòng)方程的控制，在數(shù)學(xué)上兩者的區(qū)別是：對(duì)于體波，所得的解無(wú)需滿足邊界條件，而導(dǎo)

39、波問(wèn)題的解在滿足控制方程的同時(shí)還要滿足實(shí)際邊界條件。正是由于邊界條件的引入使得求解導(dǎo)波問(wèn)題的解析解顯得十分困難，在很多問(wèn)題中甚至找不到解析解。此外，與在體波問(wèn)題中所出現(xiàn)的有限個(gè)模式不同，導(dǎo)波問(wèn)題中通常存在無(wú)數(shù)種模式，即在一個(gè)有限體中可以存在無(wú)數(shù)種不同的導(dǎo)波模式。2.2 自由板中的Lamb波 運(yùn)動(dòng)方程與邊界條件超聲導(dǎo)波有很多種，一些導(dǎo)波問(wèn)題已經(jīng)得到解決，其解一般沿用研究者的名字，如Rayleigh波，Lamb波和Stonely波。Rayleigh波是半無(wú)限固體表面上的自由波，在邊界上應(yīng)力為零，且波隨深度的增加而衰減。Lamb波是在自由板中產(chǎn)生的平面應(yīng)變波，在板的上、下表面應(yīng)力為零。隨著波的入射角

40、和頻率的改變，在每一點(diǎn)上都產(chǎn)生不同的模式結(jié)構(gòu)。Stonely波是兩介質(zhì)交界面?zhèn)鞑サ囊环N自由波，在界面上需要滿足應(yīng)力和位移連續(xù)條件，同時(shí)必須滿足輻射條件。根據(jù)彈性理論，板中的Lamb波可用位移場(chǎng)u來(lái)描述，并且滿足如下關(guān)于位移的偏微分控制方程： （2.1） 這里用笛卡兒張量符號(hào)表示，其中、和分別表示Lamé常數(shù)和所給定材料的密度，可見(jiàn)對(duì)于給定材料，運(yùn)動(dòng)方程（2.1）只與質(zhì)點(diǎn)位移有關(guān)。在求解域?yàn)闊o(wú)限的情況下，有位移偏微分控制方程就足夠了。但求解域?yàn)橛邢薜那闆r下，除了位移方程外還需要求解問(wèn)題的一些邊界條件，如自由板中的Lamb波。一般情況下邊界條件是以確定的應(yīng)力和位移形式給出，其形式通常如下

41、： （2.2） （2.3）其中式（2.2）表示表面位移，式（2.3）表示表面應(yīng)力，前面已經(jīng)提到對(duì)于自由板中的Lamb波，上、下表面應(yīng)力為零。 自由板問(wèn)題自由板問(wèn)題的幾何描述如圖2.1所示，該問(wèn)題可由運(yùn)動(dòng)方程（2.1）及邊界條件（2.3）來(lái)描述。自由板的兩個(gè)自由表面可分別用數(shù)學(xué)表示為： （2.4） 其中d表示自由板厚度。在自由板上某一點(diǎn)上激勵(lì)超聲波，激發(fā)區(qū)域的超聲波在傳播到自由板的上、下表面時(shí)會(huì)發(fā)生波型轉(zhuǎn)換，縱波變橫波，橫波變?yōu)榭v波。在板內(nèi)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的傳播后，板中的超聲波會(huì)發(fā)生很有趣的變化，如出現(xiàn)縱波、橫波相互疊加而產(chǎn)生一系列“波包”，此即通常所說(shuō)的導(dǎo)波Lamb波。另外，通過(guò)改變超聲波的入射角

42、和聲波頻率，我們還可以發(fā)現(xiàn)，板中出現(xiàn)了不同模式的Lamb波。目前，有多種方法可以得到自由板問(wèn)題的精確解，其中最常見(jiàn)的是位移勢(shì)函數(shù)法和部分波分析法（The Partial Wave Technique）。下面將簡(jiǎn)要地介紹一下通過(guò)位移勢(shì)函數(shù)法求解自由板問(wèn)題的過(guò)程。x1Free Platehhx3d圖2.1 自由板問(wèn)題的幾何描述Fig. 2.1 Geometric description for the free plate problem 位移勢(shì)函數(shù)法求解自由板問(wèn)題關(guān)于自由板問(wèn)題的位移勢(shì)函數(shù)法求解過(guò)程，在Joseph L. Rose的書(shū)中已經(jīng)描述得非常詳細(xì)了24，在此只是進(jìn)行簡(jiǎn)要的描述，以便為接下

43、來(lái)的研究提供理論基礎(chǔ)。根據(jù)Helmholtz分解原理，將質(zhì)點(diǎn)位移向量場(chǎng)分解，然后將結(jié)果代入位移偏微分控制方程（2.1）就可以得到兩個(gè)分離的波動(dòng)方程。對(duì)于平面應(yīng)力問(wèn)題有： （2.5） （2.6）其中方程（2.5）控制縱波（L波），方程（2.6）控制橫波（T波）。假定方程（2.5）和方程（2.6）的解為如下形式： （2.7） （2.8）這些解代表沿x1方向的行波和沿x3方向的駐波。盡管存在一個(gè)包含依賴x1的時(shí)間變量的指數(shù)項(xiàng)(只能是正弦或余弦)，但只有一個(gè)未知的依賴于x3的靜態(tài)函數(shù)，這種現(xiàn)象稱為橫向共振，可以通過(guò)多種方法對(duì)方程進(jìn)行求解。另外，這些解代表了沿板方向傳播的波以及在橫向上固定分布的擾動(dòng)。將

44、這些假定的解代入方程（2.5）和方程（2.6）中，得到未知函數(shù)和的控制方程，其解如下： （2.9） （2.10）其中 ， （2.11）由平面應(yīng)變假設(shè)可知，位移和應(yīng)力可用勢(shì)函數(shù)表示為：（2.12） 將式（2.9）和式（2.10）代入上式中各項(xiàng)可得到位移場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)分布。可以發(fā)現(xiàn)位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)是含有以x3為宗量的sin或cos函數(shù)，是關(guān)于x3的奇（或偶）函數(shù)。我們可以將之分成兩組模式，分別為對(duì)稱模式和反對(duì)稱模式。對(duì)于x1方向上的位移，如果u1中包含余弦項(xiàng)，則運(yùn)動(dòng)是關(guān)于板的中面對(duì)稱的，如果u1中包含正弦項(xiàng)，則運(yùn)動(dòng)是對(duì)稱的。x3方向上的位移情況則剛好相反。在Joseph L. Rose的書(shū)中給出了這兩種

45、模式的位移及應(yīng)力的詳細(xì)表達(dá)式，其中還含有幾個(gè)未知的系數(shù)。它們可以通過(guò)應(yīng)用零應(yīng)力邊界條件來(lái)確定，并且可以導(dǎo)出各向同性材料中Lamb波的頻散方程。在如圖2.1所示自由板中，板兩表面處的應(yīng)力應(yīng)滿足如下關(guān)系： （2.13）將這一邊界條件應(yīng)用于位移場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)表達(dá)式中可得到兩個(gè)關(guān)于常系數(shù)的齊次方程組，分別對(duì)應(yīng)于對(duì)稱模式及反對(duì)稱模式。令兩個(gè)齊次方程組的系數(shù)矩陣的行列式為零，可得到其非凡解，再進(jìn)行適當(dāng)變換可得到如下解： （2.14）我們知道，cL和cT有如下定義：， （2.15）用式（2.11）定義的p和q及式（2.15）定義的聲速代換Lamé常數(shù)則有： （2.16）將式（2.16）代入原始頻散方程

46、（2.14）中，可得到對(duì)稱模式頻散方程： （2.17）用類似的方法，我們還可以得到反對(duì)稱模式的頻散方程： （2.18）其中p和q如式（2.11）所定義。第3章 Lamb波的激勵(lì)與接收3.1 概 述換能器/傳感器是用于激勵(lì)與接收Lamb波的器件，是組成超聲Lamb波檢測(cè)系統(tǒng)的重要元素之一。 換能器的性能直接影響到激勵(lì)Lamb波的特性及檢測(cè)能力。在用Lamb波進(jìn)行材料損傷檢測(cè)及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)時(shí)，對(duì)于不同的被檢材料或結(jié)構(gòu)，會(huì)采用不同的換能器和激勵(lì)方式，如探測(cè)面為曲面或其它非平整表面時(shí)，可以使用薄膜類換能器（如聚偏氟乙烯壓電聚合體薄膜）；在大型結(jié)構(gòu)（如橋梁，飛機(jī)機(jī)翼等）的檢測(cè)中常常使用粘結(jié)式或嵌入式的方

47、法激勵(lì)Lamb波。本章將對(duì)多種Lamb波激勵(lì)及接收方式進(jìn)行簡(jiǎn)要的敘述，重點(diǎn)介紹PZT壓電陶瓷換能器的聲-電轉(zhuǎn)換機(jī)理及在Lamb波缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用。3.2 Lamb波的激勵(lì)與接收方式Lamb波可以通過(guò)多種方法進(jìn)行激勵(lì)和接收，大致上可分為五大類，包括超聲探頭激勵(lì)、激光超聲、壓電元件激勵(lì)、交叉指型換能器和光纖傳感器等。下面我們將做簡(jiǎn)要介紹。本課題的實(shí)驗(yàn)中采用了PZT壓電晶片激勵(lì)與接收Lamb波，我們將在本章的3.3中對(duì)PZT壓電元件做較為詳細(xì)的介紹。 超聲波探頭由于具有高精確度和高可控性，根據(jù)Snell定律設(shè)計(jì)的帶有可調(diào)角度的有機(jī)玻璃楔子25或Hertzain接觸式26換能器的超聲波探頭在Lamb波

48、的激勵(lì)及接收中得到廣泛的應(yīng)用。這種超聲探頭不會(huì)激勵(lì)出多模式的Lamb波，因此可以直接進(jìn)行信號(hào)詮譯。在實(shí)際操作中，耦合劑、定向是否準(zhǔn)確、接觸是否良好等因素會(huì)影響探測(cè)結(jié)果，因此，氣體耦合、流體耦合、電磁聲學(xué)換能器（EMAT）等新一代非接觸式探頭應(yīng)運(yùn)而生27-29。其中，EMAT可以有效地激勵(lì)出橫向剪切模式，但這種探頭只適用于金屬材料探傷。然而，進(jìn)行探測(cè)時(shí)，氣體或液體與被測(cè)材料間機(jī)械阻抗的巨大差異會(huì)降低探測(cè)精確度。超聲探頭檢測(cè)方法對(duì)近表面的缺陷的探測(cè)效果也不好，這是因?yàn)槿毕莘瓷洳〞?huì)受到發(fā)射超聲波脈沖波長(zhǎng)的限制。此外，由于探頭自身的質(zhì)量或體積造成的影響和在具有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)材料檢測(cè)中的局限性也大大降低了

49、該方法的實(shí)際應(yīng)用。 激光超聲采用激光超聲發(fā)生器（LBU）非接觸激勵(lì)并通過(guò)激光干涉儀獲得Lamb波是一種精確、可靠的方法30。Fabry-Perrot干涉儀和外差式干涉儀是該激勵(lì)方式中最常用到的裝置。LBU可以根據(jù)實(shí)際情況靈活地調(diào)節(jié)頻帶寬度，從而滿足不同的空間分辨率需求。檢測(cè)中，小到微小裂紋，大到明顯缺陷，LBU都能精確探測(cè)出來(lái)。在一些采用接觸式方法無(wú)法檢測(cè)的材料中，如具有曲面和復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的材料，采用LBU方法仍能進(jìn)行探測(cè)，且成效卓越。此外，通過(guò)一個(gè)短激光脈沖就能夠激發(fā)出具有多個(gè)模式的寬頻帶Lamb波信號(hào)，這樣就有更多的機(jī)會(huì)有選擇性地激勵(lì)出所需要的模式31。然而高昂的價(jià)格限制了該裝置的廣泛應(yīng)用

50、。 壓電元件鋯鈦酸鉛壓電元件（PZT）是很好的Lamb波激勵(lì)和接收器件，并且非常適合作為原位發(fā)生器集成到主體結(jié)構(gòu)中。由于鋯鈦酸鉛壓電元件自身重量和體積可以忽略且具有易于集成、機(jī)械強(qiáng)度好、寬頻率響應(yīng)、低能耗、低聲阻抗、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，該元件作為L(zhǎng)amb波發(fā)生器在缺陷探測(cè)中得到廣泛的應(yīng)用32（詳細(xì)內(nèi)容將在下面的章節(jié)介紹）?？紤]到可以將幾何形狀的影響降到最低從而避免波傳播的不均勻性，式（3.1）給出了圓盤(pán)形PZT換能器的最優(yōu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則33：， （3.1）式中R是PZT圓盤(pán)的半徑，v wave，f和wave分別表示給定模式Lamb波的波速，頻率和波長(zhǎng)?？紤]到PZT晶片的厚度較薄，為不使PZT元件去極化，

51、加在其兩端的最大電壓一般在250300V/mm之間。PZT換能器會(huì)同時(shí)激勵(lì)出多種模式的Lamb波，這是不可避免的，因此探測(cè)時(shí)需要進(jìn)行復(fù)雜的信號(hào)處理。更甚者，當(dāng)加的電壓太高或處于高溫下時(shí)，PZT換能器會(huì)出現(xiàn)一定的非線性和遲滯現(xiàn)象。此外，低驅(qū)動(dòng)力/位移、質(zhì)脆、不耐疲勞等缺點(diǎn)也在某些程度上限制了PZT元件的應(yīng)用。 交叉指型換能器在缺陷識(shí)別領(lǐng)域中，新型交叉指型換能器（如聚偏氟乙烯（PVDF）壓電聚合體薄膜）的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，該換能器不僅價(jià)格低廉，而且能提供多種用途34。與壓電陶瓷相比，PVDF具有靈活性好、尺寸穩(wěn)定性高、壓電系數(shù)穩(wěn)定和易操作等特點(diǎn)。采用PVDF激勵(lì)Lamb波時(shí)可以通過(guò)調(diào)節(jié)趾間電極距離來(lái)

52、控制波長(zhǎng)35。由于交叉指型換能器一般比較柔韌，因此可以靈活地改變形狀貼在被檢材料的曲面上。但PVDF的驅(qū)動(dòng)力較弱，因此PVDF主要用作感測(cè)器，但在一些研究中也會(huì)將PVDF用作激發(fā)器36，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PVDF激發(fā)器只能在很低的頻段內(nèi)工作，最多至500Hz。 光纖傳感器光導(dǎo)纖維的質(zhì)輕、抗電磁干擾、頻帶寬、兼容性好、使用壽命長(zhǎng)、低能耗和價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)使其在缺陷識(shí)別中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛37。在大多數(shù)情況下，光纖器件會(huì)用于捕獲靜態(tài)或準(zhǔn)動(dòng)態(tài)應(yīng)變，與普通的電阻應(yīng)變計(jì)相比38，光纖器件測(cè)應(yīng)變的分辨率要高出兩到三個(gè)數(shù)量級(jí)。然而，由于常規(guī)的光譜分析儀（OSA）的采樣率較低，在超聲領(lǐng)域中，很少會(huì)用光纖傳感器監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)Lam

53、b波信號(hào)。解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)方法是，將一個(gè)光纖光柵濾波器（FBG）與光電探測(cè)器相連39，這樣，由Lamb波而不是應(yīng)變本身導(dǎo)致光強(qiáng)變化能使實(shí)驗(yàn)中得到較高采樣率的信號(hào)。實(shí)驗(yàn)表明40，平行于波傳播方向的FBG傳感器捕獲到的Lamb波信號(hào)振幅是垂直于波傳播方向的FBG傳感器捕獲到的100倍。另有一項(xiàng)關(guān)于表面粘結(jié)式與嵌入式FBG傳感器獲取Lamb波信號(hào)的有效性研究表明41，嵌入式FBG傳感器的靈敏度是表面粘結(jié)式的20倍。然而在實(shí)際應(yīng)用中表面粘結(jié)式用得比較多，這是因?yàn)樵趶?fù)合板中嵌入光纖會(huì)降低材料的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，而且不方便移動(dòng)和維修。3.3 PZT壓電晶片激勵(lì)與接收Lamb波 壓電效應(yīng)與壓電陶瓷波壓電陶瓷是

54、指把氧化物（氧化鋯、氧化鉛、氧化鈦等）高溫?zé)Y(jié)，固相反應(yīng)后制成的多晶體，并通過(guò)直流高壓極化處理使其具有壓電效應(yīng)的鐵電陶瓷的統(tǒng)稱。所謂壓電效應(yīng)是指當(dāng)沿著一定方向?qū)δ承╇娊橘|(zhì)施力而使其變形時(shí)，介質(zhì)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在介質(zhì)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，電介質(zhì)又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。有時(shí)人們將這種機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。相反，當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場(chǎng)時(shí)，這些電介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生幾何形變，即將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，我們稱之為逆壓電效應(yīng)。這種奇妙的效應(yīng)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換、傳感、驅(qū)動(dòng)、頻率控制等功能。在基于Lamb波的材料損傷檢測(cè)和結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)中，具有正逆壓電效應(yīng)的壓電陶瓷（如PZT壓電陶瓷）、壓電高聚物薄膜（如PVDF薄膜）和壓電半導(dǎo)體（如GaAs半導(dǎo)體）等被廣泛用作換能器或傳感器來(lái)激勵(lì)和接收Lamb波3, 10, 18, 35, 42。其中，PZT壓電晶片的價(jià)格低廉，性能卓越，在