电压放大器驱动：非线性压电超声组合结构界面的前沿研究-电子发烧友网

组合结构是一种重要的结构形式，应用十分广泛。对于组合结构而言，钢材与混凝土之间的粘结作用是保证两者能够协同工作的前提，一旦粘结作用消失，会对组合结构的安全使用带来严重威胁。因此，利用有效的检测方法及时准确地对组合结构的脱粘状态进行监测是至关重要的。目前，利用压电波动法对组合结构的使用状态进行评估已取得丰硕的成果。但是，由于传统的线性超声检测方法对组合结构界面早期脱粘损伤并不敏感，迫切需要更为敏感的组合结构界面早期脱粘损伤的识别方法。振动声调制技术（Vibro-acousticmodulation,VAM）是一种基于非线性声学理论的检测技术，能够识别微米甚至纳米级损伤。此次主要以钢板-混凝土组合板（steel-concretecompositeslab,SCCS）早期脱粘损伤识别为研究对象，将压电陶瓷与VAM技术相结合，实现两个声场在损伤部位发生非线性调制，利用非线性VAM原理推导出损伤指标，对脱粘损伤进行识别和损伤趋势的定量评估。

通过研究VAM技术在SCCS早期脱粘损伤监测方面的应用，对得到的传感信号进行时频域分析，并根据声学非线性理论推导，得到用于表征损伤的特定参数，实现对SCCS早期脱粘损伤识别和评估的目标。根据关于混频声场下理论推导以及相关的仿真计算，得出SCCS在粘结良好状态下，损伤非线性不明显，得到的传感信号时频域图表现为两个声场的线性叠加；当SCCS中出现脱粘损伤后，其非线性显著增强，在损伤部位发生调制效应。根据理论分析结果，设计并搭建VAM监测系统，依托该试验平台进行相关研究，进而验证VAM方法对SCCS早期脱粘损伤具有检测效果。利用非线性VAM技术对SCCS脱粘损伤进行检测并得到相应的非线性参数是试验的关键，要求非线性参数能够反映损伤状态还可以排除试验平台的非线性影响。研究表明，基于非线性VAM的监测算法能够有效识别微米级脱粘损伤，且对激励参数具有鲁棒性，为组合结构界面健康监测提供了高灵敏度的无损检测手段。

实验名称：基于非线性压电超声的组合结构界面脱粘监测方法研究

实验原理：原理是基于非线性压电超声技术中的振动声调制（Vibration-AcousticModulation,VAM）方法，旨在检测钢板-混凝土组合板（SCCS）界面的早期脱粘损伤。其核心原理是通过同时施加低频（LF）和高频（HF）声波激励信号，利用损伤界面处非线性接触效应引发的调制现象，提取与损伤相关的特征参数。具体而言，LF信号（如1.5kHz）作为泵浦波，通过激振器施加于结构表面，引发脱粘界面的周期性开合振动；HF信号（如50kHz）作为探测波，由压电陶瓷（PZT）激发并沿结构表面传播。当HF波经过脱粘损伤区域时，受LF驱动的界面非线性振动会对其传播路径和能量分布产生调制作用，导致高频信号频谱中出现旁频分量（fHF±nfLF，n为整数），其幅值大小与界面损伤程度直接相关。

实验通过理论建模、有限元仿真和实物试验三阶段验证该原理。理论层面，基于弹性波动方程和接触非线性模型，推导了旁频信号的数学表达式，揭示了损伤界面刚度非线性对调制效应的影响机制。仿真层面，利用ABAQUS建立SCCS二维模型，模拟不同脱粘面积、深度及激励参数下的波传行为，发现LF频率接近结构固有频率（如1460Hz）时界面开合最显著，旁频幅值与LF幅值呈线性增长，而HF幅值存在阈值（约6V）后趋于饱和。试验层面，搭建了由激振器、压电传感器、函数发生器和示波器组成的监测平台，通过对比健康与损伤试件的频域响应，发现损伤侧一阶旁频幅值可达健康侧的92倍，且调制指数（MI）随LF幅值增加显著提升（从-98dB至-79dB）。此外，损伤面积增大导致非线性系数（K'）提升3倍后趋于稳定，损伤深度则呈现“增长-衰减-稳定”三阶段规律。最终，通过Rayleigh波速实测（2400~2415m/s）与理论误差（<5%）验证了模型可靠性，表明VAM技术通过捕捉非线性调制特征，能有效识别微米级脱粘损伤，为组合结构健康监测提供了高灵敏度的无损检测手段。

实验框图：

实验过程：首先在浇筑混凝土之前，于钢板表面确定损伤位置并喷涂黄油以模拟界面脱粘，同时将压电陶瓷传感器粘贴在钢板外表面的指定位置，用于信号的激发与接收。随后，搭建振动声调制监测系统，该系统包含激振器、函数发生器、功率放大器、示波器以及压电陶瓷片等关键设备。通过理论分析和仿真计算，选定低频（LF）和高频（HF）信号的频率与幅值。利用激振器产生低频信号，压电陶瓷片产生高频信号，这些信号在组合结构界面处相互作用，模拟损伤部位的非线性调制效应。接着，通过示波器采集压电陶瓷片接收到的传感信号，并对信号进行时频域分析，提取用于损伤识别的特征参数。最终，依据非线性超声理论，分析所提取特征参数的变化，实现对损伤的存在及其程度的识别。