電壓放大器驅(qū)動(dòng)：非線性壓電超聲組合結(jié)構(gòu)界面的前沿研究

　　組合結(jié)構(gòu)是一種重要的結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)用十分廣泛。對(duì)于組合結(jié)構(gòu)而言，鋼材與混凝土之間的粘結(jié)作用是保證兩者能夠協(xié)同工作的前提，一旦粘結(jié)作用消失，會(huì)對(duì)組合結(jié)構(gòu)的安全使用帶來嚴(yán)重威脅。因此，利用有效的檢測(cè)方法及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)組合結(jié)構(gòu)的脫粘狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)是至關(guān)重要的。目前，利用壓電波動(dòng)法對(duì)組合結(jié)構(gòu)的使用狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估已取得豐碩的成果。但是，由于傳統(tǒng)的線性超聲檢測(cè)方法對(duì)組合結(jié)構(gòu)界面早期脫粘損傷并不敏感，迫切需要更為敏感的組合結(jié)構(gòu)界面早期脫粘損傷的識(shí)別方法。振動(dòng)聲調(diào)制技術(shù)（Vibro-acousticmodulation,VAM）是一種基于非線性聲學(xué)理論的檢測(cè)技術(shù)，能夠識(shí)別微米甚至納米級(jí)損傷。此次主要以鋼板-混凝土組合板（steel-concretecompositeslab,SCCS）早期脫粘損傷識(shí)別為研究對(duì)象，將壓電陶瓷與VAM技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)聲場(chǎng)在損傷部位發(fā)生非線性調(diào)制，利用非線性VAM原理推導(dǎo)出損傷指標(biāo)，對(duì)脫粘損傷進(jìn)行識(shí)別和損傷趨勢(shì)的定量評(píng)估。

　　通過研究VAM技術(shù)在SCCS早期脫粘損傷監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用，對(duì)得到的傳感信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻域分析，并根據(jù)聲學(xué)非線性理論推導(dǎo)，得到用于表征損傷的特定參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)SCCS早期脫粘損傷識(shí)別和評(píng)估的目標(biāo)。根據(jù)關(guān)于混頻聲場(chǎng)下理論推導(dǎo)以及相關(guān)的仿真計(jì)算，得出SCCS在粘結(jié)良好狀態(tài)下，損傷非線性不明顯，得到的傳感信號(hào)時(shí)頻域圖表現(xiàn)為兩個(gè)聲場(chǎng)的線性疊加；當(dāng)SCCS中出現(xiàn)脫粘損傷后，其非線性顯著增強(qiáng)，在損傷部位發(fā)生調(diào)制效應(yīng)。根據(jù)理論分析結(jié)果，設(shè)計(jì)并搭建VAM監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，依托該試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行相關(guān)研究，進(jìn)而驗(yàn)證VAM方法對(duì)SCCS早期脫粘損傷具有檢測(cè)效果。利用非線性VAM技術(shù)對(duì)SCCS脫粘損傷進(jìn)行檢測(cè)并得到相應(yīng)的非線性參數(shù)是試驗(yàn)的關(guān)鍵，要求非線性參數(shù)能夠反映損傷狀態(tài)還可以排除試驗(yàn)平臺(tái)的非線性影響。研究表明，基于非線性VAM的監(jiān)測(cè)算法能夠有效識(shí)別微米級(jí)脫粘損傷，且對(duì)激勵(lì)參數(shù)具有魯棒性，為組合結(jié)構(gòu)界面健康監(jiān)測(cè)提供了高靈敏度的無損檢測(cè)手段。

　　實(shí)驗(yàn)名稱：基于非線性壓電超聲的組合結(jié)構(gòu)界面脫粘監(jiān)測(cè)方法研究

　　實(shí)驗(yàn)原理：原理是基于非線性壓電超聲技術(shù)中的振動(dòng)聲調(diào)制（Vibration-AcousticModulation,VAM）方法，旨在檢測(cè)鋼板-混凝土組合板（SCCS）界面的早期脫粘損傷。其核心原理是通過同時(shí)施加低頻（LF）和高頻（HF）聲波激勵(lì)信號(hào)，利用損傷界面處非線性接觸效應(yīng)引發(fā)的調(diào)制現(xiàn)象，提取與損傷相關(guān)的特征參數(shù)。具體而言，LF信號(hào)（如1.5kHz）作為泵浦波，通過激振器施加于結(jié)構(gòu)表面，引發(fā)脫粘界面的周期性開合振動(dòng)；HF信號(hào)（如50kHz）作為探測(cè)波，由壓電陶瓷（PZT）激發(fā)并沿結(jié)構(gòu)表面?zhèn)鞑?。?dāng)HF波經(jīng)過脫粘損傷區(qū)域時(shí)，受LF驅(qū)動(dòng)的界面非線性振動(dòng)會(huì)對(duì)其傳播路徑和能量分布產(chǎn)生調(diào)制作用，導(dǎo)致高頻信號(hào)頻譜中出現(xiàn)旁頻分量（fHF±nfLF，n為整數(shù)），其幅值大小與界面損傷程度直接相關(guān)。

　　實(shí)驗(yàn)通過理論建模、有限元仿真和實(shí)物試驗(yàn)三階段驗(yàn)證該原理。理論層面，基于彈性波動(dòng)方程和接觸非線性模型，推導(dǎo)了旁頻信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，揭示了損傷界面剛度非線性對(duì)調(diào)制效應(yīng)的影響機(jī)制。仿真層面，利用ABAQUS建立SCCS二維模型，模擬不同脫粘面積、深度及激勵(lì)參數(shù)下的波傳行為，發(fā)現(xiàn)LF頻率接近結(jié)構(gòu)固有頻率（如1460Hz）時(shí)界面開合顯著，旁頻幅值與LF幅值呈線性增長(zhǎng)，而HF幅值存在閾值（約6V）后趨于飽和。試驗(yàn)層面，搭建了由激振器、壓電傳感器、函數(shù)發(fā)生器和示波器組成的監(jiān)測(cè)平臺(tái)，通過對(duì)比健康與損傷試件的頻域響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)損傷側(cè)一階旁頻幅值可達(dá)健康側(cè)的92倍，且調(diào)制指數(shù)（MI）隨LF幅值增加顯著提升（從-98dB至-79dB）。此外，損傷面積增大導(dǎo)致非線性系數(shù)（K'）提升3倍后趨于穩(wěn)定，損傷深度則呈現(xiàn)“增長(zhǎng)-衰減-穩(wěn)定"三階段規(guī)律。最終，通過Rayleigh波速實(shí)測(cè)（2400~2415m/s）與理論誤差（<5%）驗(yàn)證了模型可靠性，表明VAM技術(shù)通過捕捉非線性調(diào)制特征，能有效識(shí)別微米級(jí)脫粘損傷，為組合結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)提供了高靈敏度的無損檢測(cè)手段。

　　實(shí)驗(yàn)框圖：

　　實(shí)驗(yàn)過程：首先在澆筑混凝土之前，于鋼板表面確定損傷位置并噴涂黃油以模擬界面脫粘，同時(shí)將壓電陶瓷傳感器粘貼在鋼板外表面的指定位置，用于信號(hào)的激發(fā)與接收。隨后，搭建振動(dòng)聲調(diào)制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含激振器、函數(shù)發(fā)生器、功率放大器、示波器以及壓電陶瓷片等關(guān)鍵設(shè)備。通過理論分析和仿真計(jì)算，選定低頻（LF）和高頻（HF）信號(hào)的頻率與幅值。利用激振器產(chǎn)生低頻信號(hào)，壓電陶瓷片產(chǎn)生高頻信號(hào)，這些信號(hào)在組合結(jié)構(gòu)界面處相互作用，模擬損傷部位的非線性調(diào)制效應(yīng)。接著，通過示波器采集壓電陶瓷片接收到的傳感信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻域分析，提取用于損傷識(shí)別的特征參數(shù)。最終，依據(jù)非線性超聲理論，分析所提取特征參數(shù)的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)損傷的存在及其程度的識(shí)別。

圖：ATA-2168高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

　　應(yīng)用方向：細(xì)胞分選，無損檢測(cè)，介電電泳，電致發(fā)光器件測(cè)試

　　應(yīng)用場(chǎng)景：非線性超聲技術(shù)，振動(dòng)聲調(diào)制（VAM），早期脫粘監(jiān)測(cè)，非線性特征參數(shù)，損傷評(píng)估算法，有限元分析，組合結(jié)構(gòu)界面脫粘，壓電陶瓷，鋼板-混凝土組合板（SCCS）

　　電壓放大器產(chǎn)品推薦：ATA-2000系列高壓放大器

圖：ATA-2000系列高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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