一种非线性超声导波准静态分量的测量方法及系统

本发明涉及非线性声学检测、材料与结构健康监测以及弹性波调控，尤其涉及一种非线性超声导波准静态分量的测量方法及系统。

背景技术：

1、非线性超声导波检测技术利用材料或结构状态变化引起的非线性声学响应进行检测，对材料早期性能退化及局部弱损伤具有较高的敏感性。当基频超声导波在具有非线性特性的固体介质中传播时，可产生高次谐波、准静态分量等非线性响应。其中，准静态分量在时域上表现为低频脉冲响应，其主要频率成分集中于零频附近，并能够随基频导波传播过程持续产生和累积。因此，准静态分量作为表征材料非线性状态及结构状态变化的特征信号，已经被应用于材料或结构状态检测方法。

2、在实际传播过程中，准静态分量与幅值较大的基频导波形成混合波场，现有技术采用低频接收换能器动态测量准静态分量，输出调制后的信号波形，其测量结果依赖于接收换能器的频率响应特性，且无法准确反映准静态分量本身的理论时域包络。或者通过信号后处理方式，结合预先设置的信号处理参数，从接收到的混合信号中分离出准静态分量，其测量结果容易受滤波参数影响。此外，准静态分量的时域持续时间和频谱分布与基频激励信号的持续时间相关，通过调整信号处理参数和接收器件的频率响应匹配关系，难以保持准静态分量自身的时域波形特征以及对不同激励条件的适应性。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种超材料滤波结构对混合波场进行频率选择性调控，使高频振荡的基频导波在带隙作用下快速衰减，允许与准静态分量对应的低频脉冲包络保持高透射水平穿过滤波结构进入测量区域，从而在采集设备接收到信号之前即完成基频导波与准静态分量在物理层面的分离。

2、第一方面，本发明实施例提供了一种非线性超声导波准静态分量的测量方法，包括：

3、获取待测试板的材料密度、杨氏模量、泊松比与厚度，构建兰姆波在所述待测试板中传播的频散方程并求解所述频散方程，得到所述待测试板中兰姆波的频散关系；根据所述频散关系确定基频兰姆波的目标模态及与所述目标模态对应的激励中心频率；

4、生成中心频率为所述激励中心频率的有限周期激励信号，将所述有限周期激励信号转换为作用于所述待测试板上激励位置的机械振动，以在待测试板内激发所述目标模态的基频兰姆波，所述基频兰姆波在所述待测试板的非线性作用下产生并累积准静态分量，并形成包含所述基频兰姆波与所述准静态分量的混合波场；

5、依据所述激励中心频率及准静态分量的近零频特性确定超材料滤波结构；其中，所述激励中心频率位于所述超材料滤波结构的带隙范围内，所述准静态分量对应的近零频成分位于所述超材料滤波结构的允许传播频段内；沿所述基频兰姆波在所述待测试板内的传播方向，将所述超材料滤波结构设置于准静态分量产生及累积传播区域的下游；

6、将所述混合波场传入所述超材料滤波结构，抑制所述基频兰姆波的传播，并允许所述准静态分量对应的近零频成分通过所述超材料滤波结构；

7、在所述超材料滤波结构的输出侧采集波场的振动时域响应，得到所述准静态分量对应的低频脉冲包络时域响应。

8、第二方面，本发明实施例还提供了一种非线性超声导波准静态分量的测量系统，包括：

9、参数确定模块，用于获取待测试板的材料密度、杨氏模量、泊松比与厚度，构建所述待测试板中兰姆波的频散方程并求解所述频散方程，得到所述待测试板中兰姆波的频散关系；根据所述频散关系确定基频兰姆波的目标模态及与所述目标模态对应的激励中心频率；

10、激励模块，用于生成中心频率为所述激励中心频率的有限周期激励信号，将所述有限周期激励信号转换为作用于所述待测试板上激励位置的机械振动，以在待测试板内激发所述目标模态的基频兰姆波，所述基频兰姆波在所述待测试板的非线性作用下产生并累积准静态分量，并形成包含所述基频兰姆波与所述准静态分量的混合波场；

11、超材料滤波结构模块，用于依据所述激励中心频率及准静态分量的近零频特性确定超材料滤波结构；其中，所述激励中心频率位于所述超材料滤波结构的带隙范围内，所述准静态分量对应的近零频成分位于所述超材料滤波结构的允许传播频段内；沿所述基频兰姆波在所述待测试板内的传播方向，将所述超材料滤波结构设置于传播路径上准静态分量的下游累积区域；将所述混合波场传入所述超材料滤波结构，抑制所述基频兰姆波的传播，并使所述准静态分量对应的近零频成分通过所述超材料滤波结构；

12、采集模块，用于在所述超材料滤波结构的输出侧采集波场的振动时域响应，得到所述准静态分量对应的低频脉冲包络时域响应。

13、第三方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括：

14、至少一个处理器；

15、用于存储所述至少一个处理器可执行指令的存储器；

16、其中，所述至少一个处理器被配置为执行所述指令，以实现如第一方面任一项所述的方法。

17、第四方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，当所述计算机可读存储介质中的指令由电子设备的处理器执行时，使得所述电子设备能够执行如第一方面任一项所述的方法。

18、本发明实施例将现有基于超材料的非线性导波监测的调控对象从二次谐波推广到准静态分量，填补了近零频非线性响应在采集前物理分离手段方面的空白。本发明实施例在准静态分量产生和累积之后、信号采集之前，利用超材料滤波结构对混合波场进行频率选择性调控，将激励中心频率置于带隙内、将近零频置于允许传播频段内。同时，通过将超材料滤波结构设置于准静态分量产生及累积传播区域的下游，使基频兰姆波在受到抑制之前能够在待测试板内传播预定距离并充分产生、累积准静态分量，可以避免因过早抑制基频兰姆波而影响准静态分量的形成。

19、另外，本发明实施例还可以在保持激励中心频率不变而改变激励周期数时，通过使不同激励周期数对应的基频兰姆波主要频率成分均位于超材料滤波结构的抑制传播频段内，并使相应准静态分量的主要低频成分均位于允许传播频段内，实现同一超材料滤波结构能够对不同激励持续时间下形成的混合波场进行频率选择性调控，而无需针对激励周期数的变化重新设计滤波结构，从而提高准静态分量测量对不同激励持续时间的适应能力，并减少对其低频脉冲时域特征的影响。

1.一种非线性超声导波准静态分量的测量方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超材料滤波结构包括有限数量的超材料单胞，所述超材料单胞沿所述基频兰姆波的传播方向和垂直于所述传播方向的宽度方向上周期排列；

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，包括：确定所述超材料单胞的几何参数，具体为：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括对由所述超材料单胞构成的有限尺寸超材料滤波结构进行频率透射特性验证，具体为：

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有限周期激励信号为汉宁窗调制的正弦激励信号，所述正弦激励信号由正弦载波与汉宁窗包络相乘构成，所述正弦载波的频率为所述激励中心频率，所述汉宁窗包络的时间宽度由所述激励中心频率的倒数与所述正弦激励信号的周期数确定；

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在保持所述激励中心频率不变的条件下，分别采用具有不同周期数的有限周期激励信号进行激励，并在所述超材料滤波结构的输出侧获得各周期数对应的准静态分量时域响应；

7.一种非线性超声导波准静态分量的测量系统，其特征在于，包括：

8.一种电子设备，其特征在于，包括：

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，当所述计算机可读存储介质中的指令由电子设备的处理器执行时，使得所述电子设备能够执行如权利要求1至6任一项所述的方法。