功率放大器在Lamb波信號(hào)波包模型驗(yàn)證研究中的應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)名稱：窄帶激勵(lì)條件下的蘭姆波時(shí)域信號(hào)參數(shù)估計(jì)研究

研究方向：Lamb波

測(cè)試目的：

基于Lamb波的二階頻散理論，提出了時(shí)域信號(hào)的波包模型，為全文奠定理論基礎(chǔ)。模型考慮兩種情況：初始激勵(lì)以單模態(tài)傳播和由模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象引起的雙模態(tài)傳播。在模型推導(dǎo)過(guò)程中，明確地給出了模型參數(shù)、傳播距離、頻散特征之間的解析關(guān)系。在時(shí)-頻域內(nèi)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)信號(hào)或（和）數(shù)值模擬信號(hào)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。

利用信號(hào)波包模型，將信號(hào)處理過(guò)程中的反卷積問(wèn)題轉(zhuǎn)化為參數(shù)估計(jì)問(wèn)題。為解決參數(shù)估計(jì)問(wèn)題，提出了一種基于期望-最大化算法的Lamb波信號(hào)處理技術(shù)，用于對(duì)信號(hào)參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。通過(guò)合成信號(hào)，對(duì)該信號(hào)處理方法的收斂性、抗噪聲能力以及參數(shù)估計(jì)結(jié)果可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。同時(shí)，利用實(shí)驗(yàn)測(cè)量信號(hào)或（和）數(shù)值模擬信號(hào)，驗(yàn)證了單模態(tài)傳播模型中各參數(shù)與傳播距離、頻散特征間的關(guān)系，并利用其關(guān)系提出了一種從信號(hào)中提取模態(tài)頻散特征的方法。

測(cè)試設(shè)備：ATA-2022功率放大器、信號(hào)采集卡、信號(hào)輸出卡、電腦。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

圖：（a）被測(cè)鋁板；（b）傳感器及用于激發(fā)AO和SO模態(tài)初始激勵(lì)的外接電路示意圖

如圖上圖a所示，2024鋁板厚度為2mm，兩個(gè)傳感器對(duì)相距36.0cm。在本次試驗(yàn)中，1號(hào)點(diǎn)上下對(duì)稱粘貼的傳感器對(duì)被用作激勵(lì)器，2號(hào)點(diǎn)的上表面?zhèn)鞲衅鞅挥米?a target="_blank">接收器。每個(gè)傳感器點(diǎn)包含兩個(gè)尺寸一致且上下表面對(duì)稱粘貼的PZT-5H圓形壓電晶片，其厚度為0.2mm，直徑為10.0mm。采用上圖b所示的外接電路分別對(duì)上下傳感器施加同相和反相電場(chǎng)，以激發(fā)出“單純”的S0模態(tài)和A0模態(tài)的初始激勵(lì)。

圖2：實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)的外接電路和控制單元如圖2所示。其中，控制軟件由自編的Labview程序完成，負(fù)責(zé)控制激勵(lì)信號(hào)的生成和數(shù)據(jù)的同步采集。同時(shí)，根據(jù)激勵(lì)情況對(duì)信號(hào)進(jìn)行帶通濾波處理（例如當(dāng)激勵(lì)信號(hào)的中心頻率為140KHz時(shí)，可將帶通設(shè)為20KHz?600KHz，在不對(duì)信號(hào)造成影響的前提下，避免電磁干擾對(duì)信號(hào)的影響）。激勵(lì)信號(hào)由信號(hào)輸出板卡生成，輸出信號(hào)經(jīng)由ATA-2022功率放大器放大后驅(qū)動(dòng)激勵(lì)單元，信號(hào)采集板卡負(fù)責(zé)彈性波信號(hào)采集。

圖3：數(shù)值模擬模型

基于平面應(yīng)變假設(shè)，用ABAQUS有限元軟件針對(duì)如圖3所示的模型進(jìn)行模擬。在A點(diǎn)的上表面At處和下表面Ab處分別施加對(duì)稱和反對(duì)稱載荷以激勵(lì)出A0和SO兩種模態(tài)的初始激勵(lì)，B點(diǎn)應(yīng)力的歷史輸出即為采樣信號(hào)。在模擬過(guò)程中，為保證結(jié)果的精確性，采用實(shí)體單元，劃分網(wǎng)格密度為0.2mm。材料參數(shù)為上文所提到的2024鋁板參數(shù)，模型厚度為2.0mm，長(zhǎng)度為1.0m，A點(diǎn)與B點(diǎn)間距為36.0cm。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

圖：2mm鋁板中傳播36cm的Lamb波波包，A0模態(tài)：(a)合成信號(hào)；(b)數(shù)值模擬信號(hào)；(c)實(shí)驗(yàn)信號(hào)。S0模態(tài)：(d)合成信號(hào)；(e)數(shù)值模擬信號(hào)；(f)實(shí)驗(yàn)信號(hào)。

對(duì)比信號(hào)波形可以發(fā)現(xiàn)：雖然三種信號(hào)在抵達(dá)時(shí)間和時(shí)間跨度上呈現(xiàn)出相似的特征，但是波形的具體細(xì)節(jié)有所差別，主要體現(xiàn)在相位上。這是因?yàn)椋涸跇?gòu)建合成信號(hào)時(shí)，并未將相速度予以考慮，因此造成的相位的差別。

安泰ATA-2022B高壓放大器：

圖：ATA-2022B高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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審核編輯：湯梓紅