電壓放大器驅動：非線性壓電超聲組合結構界面的前沿研究

　　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進行監測是至關重要的。目前，利用壓電波動法對組合結構的使用狀態進行評估已取得豐碩的成果。但是，由于傳統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，實現兩個聲場在損傷部位發生非線性調制，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早期脫粘損傷監測方面的應用，對得到的傳感信號進行時頻域分析，并根據聲學非線性理論推導，得到用于表征損傷的特定參數，實現對SCCS早期脫粘損傷識別和評估的目標。根據關于混頻聲場下理論推導以及相關的仿真計算，得出SCCS在粘結良好狀態下，損傷非線性不明顯，得到的傳感信號時頻域圖表現為兩個聲場的線性疊加；當SCCS中出現脫粘損傷后，其非線性顯著增強，在損傷部位發生調制效應。根據理論分析結果，設計并搭建VAM監測系統，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是試驗的關鍵，要求非線性參數能夠反映損傷狀態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的監測算法能夠有效識別微米級脫粘損傷，且對激勵參數具有魯棒性，為組合結構界面健康監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的調制現象，提取與損傷相關的特征參數。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）激發并沿結構表面傳播。當HF波經過脫粘損傷區域時，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生調制作用，導致高頻信號頻譜中出現旁頻分量（fHF±nfLF，n為整數），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、深度及激勵參數下的波傳行為，發現LF頻率接近結構固有頻率（如1460Hz）時界面開合顯著，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、函數發生器和示波器組成的監測平臺，通過對比健康與損傷試件的頻域響應，發現損傷側一階旁頻幅值可達健康側的92倍，且調制指數（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（K'）提升3倍后趨于穩定，損傷深度則呈現“增長-衰減-穩定"三階段規律。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，用于信號的激發與接收。隨后，搭建振動聲調制監測系統，該系統包含激振器、函數發生器、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。利用激振器產生低頻信號，壓電陶瓷片產生高頻信號，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。最終，依據非線性超聲理論，分析所提取特征參數的變化，實現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

　　應用方向：細胞分選，無損檢測，介電電泳，電致發光器件測試

　　應用場景：非線性超聲技術，振動聲調制（VAM），早期脫粘監測，非線性特征參數，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

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