导语航空轮胎是必须满足高质量标准的关键部件。飞机在机场跑道上滑行时，轮胎的低频振动会影响飞机的操控性，并可能导致起落架产生不期望的疲劳诱发振动(摆振)。航空轮胎的振动分析可以获取轮胎的动力学特性，确定轮胎的特征频率和定义完整的轮胎模态振型。通过这个模型，工程师可以客观地评估他们所担心相邻组件的振动问题，因为这些问题可能会导致很严重的后果：过度振动可能会导致飞机组件过早疲劳失效。01实验装置将完整的A320航空轮胎均匀喷上反光漆，并安装在一个由白噪声激励信号驱动的激振器上。在距离轮胎2.5m远处，由Polytec公司的三维扫描式激光测振仪PSV-500-3D系统来测量轮胎的径向、切向和轴向的振动响应。图1A320车轮的测量网格(由SOPEMEA集团提供，法国Velizy)如图1所示，在轮胎和轮毂布置高测点密度，测点超过100个。由于白噪声激励的非周期性，另加载重叠66%的汉宁窗。测量的是30Hz到400Hz范围内的工作变形(ODS)，频响函数(FRF)及相干性。工作变形(ODS)从测试数据里得出。该试验数据还可导入至专门的模态分析软件，进行更完整的分析和模型验证。02测量结果图2航空轮胎37Hz(a)和353Hz(b)时的工作变形主共振发生在37、69和353Hz处。在37Hz处，单纯出现轮胎弯曲变形(图2a)。在353Hz处，轮毂发生弯曲振动，轮胎出现更严重的弯曲变形(图2b)。谐振频率之间的相干性降低，但在峰值附近的区域足以用于工作模态验证分析。图3平均频响函数总结与展望PSV-500-3D扫描式激光测振仪的设备安装简单，并具有很高的空间测点密度，有效地提高了航空轮胎的试验模态分析数据质量，无需破坏被测结构便可简单快速地获取良好的模态振型。上述虽然只是航空振动的测试个案，但预示了未来航空航天业使用3-D扫描式激光测振仪来测量飞机组件的一个日益增长的趋势。鸣谢KintscherM.MethodforthePre-DesignofaSmartDroopNoseusingaSimplexOptimizationScheme.–SAEAerotechCongressandExhibition,10.-12.November2009,Seattle,Washington,USA.AmiryantsG.,MalyutinV.,TimokhinV.Selectivelydeformablestructuresfordesignofadaptivewingsmartelements.27thCongressoftheInternationalCounciloftheAeronauticalSciences–ICAS2010,19.-24.September2010,Nice,France.
01介绍该项目研究了大量自适应控制概念。由DLR和空客集团(前身为EADS)的德国专家们开发的一种方案，可直接连接到机翼盒段上的自适应、智能渐变桁条或前缘结构(图1)。02试验装置这一概念的重要一步是创建一个带有渐变桁条的大型的机翼段，在大型低速风洞中（TsAGI101）对其进行测试(图2)。三段自适应桁条包括由增强型玻璃纤维塑料制成的弹性增强蒙皮。图2风洞内的机翼模型(1-自适应桁条、2-沉箱、3-襟翼、4–翼翅、5–导流罩、6-气动支撑、7-气动失速刻度)作为非常复杂的计算和试验工作的一部分，来自俄罗斯国家研究中心的空气流体动力学中心的专家们参与了设计和制造风洞天平的模型测试，并确定了翼型的动力学特性和静态刚度参数。这项工作不仅与测量气动弹性现象(颤振、冲击等)的风洞测试的安全要求有关，而且对于使用试验方法来确定模型的自然频率和模态振型来验证CAD几何和有限元模型(NASTRAN)来说，是非常必要的。试验时，为了达到所需的边界条件，模型两侧分别使用弹性绳悬挂在桥式起重机上(图3)。图3.模型频率实验的弹性支承系统03试验结果通过两种不同的方法来确定样机的主要动态参数：·接触式方法：使用电动激振器几何接触式传感器来测量振动，利用标准步进正弦信号进行测试。·非接触式方法：使用激光多普勒测振仪(LDV)来测量振动，由内置力传感器的冲击力锤提供脉冲激励。接触式方法采用普罗德拉公司的EX220SC电动激振器对结构进行激励，使用LMSSCADASIII/SteppedSineLMS软件结合PCB333V32接触式传感器来记录结构的动态特性。非接触式方法采用的是德国Polytec公司的PSV-400-H4扫描式激光测振仪（现已升级至PSV-500系统，具有更佳的光学灵敏度和测量精度），使用PCB086E80冲击力锤敲击结构的金属部件或加强筋，激发结构振动。如图4所示，第三行是使用NASTRAN计算出的模型的自然模态；与第一行的非接触式方法和第二行的接触式测量方法获得的数据进行了对比。前缘，绕x轴的对称一阶扭转绕z轴的对称的机翼一阶弯曲模态图4仿真和试验获取的结构模态振型的比较开缝襟翼的对称一阶扭转，及与支撑结构的对称一阶扭转耦合后缘，绕z轴不对称的一阶弯曲模态侧构件支撑的水平二阶弯曲模态总结与展望本试验旨在确定模型的前20阶自然模态，从而改进仿真模型。结果显示，计算值与试验方法获得的实验值之间的偏差不超过6.5%。通过对两种测试方法的比较，可以看出激光多普勒测振仪在技术和经济上的优越性。接触式的相位谐振方法需要2名工程师和2名技师共同工作13天，而Polytec的非接触式全场扫描式PSV系统（目前已经升级至第五代）仅需2名工程师工作5天，无需技师便可获得满意的试验数据。
01近轮电驱动的研究自2011年以来，电动汽车的研究日益成为德国马格德堡大学(OttovonGuerickeUniversityMagdeburg)的研究重点。Editha工作小组以Smart两座版MC450为基础开发了几个电驱动概念。其目的是开发一种适用于大众驾驶的原型，利用轮边驱动概念获得更好的空间利用率，为牵引蓄电池留出更大空间。图1用于研究车辆上的轮毂电机(©OVGU)2012年，概念车Editha1完成，并获得道路行驶的正式批准和认可。驱动概念的核心是两个直流电动机，通过一个单级行星齿轮直接刚性安装在后轴上。这一概念得到一进步发展后，Editha2使用永磁同步电机取代直流电机，并改善传动系统。到了Editha3，轮毂电机又取代了永磁同步电机，如图1所示。这种轮毂电机是由移动系统研究所开发。这样做的目的是为了使整个传动系统和汽车内部的行星齿轮更为紧凑，从而为电池提供更大空间。另一个优点是可独立控制每个车轮，实现更智能的车辆动力学控制。所研制的轮毂电机为外置转子电机，通过气隙绕组与额外线槽绕组相结合，实现高功率密度。由于采用分散驱动概念，Editha三款车的簧下质量都增加了。附加质量对车轮的影响是力学研究所试验和仿真研究课题之一。除了垂直动力学受到影响外，轮毂电机的声音辐射也是一个重要问题。因为电机被放置在轮毂上，其较大的扁平部件会导致噪音增加。尽管通常认为电动机的噪音比内燃机小，但还是非常有必要去评估电动汽车的声学性能。一方面，电机发出的高频噪音，即使在低音量下，也易引起驾乘人员的不适。另一方面，其它噪声源也都不再受到掩盖，将一一暴露出来。由于使用了轮毂电机，因此车身的声学屏蔽就不存在了，被动侧的测试很难实现。试验分析旨在为复杂的仿真模型提供验证基础，从整体角度考虑连锁反应，这意味着需要将所有相关的激励源和传递现象考虑在内，利用已验证的数值模型和计算机辅助优化技术来改善轮毂原型的声学特性。02使用扫描式激光测振仪进行结构研究生成整个系统的仿真模型后，这些模型在稳态系统中使用常规的试验振动分析验证，包括零部件级和装配级验证。本次实验使用的是Polytec公司的一维扫描式激光多普勒测振仪，如图2(左)所示。图2用于验证测试的实验装置(左)和实验及数值振动分析的结果(右)(©OVGU)测量时，使用高分子聚合线将轮毂电机悬吊在铝型材框架上，因为这种自由-自由安装特别适合对比数值模型与试验振动分析结果。图2（左）显示了该被测电机的安装是典型的被测物安装方式。其他边界条件，如夹紧或固定连接，在有限元模型中很难与实验[2]的边界条件统一。实验目的是使仿真模型和实验模型之间能够很好地匹配，而由于边界条件的影响而产生的不确定性会导致仿真模型与试验模型匹配花费大量的时间。为了避免外部激励与被测结构因耦合产生的不确定的边界条件，我们使用力锤激励，以保证自由边界条件不变。激励必须是可重复的，对测量网格的每个扫描点和相应的平均值，都要重复激励。因此，将力锤的头部安装在电动激振器上，请见图2左侧的蓝色椭圆框内。图2(右)是轮毂电机试验结果(第一行)与仿真计算结果(中间行)的对比，5个明显的自然频率结果。比对结果是由激光测振仪测试的电机外表面。我们可以看出，尽管部件间有若干装配连接，仿真模型依然能够很好地预测复杂整体系统的振动响应。在这种情况下，固有频率和固有振动模态都有很好的匹配。另在图2右第三行显示了整个轮毂电机的特征模态，与激光测振手段相比，数值计算能获得整个系统更好的振动特性数据。第一列和第三列显示的是侧面测试结果，一些关键区域未被测量，因此不代表整个系统的特征模态。这体现了数值振动分析的价值，因其提供被测结构所有领域的信息。尽管如此，我们仍然建议用实验数据来验证仿真模型的预测能力。03测试原理及实验搭建对于发动机声振特性的评估，了解其整个系统在运行期间的性能尤为重要。因此，我们对电驱轮毂电机不同稳态工作点进行了振动实验分析，为[3,4]提出的整体仿真方法获得广泛的验证依据。一维扫描式激光测振仪用于测量轮毂电机的工作振动。电机结构由电气激励，因此电机必须工作以进行工作振动测量。由于轮毂电机设计为外置转子电机，转子作为电机壳体与轮辋一起旋转，用传统的加速度计无法测量转子的局部面外振动。因此，我们在PSV前安装了一个可旋转的玻璃棱镜。因此，即使测振仪并不旋转，仍然可以按照提前设置好的测量网格对旋转表面进行测量，这就是Polytec用于测量的反旋器。另有一个固定单点式激光测振仪用于提供参考信号，目的是为每个测点提供准确的相位参考。实验搭建如图3所示。图3轮毂电机工作时的振动分析实验搭建(©OVGU)电动闸(见图3左)用于施加不同的负载，以实现不同的稳态工作点。在样机阶段，轮毂电机的电路被安装在定子外部。而在后期使用时，其将被集成至轮毂电机。反旋器玻璃棱镜的角速度必须与被测物的角速度保持完全同步，本次试验使用的是增量编码脉冲为1024的增量编码器来完成。编码器与被测结构之间必须是抗扭刚性连接，否则不能准确检测被测结构的角度位置，也不能以正确的速度驱动棱镜，造成测量实际位置与预设测点位置发生偏转，从而位置参考不再正确。反旋器、扫描式激光测振仪和用于参考的单点式激光测振仪均被安装在可调底座上，它们都必须与被测结构的旋转轴精确对准，以确保测试结果真实可靠。04测试结果本节是光学测振方法的测试结果，具有典型意义。图4测量表面上不同工作点的平均振幅谱图(©OVGU)图4显示的是不同负载和速度变化情况下，测量网格各点的平均振动幅值的频响函数。正如预期，高负载和高速度均会导致更明显的声学特性，我们可以清楚地看到电机典型的声频组成。此外，在3.7~4kHz的频率范围具有很高的幅值。图5显示了稳态怠速时的典型结果及平均频谱图，及最为明显的振动模态。值得注意的是，系统存在对称和非对称两种振动模式。由于转子采用对称设计，预期仅有对称的工作模态，如同在稳态系统中测量所得，如图2所示。非对称模态是非对称电激励或非对称边界条件的明确标志。图5怠速时，具有明显振动模态的所有测点的平均振动幅频谱(©OVGU)作为对比，图6显示了在同等速度和特定扭矩下的工作模态。与图5相反，它没有显示出对称的振动模态。图6所示工作点的电激励力明显较高，可以得出电机运行时的非对称振动模式可能是由空间上不均匀的电激励所引起的。图6稳定运行时，具有明显振动模态的测点的平均振动幅值(©OVGU)由于轮毂电机的光学测量是在运行期间进行，在目前情况下，可为明显的声学问题做出解释，但仍待进一步研究。一旦问题得以解决，试验工作模态分析就可反复进行。所得结果可为整体模拟方法提供初步验证依据。05总结与展望本文介绍的是作为特殊电驱动装置的新型轮毂电机在运行过程中的光学振动分析，试验地点为德国马格德堡大学。试验结果表明，采用光学振动测量可以有效地参数化声振特性及解决噪音问题。目前，工厂所制发动机与本文测量的电机有很大不同：从磁路的基本设计到外部几何形状，再到电机主要部件的材料选择(铝、泡沫铝、纤维增强复合材料)。后续对新样机的试验模态分析将为整体模拟方法提供更为广泛的验证基础。我们的目的是使用合格的方法来全面了解系统和优化模型，以便未来能够在汽车的性能、轻量化设计和声学之间达最佳平衡。
1简介车内异响是一种非常复杂的噪音现象，影响汽车异响数量的因素有很多：包括材料副、表面加工、装配、部件间的相对位移、公差、路面载荷和生产装配等。其中一个因素“相对位移”与汽车异响息息相关。因此，在异响仿真时，两个相邻部件之间的相对运动是重要的关注点。在一辆普通的汽车中，因为不同的部件和仪器被安装在一起，仪表盘(见标题图)的内部装配的复杂性最高。为了避免异响问题，所有部件间的相对位移都需要进行控制。02参数定义通过详细研究仪表盘，在仿真模型中需应用一些重要的参数，用来计算相对位移（如下图1），这些参数对于所有与异响仿真有关的内饰总成部件均有效。全局刚度对相对位移有着重要影响，这些影响主要与内部安装点的数量和位置有关。局部刚度和卡扣刚度对相对位移也很重要。除刚度外，仿真时还需要考虑局部几何形状和两部件间的接触部位。此外，所施加载荷对异响问题也有决定性的影响。载荷水平过低可能不产生异响，载荷水平过高可能会导致其它问题。因此，定义一个恰当的载荷是非常重要的。相对位移是全局坐标系和局部坐标系下进行运算处理的仿真输出结果。图1异响仿真模型的参数定义在开发过程中会有不同类型的分析，这些分析的输出会根据内饰总成的细节程度来调整：·模态分析首先关注主要的结构部件·当结构变得越来越细化时，通过瞬态分析得出由脉冲载荷引起的整体结构部件间的相对位移·最后，使用频响分析法结合其它软件在整个细化模型上进行异响仿真。测试的加速度数据作为输入载荷，采用“SARline”法算出局部接触面几何形状。03模态分析和模态相关性OpelInsignia这款车的仪表盘包含了很多塑料零件，结构很复杂。相对于钢体结构的白车身而言，材料数据(如杨氏模量)和塑料部件的有限元(FE)不能很好地被定义。由于泡沫和衬垫与支撑结构构成一个复合体，所以不能利用材料供应商提供的数据直接进行仿真分析。因此，为了提高仿真性能，直接测量和模态相关性的工作就显得非常有必要。利用加速度传感器来获取结构的全局变形。如果相关性的主要结果是只有低阶模态能精确相关，而高阶模态却不相关，这说明塑料部件的数据必须考虑进行修改。04利用3D扫描式激光测振仪提高模态相关性为了提高全局和局部的模态相关水平，我们使用了德国Polytec公司的三维扫描式激光测振仪测量结构振动(如图2)。这种测量方法有两个显著的优点：第一，避免因使用相对较大的加速度传感器带来的质量载荷，测振仪和反光膜一起使用，测量轻量的内饰部件。第二，可以测量大量的测点，而使用单个加速度传感器测试的测点是很有限的。图2:使用3D扫描式激光测振仪测量仪表盘的ODS相关性分析工作的初步结果清楚地表明，线性仿真模型在局部水平上已得到大幅改进。这一改进能帮助工程师们更好地理解如何在仿真模型中以最佳方式准确连接各部件。该模型使用户能够在早期进行研究并反馈给设计工程师如何最有效地优化模型刚度，比如采用不同安装位置或不同的材料(如利用玻璃纤维增强)。设计准则包括模态频率和模态振型的一致性。通过研究模态振型，加筋和加强的位置可以很容易的识别出来。由于模态分析可以在非常早的设计阶段开始，因此有足够的时间进行优化。05激光测振仪是唯一可针对轻量化部件测试的设备扫描式测振仪能实现轻量部件的精确振动测量。传统方法使用接触式的加速度传感器，其附加质量和刚度会影响部件的动态响应。图3显示的是Insignia汽车的中控台内饰的仿真模型和试验搭建。测试结果表示该部件第一次的位移测试已经完成，三维扫描式激光测振仪的测试结果以UNV格式导出，随后导入至LMSTest软件测试以提取特征模态。将测量模态和计算模态都输入至LMSVirtuallab进行模态相关性分析。这个比较简单的FE模型能够精确地显示出了该部件的动态特性。前10阶特征模态显示出了相当好的MAC值(模态置信因子)，甚至考虑了所有的测试点，均高于0.8(见下表及图4)。图3:中控台仿真模型，夹具上待测的中控台内饰件图4:模态相关的MAC值总结与展望异响仿真的目的是为了尽可能准确地获取车身内饰件的动态特性，将相对位移与实际的异响现象关联起来。模态关联结果表明，通过使用改进后的塑性材料数据，该线性仿真模型能够准确计算出低阶全局模态(高阶模态相关性仍然较差)。这种能力也使模态分析成为能够在车身内饰设计早期阶段为设计师们提供帮助的强大工具。为提高模型局部的模态相关性，采用3D扫描式激光测振仪来测量内饰件的动态特性，这样我们可以更好地了解如何组装内饰件，将异响降到最低。
导语Polytec公司的PSV扫描式激光测振系统，成功应用于超声波技术已有很多年，它可将微小振幅、高频率的表面振动可视化。除谐振外，新一代PSV系统还可以采集周期性重复的时间信号，使声波和超声波在二维可见，本文将为大家介绍Polytec激光测振仪在这方面的应用。01激光振动测量的经典应用:表面波的可视化在超声波技术中，固体的共振(即谐振)频率通常高于听觉阈值20kHz。在这个频率范围内所产生的振动的振幅很小(通常为20~50μm，极端情况下可达100μm)，这就是为什么肉眼无法观察到的原因，我们需要特殊的测量技术来测量这些振动。激光测振技术是超声技术中较为理想的表面波可视化测量方法(如图1)，其采用非接触式测量方法，快速采集二维谐振，且直接测量振动速度，完全不受超声技术极端条件的影响。图1：使用扫描式激光测振仪测量超声粉尘检测仪的振型02折射-测振法测量声场分布在许多超声波技术应用中，压电式超声波发生器用于在流体介质(空气或水)中发射超声波。我们熟知的水中声波辐射应用如超声波清洁技术、超声波流量测量技术、声纳和回声测深及其在医学技术中的应用(如妊娠诊断)。超声波辐射在空气中的一个重要应用是距离传感技术或测距。这项技术的商业应用涵盖了从作为兴趣爱好的手持测量设备到专业的工业自动化解决方案，包括用于泊车的距离传感器和车尾的警告传感器。在所有这些应用中，目标超声在空间的分布(声锥或辐射方式)对于确保系统的可靠工作非常重要，激光测振仪通过非接触式测量空气中的声压波来测量其分布情况。这一过程称为折射-测振法，测量原理基于声波的压力变化总是导致气体密度变化，从而导致光折射率略有变化。当激光照射到介质中，由光波通过时间的变化可以推导出局部压力。因此，折射-测振法可以理解为折射（光弯曲）和测振法这两个术语组合而成。参考文献[1]解释了超声波对光折射的基本影响(如德贝-西尔斯效应和多普勒效应)。Zipser和Matar等人在参考文献[2][3][4]和[5]解释了如何使用扫描式激光测振仪非接触式测量压力分布，然后将其可视化为随时间变化的动画。为此，可以使用一种装置，使激光束通过传播中的超声波，然后通过一个固定的反射器从声场后面反射回来(图2)。这种应用技术在参考文献[6][7]中有介绍。图2:扫描式激光测振仪和相应反射器的布置图，对空气中声传播或超声波平面波进行折射-振动测量扫描式激光测振仪的测量数据经后处理，显示了虚拟的速度分布，经验不足的用户可能会将其错误地理解为反射器的表面运动。然而，它其实定性地呈现了感兴趣区域内的声压分布，图3是基于超声的悬浮激振器下的声压分布实例。图3:在空气中产生驻波的超声换能器的声压分布。右边的图像显示了水滴在声压节点中被驻波保持悬浮状态。该测量由德国帕德伯恩大学机电一体化和动力学小组成员共同完成。在精确诠释测量结果时需要保持谨慎，因为每一个测量点都是激光束从测量仪器到反射器再返回的路径上的声音分布的积分。在数学理论上，可用沿光束路径的线积分来表示。对于图2所示的平面波，测振仪显示的虚拟速度值与相应位置的声压成正比(假设测振仪与被测物的测量距离足够大)。对于非平面声压分布，可以通过合理计算得到精确的声压值。例如，如图3所示的定位器下形成的驻波是旋转对称的声音分布，表现的一致是因为这是2D的展示。经过检测，这些驻波的最大声强点的最大声压级为166dB。参考文献[8]详细描述了根据测量的虚拟速度来计算声压级的过程。对于复杂的声压分布，折射-测振法能快速良好地定性描述真实声场分布，这在对声压环境没有精确的前期了解时是非常有用的。其它测量方法则需要花费更多的精力和时间，图4显示的是超声气垫悬浮光盘下方产生的共振声场的压力分布，悬浮光盘本身就是一个声音反射器。图4：圆形弯曲板的超声振动使光盘悬浮。利用折射-测振法，可以轻松地得到共振声场中的声压分布由于激光束经过几个高、低声压的圆形区域，声压的定量计算非常复杂，需要进行特殊的断层扫描重构处理。在Polytec第9次研讨会上，我们介绍了断层扫描方法，用来定量重构悬浮在水中的超声发射器的声压分布。当用扫描式激光测振仪测量任意周期信号而非正弦信号的折射率时，这种技术尤其令人印象深刻。德国雅典娜技术咨询有限公司（ATHENATechnologieBeratungGmbH）公司对使用脉冲回波法测量距离的手动设备的声波进行了分析。图5显示了压力波包脉冲以c=344m/s(声速)从转换器到反射器的瞬时图像。超声波频率f=40kHz，可分离出与波长相对应的压力最大值，λ=c/f=344(m/s)/40kHz=8.6mm。图5：脉冲-回声测距仪的传播声压包的折射-测振测量超声波测距仪根据从换能器到反射器再返回的波包的传输时间，自动确定传感器与反射器间的距离。当压电产生的超声波在换能器的传递表面衰减后，换能器立即切换到接收模式并测量时间，直到声波回声使压电换能器再次振动。由于在空气中的波速c已知，可以根据波包传输时间，计算出传感器与反射器之间的距离s=c·t/2。在这种特殊的折射-测振中，使用了扫描式激光测振仪的时间测量功能。参考文献[13]的案例类似，不同的是波的传播介质是水而不是空气。总结与展望扫描式激光测振仪不仅可用于表面振动测量，还可以以动画方式形象地显示出声压分布。定性结果比较容易得出，在无过多的信号处理的前提下，只有在特殊情况下才能获取准确的声压值。由于声压分布是复杂的三维分布，必须利用测振仪测量的虚拟速度，采用复杂的断层扫描方法来确定局部声压。在重建过程中通常需要定性假设某个时刻的声压分布，以加快计算速度。因此，给扫描式激光测振仪定义一个“自动声压评估”功能是不太现实的。
01介绍无损评估(NDE)和结构健康监测(SHM)对于航天飞行器（也包括其他很多工业结构）的结构部件安全工作的维护是非常重要的，且可以提供失效和剩余预期寿命的输入数据，避免灾难损失。在各种不同的损伤检测方法中，由于波在不同结构裂纹中的灵敏度以及在相对长距离和薄壁中的传播能力，基于NDE/SHM方法的导波(Lamb波)在板件结构的裂纹检测中表现出了巨大的潜力。在之前发表的文献中包括了Lamb波在金属和合成金属材料中的应用，可以更好地理解波的行为以及与不同类型结构不连续之间的相互作用，以及其行为与裂纹位置和严重程度之间的关联性。文献中提到的经研究的密集的Lamb波用于不同技术来测定铝板中的裂纹型损伤，以及裂纹位置和尺寸。当Lamb波遇到突然的厚度变化时发生的模式转换。Staszewski使用了3D激光测振仪，在时域中将Lamb波域裂纹损伤的相互作用实现了可视化。最近，Yu和Leckey研究了稀疏传感器阵列Lamb波方法检测裂纹缺陷，Jin等研究了刻痕深度对Lamb波反射的影响，发现了波的反射随着刻痕深度的增加而增加。导波也应用在其他类型的缺陷检测中。稀疏传感器阵列的限制引发了近期对全波域数据采集与分析的研究和进步。几个作者建议，稀疏传感器阵列可用于定位感兴趣的区域（可能包含缺陷的区域），全波域分析方法还可用于感兴趣区域的进一步的缺陷参数化。全波域采集的典型的塔尖是使用压电陶瓷片激发波形，使用激光多普勒测振仪采集波在时-空域的传播。使用这个方法，导波与结构损伤相互作用的细节都被记录下来且可见。一旦时-空波域数据采集完成，数据分析可通过多维傅里叶变换或其他方法进行。多维傅里叶变换将时-空域的数据转换到频率-波数域，此时，导波参数比如模式成分可识别，此时可使用波模滤波和波数计算方法。本文中的工作聚焦于使用先进的波域分析方法量化裂纹，通过非接触式测试和相应的数据处理方法量化了裂纹尺寸和强度，扩展了先前献中的工作。特别是，本文展现了频率-波数的应用和Lamb波与铝板中的裂纹缺陷相互作用的时域分析，两个缺陷成像方法的后续应用：滤波重构成像和空间波数成像。这个两个不同的成像方法用来提供一个更具鲁棒性的裂纹损伤的量化。本文从五个章节中节选出使用激光测振仪进行试验测试与验证和后面的结论章节。仿真和试验的波域数据使用波域分析和成像方法来分析。我们的研究说明了展示的成像技术可用来做非接触测试和板件铝材结构如飞行器机身的损伤评估。02试验测试与验证2.1试验搭建图1EFIT仿真样本排列，坐标原点位于PZT中心本试验研究的是一块2024-T3铝板，全厚裂纹。样件布局与EFIT模型一致(图1)，裂纹用电火花加工，长度为31mm。Lamb波一发一收测试由压电片和激光测振仪系统进行。图2显示了整个系统搭建，压电片直径7mm，厚度0.2mm，用来激励Lamb波。激励信号为360kHz的平滑的正弦波的3个周期，加载汉宁窗，信号由信号发生器(HewlettPackard33120A)产生。激励信号经电压放大器(Krohn-Hite1506)放大到40V，再传输给压电片。使用扫描式激光测振仪进行表面速度测试，激光测振仪型号为Polytec公司的PSV-400-M2（新一代型号已升级成PSV-500，具有更好的光学灵敏度及测试精度）。为采集面外速度V2，激光头垂直指向板件表面，导波扫描测试范围为190mm-110mm，空间采样间隔△d为0.5mm，数据采集需要83,600个扫描点，测试时间大约84分钟。注意，△d采样间隔d的选择是为了满足采样定理，如△d≤λ/2，此处λ是入射波的波长。另外，经验表明较小的△d会有比较好的空间分辨率。在测试中，A0波长为4.6mm，因此0.5mm(λ/9)采样间隔可满足采样定理，并为测试波域提供一个良好的空间分辨率。图2试验搭建图3.激励频率360kHz，1mm厚铝板，TT裂纹，波域成像:(a)第36μs时(b)第65μs时2.2试验结果图3显示了激光测振仪采集的分别在36μs和65μs的时-空波域图像。激光测振仪测试清晰地捕获到了A0和S0模式的波以及他们与裂纹的相互作用。在第36μs，入射的S0模式的波进过了裂纹，而A0还未到达。可观察到S0反射波，A0反射波幅值较低，是由于从S0到A0的模式转换。在第65ls，A0模式波经过裂纹，可观察到A0反射。请注意，激光测振仪测试结果相比EFIT仿真结果的反射较弱，是由于EFIT仿真中的理想的激励源与实际压电片激励源的差别，试验的信噪比以及仿真模型中未考虑材料阻尼等引起的。将滤波重构成像法应用在激光测振仪的数据上。图4a给出了激励频率为360kHz时的波数谱与理论波数曲线叠加的图。与仿真结果类似，在有裂纹的板上的频谱中观察到了新的对角波数成分。该滤波技术用来只保留新的对角波数，产生的滤波重构图像如图4b所示。图像中可清楚地看到裂纹，以及其位置的估算，裂纹中心在(132.6mm,56.1mm)处，误差为(1.22%，1.58%)，裂纹长度为28.1mm，误差9.35%。图4.针对TT裂纹使用基于激光测振数据的滤波重构图像法:(a)在360kHz处的频率-波数谱;(b)板件的重构图像表明裂纹损伤的存在图5.利用激光测振仪数据做TT裂纹空间波数成像空间波数成像法也用在LDV数据中，图5给出了激励频率为360kHz时，激光测振仪扫描区域的波数图像。裂纹损伤由较大的波数的区域表示出来。与滤波重构成像方法相比，这个方法可提供更精确一点儿的裂纹位置，裂纹中心位于(131.9mm,56.8mm)，相对误差(0.69%,0.35%)，裂纹长度29.2mm，相对误差5.81%。03结论本文中，我们展示了分析Lamb波波域数据的量化方法，用来检测和评估铝板中的裂纹缺陷。研究了Lamb与结构不连续(本文中为裂纹)相互作用，由于裂纹导致波数沿裂纹长度方向发生改变。利用铝板中不同裂纹尺寸的仿真波域数据开发和测试了两种成像方法。研究了裂纹损伤与波的相互作用，永成像分析方法生成了板件结构的图像。结果显示了两种成像技术都能识别出裂纹位置，尺寸和裂纹严重程度的区别。成像方法还应用在激光测振仪采集的波域数据上，发现可有效监测并量化板件上的用电火花刻蚀的裂纹。本文的工作说明了非接触波域测试和裂纹量化方法。此处展示的技术不但可用来检测裂纹位置和长度，还能提供裂纹严重程度的信息。两种不同成像算法的应用比单一技术处理数据的结果更加具有鲁棒性。本文研究的案例出现的场景是在板件中出现了两个Lamb波模式。因此，报告的损伤成像算法可用在超过一个Lamb波模式的场景中，更接近于真实情况而不是实验室的设置。希望这些方法也可用于超过两个Lamb波模式的场景，尤其是滤波重构成像法。也希望这些方法能应用在超过一个结构不连续的场景中。需要进行更多的研究去评估更高阶次模式的限制。使用相应的入射波对多个裂纹以及不同方向的裂纹检测与量化也是未来研究工作的方向。另外，虽然本文聚焦于裂纹损伤，但所述方法也可用于复合结构的复合损伤，比如分层损伤。
