基于Barker码脉冲压缩技术的钢板多阵元Lamb波电磁超声换能器设计与优化

为了解决传统Barker码脉冲压缩技术受脉冲功率放大器额定参数(占空比,最大脉冲宽度等)限制而导致的脉冲压缩效果下降、检测速度降低等问题,提出一种基于Barker码脉冲压缩技术的多阵元Lamb波电磁超声换能器(EMAT)。建立了基于tone-burst信号激励-Barker码脉冲压缩技术的多阵元Lamb波EMAT检测过程的有限元模型,分析了永磁体的配置形式、阵元序列长度、激励信号周期数、曲折线圈匝数等因素对脉冲压缩后的主旁瓣比和主瓣宽度的影响,并进行了实验验证。结果表明:曲折线圈匝数为4和Barker码序列长度为13位的多阵元EMAT在配置3对外置永磁体后,其信噪比(SNR)可提高9.8 dB。综合考虑检测回波的空间分辨率和SNR,多阵元Lamb波EMAT最佳参数为:曲折线圈匝数为10、激励信号周期数为11、Barker序列为13位,并配置3对外置永磁体。

基于Lamb波损伤特征融合模型的金属结构件疲劳裂纹扩展预测

针对动态载荷环境下机械装备金属结构件疲劳裂纹扩展延伸问题,提出一种基于Lamb波损伤特征融合的疲劳裂纹扩展预测模型。首先从Lamb波信号传播特性出发,分析对比对称模式下Lamb波损伤信号和基准信号传播过程中的特性变化,在此基础上提取能够敏感表达结构损伤的相关系数和相位差异特征,通过变量标准化变换后进一步构建出疲劳裂纹扩展预测模型,最后利用金属结构件全寿命周期疲劳实验数据对模型进行验证。结果表明:所提模型能够准确预测动态载荷环境下疲劳裂纹扩展过程,与其他预测模型相比优势明显,可为机械装备关键结构件合理检修计划制定提供一定参考借鉴。

融合Radon变换的孔边裂纹Lamb波定位成像研究

基于不同模态Lamb波与孔边裂纹相互作用的基本原理,聚焦不同模态Lamb波波包飞行时间精确检测问题,以各向同性板中的孔边裂纹为研究对象,开展了融合Radon变换的孔边裂纹Lamb波定位成像研究。首先,使用宽频chirp信号激励稀疏传感器阵列产生Lamb波,并采集通孔散射信号作为基线信号,采集孔边裂纹散射信号作为缺陷信号。其次,对chirp响应信号进行滤波处理,优化选取窄带单音频脉冲响应信号的中心频率和调制周期数。然后,对基线单音频脉冲响应信号进行Radon变换,得到优化后的群速度和偏移时间,并计算出Lamb波波包飞行时间。最后,使用椭圆定位成像算法对孔边裂纹进行定位成像,并将成像结果与名义群速度法的结果进行对比。结果表明,使用Radon变换可以准确获取Lamb波波包飞行时间,提升了不同模态Lamb波对孔边裂纹缺陷的检测能力。

基于混叠模态Lamb波能量衰减特性的液位检测研究

提出了一种利用混叠模态Lamb波检测液位的方法。利用具有单侧液体负载的Lamb波的频散方程求得了相速度频散曲线,分析了波的离面位移和接收信号能量衰减的关系,选择激励了对液位变化敏感的Lamb波模态。仿真计算了不同角度入射波对应的混叠接收时域信号及其对应的能量。实验测试结果表明,包含B4模态波为主的混叠波的检测区分度远高于其他模态混叠波和纵波,该结果与理论计算相符。

基于PVDF梳状换能器的零群速度Lamb波层合板损伤检测的数值研究

为提高层合板损伤检测的准确性与灵敏度,基于聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)梳状换能器激发的零群速度(zero group velocity,ZGV)Lamb波,提出了一种层合板损伤的检测方法。采用二维时域有限元方法,研究了PVDF梳状换能器对零群速度Lamb波的激励,通过改变层合板中铝层杨氏模量来表征不同的损伤程度,分析了PVDF梳状换能器电压响应特性与层合板损伤程度之间的关系。结果表明:采用PVDF梳状换能器能够有效激励零群速度Lamb波,并获得层合板内部的状态信息。随着损伤程度的增加,PVDF梳状换能器响应的零群速度共振峰频域幅值随着铝层杨氏模量的减小而显著减少,进而灵敏地评价层合板损伤变化。研究结果说明优化设计的PVDF梳状换能器在零群速度Lamb波的激发与接收性能上都具有优越性,能够有效检测层合板损伤情况。

正交异性钢桥面板横梁切口裂纹的Lamb波监测分析

为探究钢桥面板横梁切口裂纹的Lamb波技术监测效果,设计了2个钢桥面板足尺模型,通过循环加载使其横梁切口处发生疲劳开裂,利用Lamb波监测裂纹扩展情况,进而从波信号中提取标准化特征,用于评估裂纹扩展.建立并验证了钢桥面板有限元模型,进行了裂纹长度、传感器位置等各种参数分析,以确定最佳传感器布置.试验结果表明:当裂纹扩展长度与波传播路径垂直时,标准化特征增大;当两者路径平行时,标准化特征减小.参数化分析结果确定了切口处裂纹监测的最佳传感器位置,建议在选定横梁切口区域,预先布置1个激励器和4个接收器,激励器位于距切口50 mm处,接收器位于距离切口50 mm处或距顶板50~100 mm处.

基于Lamb波的损伤铝板信号获取仿真研究

为了分析Lamb波在健康铝板和通孔铝板上的传播规律,提出基于Lamb波的损伤信号获取仿真方法。首先绘制3 mm铝板的群速度和相速度频散曲线,然后调制激励信号,在有限元软件Abaqus中建模仿真,获得Lamb波在铝板上的信号,最后再将各信号带入损伤因子公式中计算SDC值。研究结果表明:距离激励点的位置越远,Lamb波衰减的越厉害;相同位置,接收到完整板的信号幅值大于损伤板;传感器距离损伤位置越近,损伤因子越大。研究结果为无损检测成像技术提供理论支持。

北极冰层反射系数与Lamb波频散的关系

为获得北极冰层反射系数与Lamb波的关系,应用传递矩阵法分析了冰层反射系数实虚部、模值范围与冰层自由Lamb波、漏Lamb波频散的关系。获得了冰层自由Lamb波频散曲线与反射系数的对应关系;针对漏Lamb波相速度大于冰层纵波声速,振动模态无法识别的现象,通过调整冰−水界面耦合条件,得到改进后的漏Lamb波频散方程,获得小角度入射时冰层漏Lamb波振动模态与反射系数的关系,并结合北极跨冰层检波实验数据进行了验证。结果表明,反射系数小于1的频段声波激发了相应频段的冰层Lamb波。此外,根据改进的漏Lamb波频散方程进一步获得了多层冰层漏Lamb波频散曲线。

套管中弯曲型Lamb波数值仿真和物理模拟

低密度水泥在低压易漏复杂井固井中的广泛应用使得声阻抗类测井方法难以准确、有效地评价固井质量。基于套管中传播的弯曲型Lamb波对套后介质的声学参数和胶结状况的敏感性,该文通过理论计算和实验测量研究了不同频率下弯曲型Lamb波衰减与水泥声学性质的关系,较低的工作频率会使得不同水泥阻抗下的衰减动态变化范围降低,且对水泥环第I界面的窜槽厚度也有很高的灵敏度;利用套管外胶结流体和固体时衰减的差异,还可较好地区分套管外声阻抗接近的流体和固体;但弯曲型Lamb波的同一个衰减值可与两个水泥声阻抗值相对应,因此需通过建立弯曲型Lamb波的衰减与水泥声阻抗的解释图版以提高低密度水泥固井质量评价的可信度。该文的计算分析结果对进一步应用弯曲型Lamb评价低密度水泥具有指导意义。

稀疏阵列下基于机器学习多模Lamb波损伤监测

复合材料结构损伤机理复杂,形式多样,对工程结构的安全带来潜在的风险,也使得结构健康监测研究中的损伤程度辨识存在很大的困难。针对上述问题与实际工程应用场景,研究基于稀疏阵列的多模态Lamb波损伤识别方法。分析多模态Lamb波在复合材料结构中的传播过程及损伤作用机理;设计稀疏压电阵列,提高工程应用实用性;采用Fisher线性判别原理,分析提取识别损伤区域下的最优监测路径;最后,基于损伤机理分析,提取Lamb波结构响应时域、频域、时频域多特征参数,建立基于支持向量机的损伤监测与评估模型。实验验证表明,基于稀疏阵列的多模态Lamb波损伤辨识技术能够识别任意区域、不同程度的损伤,识别率为93.75%。

Lamb波模态体声波压电谐振器仿真研究

随着现代通信技术的发展,对高性能射频器件的需求愈加急迫。体声波(BAW)谐振器凭借其独特的优势,满足了高频应用领域的需求,成为当下射频器件中热门的研究方向之一。该文提出一种基于叉指电极的兰姆波S0模态BAW谐振器,并讨论了支撑锚结构和压电材料对器件的品质因数(Q)值的影响,仿真分析了4种锚结构和3种压电材料下器件的品质因数情况。同时基于仿真得到的氮化铝BAW谐振器单元,采用梯形级联方式得到频带在70.36~71.45 MHz的BAW滤波器,插入损耗>-1 dB,能够适用于高频窄带应用范围。

基于Lamb波的钢桥面板U肋-顶板节点疲劳损伤检测数值仿真分析

为解决Lamb波用于检测板类焊接结构疲劳损伤时受到多模态特性限制的问题,对Lamb波在无损和带损伤钢桥面板中的传播过程进行数值仿真分析。利用MATLAB软件计算Lamb波频散方程,得到对称模态和反对称模态下的群速度和相速度的频散曲线,并采用Hanning窗函数对Lamb波信号进行处理;以U肋-顶板节点疲劳损伤为例,基于Abaqus软件模拟Lamb波在无损和带损伤钢桥面板的传播过程,得到相应的幅值曲线,并通过小波分析确定钢桥面板的时频信号分布状态。结果表明:使用同一频率Lamb波检测时,有损信号的幅值增大;采用不同频率Lamb波检测带损伤钢桥面板,Lamb波的激励频率越高,信号幅值越大。200 kHz Lamb波相比150 kHz Lamb波的时频分布差异明显,且能量分布愈加集中,更利于实现损伤的精确定位,推荐采用200 kHz Lamb波检测钢桥面板的疲劳损伤。

基于Lamb波与虚拟时间反转的延时叠加成像算法

针对传统的延时叠加成像容易产生伪像而导致缺陷不易识别且成像清晰度差的问题,提出采用虚拟时间反转技术与椭圆定位法初步定位损伤区域,进而在对应的时间窗内截取差信号,最后结合延时叠加成像技术解决了伪像和清晰度问题。以ABAQUS软件仿真的方式模拟Lamb波在损伤铝板中的传播过程,首先利用虚拟时间反转法对初次响应信号进行处理而获得聚焦重构信号,然后利用准确的时间延时作椭圆以初步定位范围,从而得到对应的时间窗来截取差信号,最后结合延时叠加成像技术对损伤进行成像。仿真和试验结果表明:该方法降低了操作难度,提高了成像清晰度,能准确有效地识别损伤位置,提高了铝板的损伤定位检测精度。

混凝土裂缝修补质量的Lamb波技术无损检测

目前对于缺陷混凝土裂缝修补质量的检测,大多是通过外表观察,产生疑问之后对其进行破坏性检测。为探究一种无损检测方法,本文通过应用ABAQUS软件建立有裂缝的缺陷混凝土梁有限元模型,选择最优激励信号,应用Lamb波在跨缝对称检测模式下检测混凝土梁缺陷,通过对比修补前后混凝土构件中接收区域时域信号的小波包能量差,引入两种评价体系,得到裂缝修补质量的评价指标。研究表明,应用Lamb波技术检测混凝土裂缝修补质量有很好的效果。

LAMB3重组慢病毒载体的构建、包装和鉴定

目的 构建含有LAMB3基因的慢病毒表达载体,并感染HaCaT细胞,评价重组慢病毒载体提高LAMB3基因及蛋白表达的效果。方法 提取皮肤组织的总RNA,通过反转录方法扩增LAMB3基因,将其连入慢病毒载体pCDH-CMV中,在感受态细胞DH5α中扩增培养,并进行LAMB3基因的测序鉴定,将重组的慢病毒质粒转染293T细胞,浓缩纯化病毒液,感染HaCaT细胞并提取细胞的总蛋白和总RNA,用qPCR方法检测LAMB3 mRNA在感染病毒的HaCaT细胞中的表达,通过Western blot方法检测LAMB3蛋白在感染病毒的HaCaT细胞中的表达。结果 构建的慢病毒载体pCDH-CMV-LAMB3经测序分析证实基因序列正确。包装后的慢病毒滴度为108PFU/mL。qPCR方法检测到感染病毒的HaCaT细胞中,LAMB3基因在转录水平上有表达,Western blot方法检测到感染病毒的HaCaT细胞中,LAMB3过表达组与空白对照组相比,LAMB3蛋白表达量显著增加,LAMB3蛋白在翻译水平有表达。结论 本研究构建的携带LAMB3基因的重组慢病毒能够感染HaCaT细胞,并使其LAMB3基因及蛋白含量增加。

基于Lamb波高阶JS散度的铝合金板损伤定征方法

针对高速列车车体铝合金构件疲劳损伤的在线检测问题,提出一种基于Lamb波时频高阶JS散度的铝合金裂纹损伤量化评估方法。采用基于相空间重构的奇异值分解方法对Lamb波传感信号进行噪声抑制,利用归一化窗S变换分析损伤信号的时频域瞬态能量分布特征。为了更深层次地揭示Lamb波损伤信号在时间维度与频率维度的非线性分布特性,提出信号时域与频域的n阶矩计算方法,采用损伤信号与无损信号间的时频高阶JS散度距离作为损伤指数对铝合金板的疲劳损伤进行量化评估,并分析高阶JS散度距离与铝合金板疲劳裂纹密度间的线性相关性。有限元仿真和铝合金板的疲劳损伤检测试验结果表明,本文提出的方法对铝合金薄壁件早期裂纹具有较高的敏感性,对疲劳裂纹损伤具有较好的量化表征能力。该方法无需进行Lamb波在复杂构件中传播机理分析与损伤波包识别,简单高效,可操作性强,在高速列车车体复杂结构损伤评估中具有较好的应用前景。

A0模态Lamb波聚焦透镜的结构设计及实验研究

基于折射率的弯曲波透镜多在板结构上打孔或挖槽,这种设计破坏了原有的结构,降低了板的刚度和稳定性。鉴于此,通过在板表面镶嵌棱柱的方式设计了A0模态Lamb波的聚焦透镜。首先,详细讨论了棱柱的结构参数对Lamb波带隙的影响机理,获取了波速与结构尺寸的定量关系,并实现了透镜的结构设计;其次,有限元仿真了该聚焦透镜的工作性能,包括聚焦位置、焦点处能量分布、聚焦尺寸、工作带宽等;最后,通过实验验证了该透镜设计的正确性。研究结果表明,设计的透镜能够使弯曲波聚焦在预先设定位置,且在不改变结构参数的情况下具有一定的工作频率带宽。该透镜设计方法具有聚焦性能优越、刚度强、易于加工等优点,为声聚焦透镜在无损检测、能量收集等领域的实际应用提供了参考。

基于分层模型的复合材料耦合Lamb波频率—波数域特性研究

针对复合材料层合板中耦合Lamb波的传播问题,基于分层模型提出解析建模与有限元数值模拟相结合的方法对其进行预测和评估。利用Legendre正交多项式展开法推导多层各向异性复合材料层合板中耦合Lamb波的控制方程,并对频率-波数域频散特性曲线实现数值求解。基于平面壳单元构建复合材料层合板的有限元模型,采用波结构加载法生成单一Lamb波基本模态,设计复合材料层合板的不同纤维取向、边界和界面约束条件,并经二维傅里叶变换获得有限元模拟数据的频率-波数域频散特性曲线。通过对比验证,结果表明两种方法均有较好的吻合性。

氮化铝Lamb波谐振器的能量损耗分析研究

本文介绍了工作频率为400 MHz和2 GHz氮化铝Lamb波谐振器的结构设计、微纳制造及测试表征,研究了锚点损耗和声子间相互作用损耗对Lamb波谐振器品质因数(Q值)的影响,并分析了不同工作频率的Lamb波谐振器的主要能量损耗来源.研究发现:对于低频谐振器,锚点损耗为其主要能量损耗来源,因此减小支撑轴宽度可减少通过支撑轴泄漏至衬底的能量,进而提高Q值;对于高频谐振器,声子间相互作用损耗为其主要能量损耗来源,因此相比于金(Au),采用铝(Al)作为叉指电极(IDT)材料的谐振器具有更高Q值.针对Lamb波谐振器的结构特点,设计了一套基于七步光刻工艺的微纳制程,成功制备了具有微型化释放腔体的Lamb波谐振器,并具备优异的性能.测试结果表明,工作频率为400 MHz和2 GHz的Al-IDT谐振器的串联品质因数(Qs)分别达到2 590和1 192.

基于超声Lamb波的固井质量评价新技术与应用

为了解决传统的CBL/VDL声波测井、扇区水泥胶结测井以及超声脉冲回波测井均不能准确评价轻质水泥固井质量的难题,提高低密度轻质水泥固井质量评价的准确性,基于超声“脉冲-回波”检测原理,研制超声Lamb波固井质量评价测井仪,建立弯曲型Lamb波衰减率、垂直回波共振效率与套管外介质声阻抗之间的关系模型,构建固液气三相介质评价图版,结合轻质水泥刻度井测试,建立了基于超声Lamb波的固井质量评价新方法。该方法可有效评价低密度轻质水泥固井质量和检测确定水泥返高位置,解决了轻质水泥固井质量评价难题。应用表明,该技术为低密度轻质水泥固井质量检测与评价提供了新思路,同时超声Lamb波固井质量评价测井仪还可以实现套管居中度和套损检测评价,可为固井质量评价和井筒完整性检测提供依据,应用前景广阔。