組合結構是一種重要的結構形式，應用十分廣泛。對于組合結構而言，鋼材與混凝土之間的粘結作用是保證兩者能夠協(xié)同工作的前提，一旦粘結作用消失，會對組合結構的安全使用帶來嚴重威脅。因此，利用有效的檢測方法及時準確地對組合結構的脫粘狀態(tài)進行監(jiān)測是至關重要的。目前，利用壓電波動法對組合結構的使用狀態(tài)進行評估已取得豐碩的成果。但是，由于傳統(tǒng)的線性超聲檢測方法對組合結構界面早期脫粘損傷并不敏感，迫切需要更為敏感的組合結構界面早期脫粘損傷的識別方法。振動聲調制技術（Vibro-acousticmodulation,VAM）是一種基于非線性聲學理論的檢測技術，能夠識別微米甚至納米級損傷。此次主要以鋼板-混凝土組合板（steel-concretecompositeslab,SCCS）早期脫粘損傷識別為研究對象，將壓電陶瓷與VAM技術相結合，實現(xiàn)兩個聲場在損傷部位發(fā)生非線性調制，利用非線性VAM原理推導出損傷指標，對脫粘損傷進行識別和損傷趨勢的定量評估。

通過研究VAM技術在SCCS早期脫粘損傷監(jiān)測方面的應用，對得到的傳感信號進行時頻域分析，并根據(jù)聲學非線性理論推導，得到用于表征損傷的特定參數(shù)，實現(xiàn)對SCCS早期脫粘損傷識別和評估的目標。根據(jù)關于混頻聲場下理論推導以及相關的仿真計算，得出SCCS在粘結良好狀態(tài)下，損傷非線性不明顯，得到的傳感信號時頻域圖表現(xiàn)為兩個聲場的線性疊加；當SCCS中出現(xiàn)脫粘損傷后，其非線性顯著增強，在損傷部位發(fā)生調制效應。根據(jù)理論分析結果，設計并搭建VAM監(jiān)測系統(tǒng)，依托該試驗平臺進行相關研究，進而驗證VAM方法對SCCS早期脫粘損傷具有檢測效果。利用非線性VAM技術對SCCS脫粘損傷進行檢測并得到相應的非線性參數(shù)是試驗的關鍵，要求非線性參數(shù)能夠反映損傷狀態(tài)還可以排除試驗平臺的非線性影響。研究表明，基于非線性VAM的監(jiān)測算法能夠有效識別微米級脫粘損傷，且對激勵參數(shù)具有魯棒性，為組合結構界面健康監(jiān)測提供了高靈敏度的無損檢測手段。

實驗名稱：基于非線性壓電超聲的組合結構界面脫粘監(jiān)測方法研究

實驗原理：原理是基于非線性壓電超聲技術中的振動聲調制（Vibration-AcousticModulation,VAM）方法，旨在檢測鋼板-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施加低頻（LF）和高頻（HF）聲波激勵信號，利用損傷界面處非線性接觸效應引發(fā)的調制現(xiàn)象，提取與損傷相關的特征參數(shù)。具體而言，LF信號（如1.5kHz）作為泵浦波，通過激振器施加于結構表面，引發(fā)脫粘界面的周期性開合振動；HF信號（如50kHz）作為探測波，由壓電陶瓷（PZT）激發(fā)并沿結構表面?zhèn)鞑?。當HF波經(jīng)過脫粘損傷區(qū)域時，受LF驅動的界面非線性振動會對其傳播路徑和能量分布產(chǎn)生調制作用，導致高頻信號頻譜中出現(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。

實驗通過理論建模、有限元仿真和實物試驗三階段驗證該原理。理論層面，基于彈性波動方程和接觸非線性模型，推導了旁頻信號的數(shù)學表達式，揭示了損傷界面剛度非線性對調制效應的影響機制。仿真層面，利用ABAQUS建立SCCS二維模型，模擬不同脫粘面積、深度及激勵參數(shù)下的波傳行為，發(fā)現(xiàn)LF頻率接近結構固有頻率（如1460Hz）時界面開合最顯著，旁頻幅值與LF幅值呈線性增長，而HF幅值存在閾值（約6V）后趨于飽和。試驗層面，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)測平臺，通過對比健康與損傷試件的頻域響應，發(fā)現(xiàn)損傷側一階旁頻幅值可達健康側的92倍，且調制指數(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-衰減-穩(wěn)定”三階段規(guī)律。最終，通過Rayleigh波速實測（2400~2415m/s）與理論誤差（<5%）驗證了模型可靠性，表明VAM技術通過捕捉非線性調制特征，能有效識別微米級脫粘損傷，為組合結構健康監(jiān)測提供了高靈敏度的無損檢測手段。

實驗框圖：

實驗過程：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，用于信號的激發(fā)與接收。隨后，搭建振動聲調制監(jiān)測系統(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鍵設備。通過理論分析和仿真計算，選定低頻（LF）和高頻（HF）信號的頻率與幅值。利用激振器產(chǎn)生低頻信號，壓電陶瓷片產(chǎn)生高頻信號，這些信號在組合結構界面處相互作用，模擬損傷部位的非線性調制效應。接著，通過示波器采集壓電陶瓷片接收到的傳感信號，并對信號進行時頻域分析，提取用于損傷識別的特征參數(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，實現(xiàn)對損傷的存在及其程度的識別。

圖：ATA-2168高壓放大器指標參數(shù)

應用方向：細胞分選，無損檢測，介電電泳，電致發(fā)光器件測試

應用場景：非線性超聲技術，振動聲調制（VAM），早期脫粘監(jiān)測，非線性特征參數(shù)，損傷評估算法，有限元分析，組合結構界面脫粘，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參數(shù)

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審核編輯 黃宇