射頻功率放大器在超聲導波的超分辨成像中的應用

　　實驗名稱：SLDV對單層鋁板與加筋板中的導波陣列信號的分析

　　研究方向：超聲波對層合板結構脫沾缺陷的成像分析

　　實驗目的：使用SLDV對單層鋁板與加筋板中的導波陣列信號進行采集，構建了下圖所示的壓電片激勵/掃描式多普勒激光測振儀接收傳感實驗平臺。

　　測試設備：計算機、SLDV、信號發生器、功率放大器、壓電片與隔震臺；

　　實驗過程：

圖：實驗平臺

　　為了獲取較好的實驗檢測效果，提高采集信號的精度，降低環境噪聲的影響，整個實驗平臺搭建于精密隔振臺上，并在儀器掃描區域粘貼反光布，使其具有更佳的聚焦和反光效果。

　　實驗中單層鋁板試樣尺寸為400mm×400mm×1mm，如下圖a所示。損傷設置為半徑5mm的雙通孔，且位置隨機。中心間距為10mm的11塊PZT貼片被粘接在在板的上表面以產生超聲導波，中心間距為10mm的11塊PZT貼片被粘接在在板的上表面以產生超聲導波，其中激發陣列沿x=25mm處與y軸平行分布，范圍為[-55,55]mm。為了生成陣列數據，掃描點沿x=40mm處與y軸平行分布，范圍為[-55,55]mm，間隔為0.726mm，共139個掃描點，通過激光多普勒測振儀采集相應導波響應。如下圖所示，分別在每個PZT位置進行激發。通過信號發生器產生中心頻率為100kHz的5周期加窗函數的激勵信號，并通過功率放大器將產生的激勵信號放大到150V。實驗所用的采樣率為5.12MHz，采樣時間為400μs。

圖：加筋板試樣

　　實驗中加筋板試樣尺寸為400mm×400mm×1mm，如上圖b所示。采用鋁板作為底板，選取鋁板的中心位置進行筋條的粘合。在筋條和鋁板的粘接面之間放置特氟龍樹脂膠布作為實驗的損傷。中心間距為10mm的11塊PZT貼片被粘接在在板的上表面以產生超聲導波。其余實驗設置和參數與單層板實驗一致。

　　實驗結果：下圖為應用COMSOL仿真軟件計算得到的不同時刻的波場圖，其中激發點為1號點。下圖a表示30μs時刻的波場圖，其中Lamb波未傳至損傷位置。下圖b表示54μs時刻的波場圖，其中吸收層的設置使得Lamb波傳至邊界后被快速吸收且衰減，極大程度地消除了邊界反射對損傷散射信號的干擾。下圖c表示80μs時刻的波場圖，此時Lamb波傳至損傷位置且與損傷邊界發生交互作用，從而形成了散射波場。由下圖c可以看出，從鋼側觀察損傷的散射信號十分微弱，因此從橡膠側做同樣的波場圖來進行對比，如圖下圖d所示。

　　從上述論述可知在鋼-橡膠層合板的模型中損傷處的散射信號較為微弱，因此，雖然邊界吸收層的存在很大程度上削減了邊界反射所帶來的影響，但是仍然會一定程度上干擾到損傷散射信號，進而影響到成像結果。如上圖c所示，邊界的回波信號大多數情況下會比來自損傷的回波信號更早的來到接收陣列的位置。來的回波干擾往往可以通過減去健康板基于超聲導波和深度學習的層合板結構脫粘缺陷的超分辨成像44信號的手段來處理，進而在成像時獲得較高的分辨率。此外，Lamb波在傳播過程中受到頻散影響，波形發生了明顯的擴散現象，隨著傳播距離的增加，擴散現象會越來越嚴重。為有效削減頻散的影響，并實現損傷的精確成像，本文提出了通過DL模型進行損傷超分辨成像的方法，并在后續章節中進行了結果展示與分析。

　　針對單個通孔損傷，基于數值模擬和實驗的TFM成像結果分別如上圖b和上圖c所示。作為對比，基于相控陣陣列成像方法的數值模擬成像結果也一并給出，如上圖a所示。比較上圖a和上圖b可知，TFM方法的成像結果相比于相控陣陣列成像包含有損傷形狀與位置的多維度的損傷散射信息(反射振幅和波到達的時間)；比較上圖a和上圖c可知，基于TFM的實驗結果也具有相對較高的成像精度。因此，本文將數值仿真和實驗數據的TFM成像結果均用于配置深度學習網絡數據庫。

圖：ATA-8000系列射頻功率放大器指標參數

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