Lamb波檢測法及其在風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用

杜永峰，侯 斌，李萬潤，劉 鵬

（1.蘭州理工大學(xué) 防震減災(zāi)研究所，蘭州 730050；2.甘肅省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730050；3.蘭州理工大學(xué) 西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心，蘭州 730050）

世界各國都加緊致力于新能源（尤其是清潔可再生能源）的開發(fā)利用。風(fēng)能作為一種清潔可再生能源，以其資源豐富、分布廣泛和價(jià)格優(yōu)惠等優(yōu)勢而獲得了較快的發(fā)展。根據(jù)世界風(fēng)能協(xié)會(huì)的報(bào)道，截至2013年底，全世界的風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到了318 529 MW，從2008～2013年全球風(fēng)電總裝機(jī)容量分別為120 894，159 742，196 944，236 749，282 275，318 529MW［1］。中國更是繼續(xù)在世界風(fēng)能發(fā)展中發(fā)揮領(lǐng)軍作用，2013年，中國（不包括臺(tái)灣地區(qū)）新增裝機(jī)容量16 089MW，占世界新增裝機(jī)容量的45%，累計(jì)裝機(jī)容量91 413 MW。新增裝機(jī)和累計(jì)裝機(jī)兩項(xiàng)數(shù)據(jù)均居世界第一［2］。

區(qū)別于其他常規(guī)電站，風(fēng)力發(fā)電場一般位于遠(yuǎn)離城市的山區(qū)、戈壁、海洋等環(huán)境相對(duì)惡劣的區(qū)域，這使得風(fēng)力發(fā)電設(shè)施發(fā)生損壞的可能性大大增加。雖然風(fēng)力發(fā)電機(jī)的任何一個(gè)部件都有可能出現(xiàn)破壞，但較為常見的還是葉片和塔筒的損壞［3－4］。葉片作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的一個(gè)非常關(guān)鍵的部件，它的造價(jià)要占到整個(gè)風(fēng)機(jī)造價(jià)的15%～20%［5］。而且一旦出現(xiàn)較大損傷，維修起來非常困難，維修所花費(fèi)的時(shí)間也很長。更嚴(yán)重的是，如果葉片在出現(xiàn)微小損傷后沒有被及時(shí)修補(bǔ)，等到它折斷或者嚴(yán)重彎曲以后，由于轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量的不平衡性，極有可能造成整個(gè)風(fēng)機(jī)毀滅性的破環(huán)［6］。

能解決上述問題，提高風(fēng)機(jī)葉片耐久性的最好方法就是使用各種結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM）技術(shù)，對(duì)葉片狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。通過健康監(jiān)測，可避免微小損傷的繼續(xù)發(fā)展，將問題處理在萌芽狀態(tài)，防止發(fā)生破壞性的不可修復(fù)的損壞。同時(shí)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)，可以為新一代風(fēng)機(jī)葉片的設(shè)計(jì)提供具有實(shí)際價(jià)值的參考信息［7］。

Lamb波是一種在板類結(jié)構(gòu)（波長與板厚相近）中傳播的彈性波，它在傳播的過程中，結(jié)構(gòu)的任何不連續(xù)性（如裂紋、分層、通孔等損傷）都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響，使其表現(xiàn)出能量衰減、模式轉(zhuǎn)換、頻譜變化等特征，可以利用這些特征，來識(shí)別結(jié)構(gòu)中損傷的有無。這就是通常所說的Lamb波或者導(dǎo)波檢測技術(shù)的基本原理，其不僅可以同時(shí)檢測結(jié)構(gòu)內(nèi)部和表面的損傷，而且利用少量傳感器就可以檢測較大范圍。基于這些特性和優(yōu)點(diǎn)，Lamb波非常適合應(yīng)用于風(fēng)機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中［8－9］。

1 Lamb波損傷檢測

1.1 Lamb波基本理論

Lamb波的概念最早由H.Lamb在1917年提出。在無限均勻、各向同性彈性介質(zhì)中，只存在縱波和橫波兩種波，二者分別以各自的特征速度傳播而無波形耦合。而在板中則不然，在板的某一點(diǎn)上激勵(lì)聲波，聲波傳播到板的上、下界面時(shí)，將會(huì)在交界面處多次反射回板中，從而沿著平行板面的方向傳播。被反射時(shí)伴隨著模式轉(zhuǎn)換，并且會(huì)發(fā)生相互干涉，經(jīng)過在板內(nèi)傳播一段時(shí)間之后，因疊加而產(chǎn)生波包，即所謂板中Lamb波的模式。本質(zhì)上，Lamb波是在具有兩個(gè)平行平面的結(jié)構(gòu)中由橫波和縱波相互耦合而產(chǎn)生的一種彈性波［10］。

Lamb波在板中傳播時(shí)，板中質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生振動(dòng)，其振動(dòng)方式十分復(fù)雜，隨各種參數(shù)（頻率、板厚等）的變化而變化。根據(jù)薄板兩表面質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)相位關(guān)系，可以把Lamb 波的模式分為對(duì)稱（symmetric modes）和反對(duì)稱（anti－symmetric modes）兩種，對(duì)稱波又可分為S0，S1，…，Sn等多個(gè)模式，反對(duì)稱波又分為A0，A1，…，An等多個(gè)模式，即是Lamb波的多模式特性。對(duì)稱模式和反對(duì)稱模式可分別表達(dá)如下：

式中：h、k、cL、cT、cp、ω分別為板 厚、波 數(shù)、縱波波速、橫波波速、相速度和圓頻率。

從式（1），（2）可以看出，波速與頻率相關(guān)，即Lamb波的速度隨頻率的變化而發(fā)生改變，這也是Lamb波的另一個(gè)重要特性——頻散，且各個(gè)模式都存在頻散現(xiàn)象［11－12］。

Lamb波的多模式和頻散特性使得信號(hào)的復(fù)雜程度大大增加，因此，通常會(huì)選取特定的激勵(lì)頻率來減少激發(fā)出的Lamb波模式，實(shí)際檢測中一般選用基本模式S0和A0［13］。

1.2 Lamb波換能器

激勵(lì)和接收Lamb波的換能器有很多種，例如壓電換能器、磁致伸縮換能器、LBU（laser－based ultrasonics）和光纖傳感器等。其中，壓電換能器由于其有可以同時(shí)進(jìn)行電能和機(jī)械能之間相互轉(zhuǎn)換的特性以及較高的能量轉(zhuǎn)換效率和低功耗、頻響范圍寬、尺寸制作靈活等優(yōu)點(diǎn)，而成為導(dǎo)波檢測中最常用的換能器。目前應(yīng)用最多的壓電材料是壓電陶瓷（PZT）和壓電聚合物（PVDF）兩類，壓電陶瓷（PZT）是一種脆性材料，在使用過程中需要特別注意，避免發(fā)生碎裂；相反，壓電聚合物薄膜（PVDF）的柔韌性較好，操作方便，但由于其逆壓電性能較弱，一般只用做傳感器［11，14－15］。另外，磁致伸縮換能器在Lamb波檢測中也有著較為廣泛的應(yīng)用。

1.3 激勵(lì)信號(hào)參數(shù)

1.3.1 頻率

最佳中心頻率可以通過分析頻散曲線和試驗(yàn)來確定。頻散曲線表示的是脈沖頻率和波速之間的相互關(guān)系，不同中心頻率的激勵(lì)信號(hào)會(huì)激發(fā)出不同的Lamb波模式，在較低頻率下可激發(fā)的Lamb 波傳播模式相對(duì)較少，有利于響應(yīng)信號(hào)的分析處理。同時(shí)，低頻所對(duì)應(yīng)的波速也較小，有利于激發(fā)信號(hào)和接收信號(hào)的區(qū)分。但是，在低頻下頻散曲線的上升下降變化快，即波速對(duì)頻率變化敏感，這給波傳播時(shí)間的計(jì)算造成困難。較高激發(fā)頻率下則與上述情形相反［16］。在確定了激振頻率的大致范圍以后，通過試驗(yàn)觀察，響應(yīng)信號(hào)幅值最大情況下所對(duì)應(yīng)的頻率即為最佳中心頻率［11］。

1.3.2 幅值

理論上，增大激勵(lì)信號(hào)的幅值可提高信號(hào)的信噪比（SNR），以便獲得更清楚更干凈的信號(hào)。但是驅(qū)動(dòng)電壓的幅值也不能無限增大，那會(huì)導(dǎo)致信號(hào)發(fā)生漂移現(xiàn)象，不利于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號(hào)接收。另外對(duì)于一個(gè)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)來說，它必須盡量滿足低功耗要求，這樣才具有發(fā)展?jié)摿Γ?7］。

1.3.3 周期數(shù)

確定一個(gè)合適的周期數(shù)必須從頻域和時(shí)域兩個(gè)方面綜合考慮。Lamb波信號(hào)的周期數(shù)越多，其頻帶越窄，而頻帶越窄，信號(hào)的發(fā)散現(xiàn)象就越小。但是，如果信號(hào)周期數(shù)多，信號(hào)的長度必然增長，在邊界反射較多的情況下，信號(hào)容易發(fā)生混疊，造成模式識(shí)別困難。因此，信號(hào)的周期數(shù)不能太短，也不能太長［17－18］。

1.3.4 波形

激勵(lì)信號(hào)一般選取正弦信號(hào)，因?yàn)樗侵芷谛缘摹⑵交?。同時(shí)，對(duì)正弦信號(hào)加窗可以縮小帶寬和減少能量泄漏［19］。

1.4 Lamb波信號(hào)處理和損傷特征提取

能否對(duì)所采集到的Lamb波信號(hào)進(jìn)行正確、有效地處理和解釋直接決定著基于Lamb波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的應(yīng)用效果。但是，由于受信號(hào)采集過程中采集系統(tǒng)外部和內(nèi)部各種因素的影響，采集到的信號(hào)中必然夾雜著許多不能反映結(jié)構(gòu)真實(shí)狀態(tài)的成分，從而導(dǎo)致?lián)p傷特征提取困難，影響識(shí)別效果。因此，就需要對(duì)接收信號(hào)做預(yù)處理和去噪，剔除混雜在信號(hào)中的干擾和噪聲。信號(hào)預(yù)處理主要包括采樣數(shù)據(jù)標(biāo)定、消除趨勢項(xiàng)和采樣數(shù)據(jù)的平滑處理等，Lamb 波檢測中通常利用小波變換去除噪聲［9，11，20－22］。

特征值是從信號(hào)中提取的一些特征參數(shù)，這些參數(shù)須能夠很好地表征待測結(jié)構(gòu)的不同狀態(tài)。在導(dǎo)波檢測中，根據(jù)特征值所處域的不同，可以將損傷特征提取的方法分為三類：時(shí)域分析法、頻域分析法和時(shí)頻域分析法。

1.4.1 時(shí)域分析法

時(shí)域信號(hào)分析方法主要包括時(shí)域信號(hào)波形參數(shù)及時(shí)域信號(hào)統(tǒng)計(jì)參數(shù)的提取，這些參數(shù)主要有信號(hào)到達(dá)時(shí)間、峰值、能量、均值、均方值、方差等［10］。VALDES等［23］利用Lamb波信號(hào)的到達(dá)時(shí)間來定位復(fù)合材料梁中的分層損傷，PARK 等［24］運(yùn)用時(shí)域信號(hào)的互相關(guān)分析來確定基準(zhǔn)信號(hào)和接收信號(hào)的線性相關(guān)程度。

1.4.2 頻域分析法

頻域分析法主要是通過傅立葉變換，將監(jiān)測到的信號(hào)從時(shí)域變換到頻域，進(jìn)行頻域特征提取。TAYLOR 等［25］首先利用快速傅立葉變換（FFT）將接收到的信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域，然后計(jì)算信號(hào)在特定頻率范圍內(nèi)的能量，以此為參數(shù)來識(shí)別風(fēng)機(jī)葉片中的損傷。

1.4.3 時(shí)頻分析法

為了克服單獨(dú)時(shí)域或者頻域分析的缺點(diǎn)，就需要引進(jìn)時(shí)頻聯(lián)合分析的方法，這些方法主要有：短時(shí)傅立葉分析（STFT）［26］、WVD 分 布［27］、小波變換（WT）分析［28］和希爾伯特－黃變換（HHT）［29］等。

1.5 Lamb波損傷檢測算法

損傷檢測是依據(jù)所建立的信號(hào)特征與缺陷之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，由Lamb波信號(hào)中所提取的信息推斷出缺陷的參數(shù)，如位置、形狀和嚴(yán)重程度等，這種檢測損傷的推斷過程是一個(gè)典型的逆過程。近幾年來用于診斷、分類和識(shí)別領(lǐng)域的逆算法迅速發(fā)展起來，這些算法主要有基于TOF（Time of Flight）的三角定位算法［30－31］、時(shí)間反轉(zhuǎn)算法［32－34］、Lamb波層析成像技術(shù)［35］、基于可能性評(píng)估的損傷診斷技術(shù)［36－38］、基于相控陣的損傷識(shí)別方法［39－40］、基于損傷指數(shù)（Damage Index，DI）的推斷方法［41－42］和人工智能技術(shù)［43－45］等。

一般來說，基于TOF 的三角定位算法多被應(yīng)用于定位簡單結(jié)構(gòu)損傷的二維位置?；贒I的推斷方法可以應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的損傷檢測，并可用于評(píng)估損傷的嚴(yán)重程度。時(shí)間反轉(zhuǎn)方法和基于相控陣的損傷檢測方法還可以有效地提高導(dǎo)波信號(hào)的信噪比（SNR），提高損傷檢測的精度，并且時(shí)間反轉(zhuǎn)方法不依賴于基準(zhǔn)波信號(hào)，大大避免了環(huán)境因素的變化對(duì)檢測精度的影響?；诔上窦夹g(shù)的損傷識(shí)別方法的明顯優(yōu)點(diǎn)是可以直觀地描繪缺陷。人工智能技術(shù)包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）、遺傳算法（GA）和貝葉斯推理（BI），實(shí)際案例已經(jīng)證明了其檢測損傷的有效性，但是該技術(shù)的計(jì)算過程較為復(fù)雜?？傊?，無論運(yùn)用何種損傷檢測算法，核心工作都是把從傳感器網(wǎng)絡(luò)中所提取的信號(hào)特征進(jìn)行有效的分析和數(shù)據(jù)融合［46］。

2 Lamb波檢測法在風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用

2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片

風(fēng)力發(fā)電機(jī)是把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的動(dòng)力機(jī)械。國內(nèi)外風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)形式繁多，根據(jù)風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)及其在氣流中的位置大體上可分為兩大類：垂直軸風(fēng)力機(jī)和水平軸風(fēng)力機(jī)，目前應(yīng)用較多的是水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。一般情況下，一個(gè)水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)有三個(gè)葉片，這三個(gè)葉片是風(fēng)輪最主要的組成部分，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)源動(dòng)力輸入的首要載體，它們不僅決定了風(fēng)輪性能的好壞，而且還決定了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整體性能的好壞和利用價(jià)值。風(fēng)機(jī)葉片的性能主要由兩個(gè)方面的因素決定：葉片結(jié)構(gòu)和組成材料［5，47］。

葉片剖面基本上采用蒙皮加主梁的構(gòu)造形式。主梁可采用整體箱型梁形式，也可用雙槽鋼形式或加強(qiáng)肋結(jié)構(gòu)。在后緣空腹處，采用夾層結(jié)構(gòu)。葉片大部分彎曲荷載由主梁承擔(dān)，蒙皮起氣動(dòng)外形作用，并可承擔(dān)部分荷載。除此以外，葉片尺寸大小也是葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要著重考慮的一個(gè)重要問題。為了提高風(fēng)能利用率，獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益，風(fēng)力機(jī)的單機(jī)容量越來越大，葉片尺寸規(guī)模也相應(yīng)增長。葉片的尺寸增大以后，其所承受的荷載水平、與機(jī)箱和塔筒等之間的相互作用也更趨復(fù)雜，這些都會(huì)對(duì)葉片的服役安全產(chǎn)生重要影響［5，48］。

葉片的組成材料對(duì)葉片的性能也有著非常重要的影響，比如影響葉片的重量、葉片的損傷機(jī)理以及疲勞壽命等。葉片發(fā)展初期，由于葉片較小，有木葉片、布蒙皮葉片、鋼梁玻璃纖維蒙皮葉片、鋁合金葉片等等。隨著葉片向大型化方向發(fā)展，復(fù)合材料逐漸取代其他材料而成為大型葉片的唯一可選材料。玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）是現(xiàn)代風(fēng)機(jī)葉片最普遍采用的復(fù)合材料，GFRP以其低廉的價(jià)格，優(yōu)良的性能占據(jù)著大型風(fēng)機(jī)葉片材料的統(tǒng)治地位［5，49］。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在工作過程中，葉片要承受強(qiáng)風(fēng)載荷、砂粒沖刷、紫外線照射、大氣氧化與腐蝕、雷擊等外界因素的作用。在這些因素的單獨(dú)或綜合作用下，葉片容易出現(xiàn)表層膨脹剝離、膠合層脫粘、層合板分層等多種形式的損傷。較易出現(xiàn)這些損傷的位置主要有：①葉片根部。②距葉片根部30%～35%和70%葉片長度位置處。③弦長最大位置處。④主梁和主梁帽外層［3，50］。

因此，在將Lamb波方法應(yīng)用于風(fēng)機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測時(shí)，應(yīng)根據(jù)葉片的實(shí)際結(jié)構(gòu)形式和組成材料特性以及葉片的常見損傷形式和易損部位，合理選用和優(yōu)化布置換能器，合理優(yōu)化激勵(lì)信號(hào)，合理選取信號(hào)處理方法和損傷識(shí)別算法。

2.2 應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者相繼開展了Lamb波檢測技術(shù)在風(fēng)電葉片的早期損傷預(yù)報(bào)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方面的研究工作。

休斯頓大學(xué)的宋鋼兵和哈爾濱工業(yè)大學(xué)的李惠等人［51］設(shè)計(jì)了一個(gè)基于壓電陶瓷的風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）。該無線傳感網(wǎng)絡(luò)由嵌入式壓電陶瓷（PZT）傳感器和無線通信系統(tǒng)組成，工作時(shí)，電腦通過無線節(jié)點(diǎn)控制其中一個(gè)壓電陶瓷（PZT）片來激勵(lì)產(chǎn)生特定的Lamb波，再由分布在葉片其他位置處的壓電陶瓷（PZT）片接收響應(yīng)信號(hào)，然后將接收到的信號(hào)由傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線通信系統(tǒng)傳送到電腦進(jìn)行分析處理。為了準(zhǔn)確地評(píng)估風(fēng)機(jī)葉片的損傷狀態(tài)和損傷程度，還提出了一個(gè)基于小波包分析的損傷指標(biāo)和損傷矩陣。最后，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法的有效性。但是在試驗(yàn)過程中只是對(duì)簡單的人工模擬的溝槽損傷進(jìn)行了識(shí)別。

TAYLOR［25，52］等人為了測試所提出的風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的性能，對(duì)一個(gè)CX－100型葉片進(jìn)行了將近三個(gè)月、850萬次的疲勞加載試驗(yàn)，在整個(gè)疲勞加載過程中，該結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)測試葉片的實(shí)時(shí)狀態(tài)持續(xù)進(jìn)行監(jiān)測。此風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)主要是基于三種方法設(shè)計(jì)而成的，這三種方法分別是模態(tài)分析、Lamb波檢測和散射波場法。其中Lamb波檢測中所用的信號(hào)分析和處理方法是主成份分析（PCA）和接收信號(hào)能量分析，測試結(jié)果表明，PCA 方法可以很好地識(shí)別和定位完全型的損傷，但對(duì)于過渡階段的損傷識(shí)別效果不佳；信號(hào)能量分析方法對(duì)完全型損傷的識(shí)別效果也較好，但由于基準(zhǔn)數(shù)據(jù)測量受環(huán)境工況變化影響，湮沒了某些由于結(jié)構(gòu)損傷而造成的接收信號(hào)能量的變化，使得對(duì)于一些較小的、處于過渡階段的損傷的識(shí)別效果也欠佳。

RAI?UTIS等人［53］首先利用數(shù)值方法繪制出了試驗(yàn)風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)板的頻散曲線，根據(jù)該頻散曲線選取290kHz作為激振頻率，然后利用Lamb波損傷成像技術(shù)對(duì)人工模擬的兩個(gè)直徑分別為19mm和49mm 的圓形損傷進(jìn)行了檢測。檢測結(jié)果表明，該技術(shù)不但可以識(shí)別出模擬損傷的幾何形式，而且還可以估算出損傷的大概尺寸。

LIGHT－MARQUEZ等［54］提出了三種基于壓電傳感器的風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法，分別是Lamb波法、頻響函數(shù)法和基于時(shí)間序列分析的方法。為了驗(yàn)證和對(duì)比這三種方法，從9m 長CX100型葉片上截取了1 m 的一段進(jìn)行了試驗(yàn)研究。在Lamb波方法中，開發(fā)了一個(gè)用戶界面來控制激勵(lì)信號(hào)的參數(shù)，并在葉片表面粘貼了四個(gè)壓電片來激勵(lì)和接收Lamb 波。由于該葉片截面形式較為復(fù)雜，只能通過試驗(yàn)來確定激勵(lì)信號(hào)的最優(yōu)頻率，測試時(shí)損傷由一塊粘貼于葉片表面的工業(yè)膩?zhàn)觼砟M。在確定了最優(yōu)頻率以后，為了使得試驗(yàn)更接近真實(shí)情況，進(jìn)行了多種環(huán)境和工況下的基準(zhǔn)信號(hào)采集，隨后進(jìn)行了損傷檢測。檢測過程中將采集到的損傷信號(hào)和之前的基準(zhǔn)信號(hào)先轉(zhuǎn)換到頻域，然后對(duì)它們進(jìn)行頻域互相關(guān)分析，還設(shè)計(jì)了一個(gè)損傷指標(biāo)，該損傷指標(biāo)是用1減去互相關(guān)函數(shù)的最大值，試驗(yàn)結(jié)果證明該指標(biāo)能夠較好地表征結(jié)構(gòu)中的損傷情況。整個(gè)試驗(yàn)研究說明，這三種方法都能夠有效識(shí)別葉片結(jié)構(gòu)中的損傷，相較于其他兩種方法，Lamb波方法只能識(shí)別位于作動(dòng)傳感路徑上或者附近的損傷，這一特性也可用來確定損傷的位置。

MAKAYA 等［55］通過試驗(yàn)研究和理論分析說明了Lamb波在不同特性的復(fù)合材料板中的傳播特性以及Lamb波法識(shí)別葉片不同材料膠合處脫膠損傷的可行性。試驗(yàn)時(shí)選取了兩塊玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（GFRP）板和一個(gè)風(fēng)機(jī)葉片實(shí)物模型作為試驗(yàn)試件，第一塊GFRP 板是準(zhǔn)各向同性板，第二塊是雙向板，而葉片實(shí)體模型由玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（GFRP）和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）兩種材料組成。研究過程中首先通過試驗(yàn)測定的方法繪制出了兩塊GFRP板的頻散曲線，發(fā)現(xiàn)在0～300kHz范圍內(nèi)，雙向GFRP 板中激發(fā)出的Lamb波模式要多于準(zhǔn)各向同性GFRP 板；在準(zhǔn)各向同性GFRP 板中，Lamb波基本模式S0和A0與纖維取向獨(dú)立無關(guān)，而在雙向GFRP板中則不然，S0模式受纖維取向的影響。在葉片實(shí)體模型的翼梁帽處人工模擬了一個(gè)250mm×250mm 的脫膠損傷，試驗(yàn)結(jié)果表明利用Lamb波損傷成像方法能夠很好地識(shí)別該損傷。

3 結(jié)語

（1）風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)的幾何形式和材料特性復(fù)雜，其所處的自然環(huán)境相對(duì)惡劣，這些都給監(jiān)測信號(hào)帶來諸多困難，所以今后在信號(hào)處理算法和傳感器封裝方法方面要進(jìn)一步加強(qiáng)研究。

（2）信號(hào)的無線傳輸和監(jiān)測系統(tǒng)的能量采集供應(yīng)方面也需要進(jìn)行研究。

（3）在狀態(tài)識(shí)別過程中，通過嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)分析建立合理的閾值是非常必要的。

（4）Lamb波法是一種局部的損傷識(shí)別方法，在使用過程中，須和其他方法（例如聲發(fā)射、振動(dòng)分析等）結(jié)合使用，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)葉片的全局監(jiān)測。

（5）損傷后的風(fēng)機(jī)葉片一般通過機(jī)械緊固或者在損壞處粘貼金屬或復(fù)合材料板的方式進(jìn)行修補(bǔ)，但是目前缺乏快速有效的修補(bǔ)效果檢測評(píng)價(jià)方法，今后在此方面也需要加強(qiáng)研究。

［1］WWEA.Key statistics of world wind energy report 2013［EB／OL］［2014－12］.http：／／www.wwindea.org／home／index.php.

［2］CWEA.2013年中國風(fēng)電裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)［R］.中國可再生能源學(xué)會(huì)風(fēng)能專業(yè)委員會(huì)，2014.

［3］CIANG C C，LEE J R，BANG H J.Structural health monitoring for a wind turbine system：a review of damage detection methods［J］.Measurement Science and Technology，2008，19（12）：1－20.

［4］Caithness Windfarm Information Forum.Accident statistics ［EB／OL］.［2014－12］.http：／／www.caithness windfarms.co.uk／.

［5］YANG B，SUN D.Testing，inspecting and monitoring technologies for wind turbine blades：A survey［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2013，22：515－526.

［6］陳雪峰，李繼猛，程航，等.風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)的研究與進(jìn)展［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011（9）：45－52.

［7］GHOSHAL A，SUNDARESAN M J，SCHULZ M J，et al.Structural health monitoring techniques for wind turbine blades［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2000，85（3）：309－324.

［8］解維華，湯珺，張博明，等.基于Lamb的金屬薄板損傷主動(dòng)監(jiān)測技術(shù)研究［J］.壓電與聲光，2008（3）：349－352.

［9］RAGHAVAN A，CESNIK C E S.Review of guidedwave structural health monitoring［J］.Shock and Vibration Digest，2007，39（2）：91－116.

［10］袁慎芳.結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2007.

［11］SU Z，YE L，LU Y.Guided Lamb waves for identification of damage in composite structures：A review［J］.Journal of Sound and Vibration，2006，295（3）：753－780.

［12］KESSKER S S，SPEARING S M，SOUTIS C.Damage detection in composite materials using Lamb wave methods［J］.Smart Materials and Structures，2002，11（2）：269－276.

［13］LIU X，ZHOU C，JIANG Z.Damage localization in platelike structure using built－in PZT sensor network［J］.Smart Structures and Systems，2012，9（1）：21－33.

［14］RAGHAVAN A，CESNIK C E S.Review of guidedwave structural health monitoring［J］.Shock and Vibration Digest，2007，39（2）：91－116.

［15］李傳兵，廖昌榮.壓電智能結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展［J］.壓電與聲光，2002（1）：42－46.

［16］KESSLER S S，SPEARING S M，SOUTIS C.Damage detection in composite materials using Lamb wave methods［J］.Smart Materials and Structures，2002，11（2）：269－278.

［17］李迎.復(fù)合材料無損檢測中Lamb波的優(yōu)化［J］.聲學(xué)技術(shù)，2011（3）：232－236.

［18］YUAN S，XU Y，PENG G.New developments in structural health monitoring based on diagnostic Lamb wave［J］.Journal of Material Science ＆Technology，2004，20（5）：490－496.

［19］KESSKER S S，SPEARING S M，SOUTIS C.Optimization of lamb wave methods for damage detection in composite materials［J］.Technology Laboratory for Advanced Composites Department of Aeronautics and Astronautics Massachusetts Institute of Technology，SHM－2001，2001.

［20］YU L，BAO J，GIURGIUTIU V.Signal processing techniques for damage detection with piezoelectric wafer active sensors and embedded ultrasonic structural radar［C］.［S.l］：［s.n］，2004：492－503.

［21］RIZZO P，SCALEA F L.Discrete wavelet transform to improve guided－wave－based health monitoring of tendons and cables［C］.［S.l］：［s.n］，2004：523－532.

［22］KERCEL S W，KLEIN M B，POUET B F.Wavelet and wavelet－packet analysis of Lamb wave signatures in laser ultrasonics［C］.［S.l］：［s.n］，2000：308－317.

［23］VALDES S H D，SOUTIS C.A structural health monitoring system for laminated composites［J］.Proceedings of DETC，2001：2013－2021.

［24］PARK S，ANTON S R，KIM J K，et al.Instantaneous baseline structural damage detection using aminiaturized piezoelectric guided waves system［J］.KSCE Journal of Civil Engineering，2010，14（6）：889－895.

［25］TAYLOR S G，JEONG H，JANG J K，et al.Full－scale fatigue tests of CX－100wind turbine blades.Part II：analysis［C］.SPIE Smart Structures and Materials＋Nondestructive Evaluation and Health Monitoring.International Society for Optics and Photonics，2012.

［26］MAHADEV P S，VINU K R，BALASUBRAMANIAM K，et al.Imaging of defects in composite structures using guided ultrasonics［C］.［S.l］：［s.n］，2003：700－703.

［27］PROSSER W H，SEALE M D，SMITH B T.Time–frequency analysis of the dispersion of lamb modes［J］.Journal of the Acoustical Society of America，1999，105（5）：2669－2676.

［28］LEMISTRE M，BALAGEAS D.Structural health monitoring system based on diffracted lamb wave analysis by multiresolution processing［J］.Smart Materials and Structures，2001，10（3）：504－511.

［29］OSEGUEDA R A，KREINOVICH V，NAZARIAN S，et al.Detection of cracks at rivet holes in thin plates using Lamb－wave scanning［C］.NDE for Health Monitoring and Diagnostics.International Society for Optics and Photonics，2003：55－66.

［30］DIAMANTI K，SOUTIS C，HODGKINSON J M.Lamb waves for the non－destructive inspection of monolithic and sandwich composite beams［J］.Composites Part A：Applied science and manufacturing，2005，36（2）：189－195.

［31］HARRI K，GUILLAUME P，VANLANDUIT S.Online damage detection on a wing panel using transmission of multisine ultrasonic waves［J］.NDT＆E International，2008，41（4）：312－317.

［32］PARK H W，SOHN H，LAW K H，et al.Time reversal active sensing for health monitoring of a composite plate［J］.Journal of Sound and Vibration，2007，302：50－66.

［33］WANG C H，ROSE J T，CHANG F K.A synthetic time－reversal imaging method for structural health monitoring［J］.Smart Materials and Structures，2004，13：415－423.

［34］XU B，GIURGIUTIU V.Single mode tuning effects on Lamb wave time reversal with piezoelectric wafer active sensors for structural health monitoring［J］.Journal of Nondestructive Evaluation，2007，26：123－134.

［35］張海燕，呂東輝，袁瀚貝.超聲波檢測中的蘭姆波層析成像［J］.聲學(xué)技術(shù)，2004，3（2）：138－145.

［36］WANG D，YE L，LU Y，et al.A probabilistic diagnostic algorithm for identification of multiple notches using digital damage fingerprints（DDFs）［J］.Journal of Intelligent Material Systems and Structures，2009，20（12）：1439－1450.

［37］WANG D，YE L，LU Y，et al.A damage diagnostic imaging algorithm based on the quantitative comparison of Lamb wave signals［J］.Smart Materials and Structures，2010，19（6）：1－12.

［38］WANG D，YE L，SU Z，et al.Probabilistic damage identification based on correlation analysis using guided wave signals in aluminum plates［J］.Structural Health Monitoring，2010，9（2）：133－144.

［39］孫亞杰，袁慎芳，蔡建.基于超聲相控陣的材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測實(shí)驗(yàn)研究［J］.宇航學(xué)報(bào)，2008，29（4）：1393－1396.

［40］孫亞杰，袁慎芳，邱雷，等.基于Lamb 波相控陣和圖像增強(qiáng)方法的損傷監(jiān)測［J］.航空學(xué)報(bào)，2009，30（7）：1325－1330.

［41］ZHAO X，GAO H，ZHANG G，et al.Active health monitoring of an aircraft wing with embedded piezoelectric sensor／ actuator network：I.Defect detection，localization and growth monitoring ［J］.Smart Materials and Structures，2007，16（4）：1208－1217.

［42］ZHAO X，QIAN T，MEI G，et al，Active health monitoring of an aircraft wing with an embedded piezoelectric sensor／actuator network：II.Wireless approaches ［J］.Smart Materials and Structures，2007，16（4）：1218－1225.

［43］LU Y，YE L，SU Z，et al.Artificial neural network（ANN）－based crack identification in aluminum plates with Lamb wave signals［J］.Journal of Intelligent Material Systems and Structures，2009，20：39－49.

［44］CHOU J H，GHABOUSSI J.Genetic algorithm in structural damage detection ［J］.Computers ＆Structures，2001，79（14）：1335－1353.

［45］WANG X，F(xiàn)OLIENTE G，SU Z，et al.Multilevel decision fusion in a distributed active sensor network for structural damage detection［J］.Structural Health Monitoring，2006，5（1）：45－58.

［46］苗曉婷.基于導(dǎo)波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中特征提取技術(shù)與損傷識(shí)別方法的研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2011.

［47］顧怡紅.風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2014.

［48］陳余岳，張錦南.玻璃鋼／復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)葉片的開發(fā)［J］.纖維復(fù)合材料，2007（4）：371－374.

［49］李軍向，薛忠民，王繼輝，等.大型風(fēng)輪葉片設(shè)計(jì)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.玻璃鋼／復(fù)合材料，2008（1）：48－52.

［50］李成良，王繼輝，薛忠民，等.大型風(fēng)機(jī)葉片材料的應(yīng)用和發(fā)展［J］.玻璃鋼／復(fù)合材料，2008（4）：328－336.

［51］SONG G，LI H，GAJIC B，et al.Wind turbine blade health monitoring with piezoceramic－based wireless sensor network［J］.International Journal of Smart and Nano Materials，2013，4（3）：150－166.

［52］FARINHOLT K M，TAYLOR S G，PARK G，et al.Full－scale fatigue tests of CX－100 wind turbine blades.Part I：testing［C］.［S.l］：［s.n］，2012：1236－1243.

［53］RAI?UTIS R，JASIūNIENé E，?ukauskas E.Ultrasonic NDT of wind turbine blades using guided waves［J］.Ultrasound，2008，63（1）：7－11.

［54］LIGHT－MARQUEZ A，SOBIN A，PARK G，et al.Structural damage identification in wind turbine blades using piezoelectric active sensing［J］.Structural Dynamics and Renewable Energy，2011，3（2）：55－65.

［55］MAKAYA K，BURNHAM K，CAMPOS C.Assessment of defects in wind and tidal turbine bladesusing guided waves ［J］.Smart Materials and Structures，2011，16（4）：1211－1217.