功率放大器在Lamb波信号波包模型验证研究中的应用

实验名称：窄带激励条件下的兰姆波时域信号参数估计研究

研究方向：Lamb波

测试目的：

基于Lamb波的二阶频散理论，提出了时域信号的波包模型，为全文奠定理论基础。模型考虑两种情况：初始激励以单模态传播和由模态转换现象引起的双模态传播。在模型推导过程中，明确地给出了模型参数、传播距离、频散特征之间的解析关系。在时-频域内，通过实验信号或（和）数值模拟信号对模型进行了验证。

利用信号波包模型，将信号处理过程中的反卷积问题转化为参数估计问题。为解决参数估计问题，提出了一种基于期望-最大化算法的Lamb波信号处理技术，用于对信号参数进行估计。通过合成信号，对该信号处理方法的收敛性、抗噪声能力以及参数估计结果可靠性进行了验证。同时，利用实验测量信号或（和）数值模拟信号，验证了单模态传播模型中各参数与传播距离、频散特征间的关系，并利用其关系提出了一种从信号中提取模态频散特征的方法。

测试设备：ATA-2022功率放大器、信号采集卡、信号输出卡、电脑。

实验过程：

图：（a）被测铝板；（b）传感器及用于激发AO和SO模态初始激励的外接电路示意图

如图上图a所示，2024铝板厚度为2mm，两个传感器对相距36.0cm。在本次试验中，1号点上下对称粘贴的传感器对被用作激励器，2号点的上表面传感器被用作接收器。每个传感器点包含两个尺寸一致且上下表面对称粘贴的PZT-5H圆形压电晶片，其厚度为0.2mm，直径为10.0mm。采用上图b所示的外接电路分别对上下传感器施加同相和反相电场，以激发出“单纯”的S0模态和A0模态的初始激励。

图2：实验设备

实验的外接电路和控制单元如图2所示。其中，控制软件由自编的Labview程序完成，负责控制激励信号的生成和数据的同步采集。同时，根据激励情况对信号进行带通滤波处理（例如当激励信号的中心频率为140KHz时，可将带通设为20KHz〜600KHz，在不对信号造成影响的前提下，避免电磁干扰对信号的影响）。激励信号由信号输出板卡生成，输出信号经由ATA-2022功率放大器放大后驱动激励单元，信号采集板卡负责弹性波信号采集。

图3：数值模拟模型

基于平面应变假设，用ABAQUS有限元软件针对如图3所示的模型进行模拟。在A点的上表面At处和下表面Ab处分别施加对称和反对称载荷以激励出A0和SO两种模态的初始激励，B点应力的历史输出即为采样信号。在模拟过程中，为保证结果的精确性，采用实体单元，划分网格密度为0.2mm。材料参数为上文所提到的2024铝板参数，模型厚度为2.0mm，长度为1.0m，A点与B点间距为36.0cm。

实验结果：

图：2mm铝板中传播36cm的Lamb波波包，A0模态：(a)合成信号；(b)数值模拟信号；(c)实验信号。S0模态：(d)合成信号；(e)数值模拟信号；(f)实验信号。

对比信号波形可以发现：虽然三种信号在抵达时间和时间跨度上呈现出相似的特征，但是波形的具体细节有所差别，主要体现在相位上。这是因为：在构建合成信号时，并未将相速度予以考虑，因此造成的相位的差别。

ATA-2022B高压放大器：

图：ATA-2022B高压放大器指标参数