《Electronics》：Frequency- and Path-Dependent Guided-Wave Sensitivity Assessment of an Aerospace-Type Sandwich Composite Floor Panel Under Bonded Patch-Induced Perturbations Using Piezoelectric Sensor Networks
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夹层复合材料地板面板因其轻质和高刚度-重量特性而广泛应用于飞机内部结构。然而，此类面板的导波响应受到其多层配置、蜂窝芯、衰减行为、传感器路径几何形状和激发频率的强烈影响。在本研究中，研究人员使用压电（PZT）传感器网络，在航空航天型夹层复合材料地板面板上实验评
夹层复合材料地板面板因其轻质和高刚度-重量特性而广泛应用于飞机内部结构。然而，此类面板的导波响应受到其多层配置、蜂窝芯、衰减行为、传感器路径几何形状和激发频率的强烈影响。在本研究中，研究人员使用压电（PZT）传感器网络，在航空航天型夹层复合材料地板面板上实验评估了一种主动导波结构健康监测（SHM）配置。试样由玻璃纤维增强聚醚酰亚胺（GFR-PEI）面层和酚醛涂层芳纶蜂窝芯组成。研究人员在25个预定义面板区域上依次施加受控的粘贴补片引起的表面扰动，以引入可重复的局部质量加载和阻尼变化。导波测量使用Acellent ScanGenie系统进行，频率范围为75–600 kHz，步长为25 kHz，并采用十二条定向激励-接收路径。结果表明，测得的损伤指数（DI）响应强烈依赖于激发频率、传感路径和扰动位置。在测试配置下，400–450 kHz范围产生了相对较高的DI值，其中425 kHz在有效测量中产生了最高的平均DI。然而，425 kHz的有效传感覆盖率仅为50%；因此，该频率未被解释为最稳健的整体监测频率。100–150 kHz左右的较低频率提供了完整的传感覆盖率，同时保持了相对较高的DI值。高于550 kHz的频率由于衰减增加和可用信号响应差，测量可靠性降低。总体而言，该研究提供了在受控粘贴补片扰动条件下，基于导波的PZT网络在夹层复合材料地板面板上的比较灵敏度评估，而非对真实内部夹层面板损伤机制的直接验证。
**论文解读：基于压电传感器网络的航空航天型夹层复合材料地板面板导波灵敏度评估**
**研究背景与问题**
航空航天型夹层复合材料地板面板因其轻质和高刚度-重量比，被广泛应用于飞机客舱和货舱内部结构。这类面板通常由复合材料面层和轻质蜂窝芯组成，但在服役过程中可能遭受冲击、局部压痕、芯层退化、面层-芯层分离等损伤，且许多内部损伤难以通过目视检查发现。导波结构健康监测（SHM）技术利用压电（PZT）传感器网络发射和接收超声导波，可检测结构变化，但导波在夹层结构中的传播受激发频率、模态行为、衰减、色散、换能器响应、边界反射和传感器路径几何的强烈影响。现有研究多针对单一频率或特定路径，缺乏对频率、路径和位置依赖性的系统实验评估。因此，本研究旨在通过受控粘贴补片扰动，评估PZT传感器网络在航空航天型夹层复合材料地板面板上的频率、路径和位置依赖的导波灵敏度，为未来真实损伤检测提供比较基础。
**研究内容与结论**
研究人员采用四传感器PZT网络，在尺寸为300 mm × 300 mm × 12.7 mm的夹层复合材料地板面板（由玻璃纤维增强聚醚酰亚胺（GFR-PEI）面层和酚醛涂层芳纶蜂窝芯构成，供应商为Hutchinson Aerospace, Blagnac, France）上开展了主动导波实验。通过在25个预定义区域依次施加受控粘贴补片（AT-200Y密封胶带材料）引入局部质量加载和阻尼变化，利用Acellent ScanGenie系统在75–600 kHz（25 kHz步长）范围内进行扫频测量，并评估12条定向激励-接收路径的损伤指数（DI）。实验表明，DI响应强烈依赖于激发频率、传感路径和扰动位置。该研究发表在《Electronics》期刊上。
**关键技术方法**
主要关键技术方法包括：（1）基于压电（PZT）传感器的主动导波SHM配置，采用四传感器网络，传感器位于面板角部（距边缘约25 mm），通过12条定向激励-接收路径进行导波发射与接收；（2）受控粘贴补片扰动，将面板表面划分为25个60 mm × 60 mm区域，依次粘贴密封胶带以模拟局部质量加载和阻尼变化；（3）频率扫描测量，使用Acellent ScanGenie系统在75–600 kHz范围内以25 kHz步长生成五周期猝发（Burst-5）信号，激励电压60 V，每个条件自动平均三次采集；（4）损伤指数（DI）计算，基于Acellent SHM Patch软件输出的归一化波能量差异，用于评估基线信号与扰动后信号的相对变化。
**研究结果**
**3.1 导波信号分析**：通过选取代表性波形（如中央区域13、边界区域23、区域3和区域25的路径），研究人员发现导波响应随激发频率、扰动位置和路径几何变化。例如，200 kHz下对角路径PZT-1–PZT-3和PZT-2–PZT-4在区域13扰动后出现可观察的振幅和相位差异；而450 kHz下相同路径波包振幅降低、可解释性变差。边界附近区域23在400 kHz下沿PZT-2–PZT-3路径产生明显差异，但500 kHz下能量减弱。这些定性观察支持了基于DI的定量分析。
**3.2 损伤指数灵敏度分析**：研究人员计算了每个扰动区域的平均DI（基于所有有效频率和路径的算术平均），并绘制了平均DI灵敏度图。结果显示，区域11产生最高平均DI，区域3、22、2和6也较高，而区域8、7、12、18和14较低。这表明DI响应受扰动相对于传感路径、传感器位置、传播距离和局部异质性的影响。
**3.3 基于频率的平均DI分析**：研究人员计算了每个激发频率的平均DI（基于所有有效扰动区域和路径）。结果表明，400–450 kHz范围产生相对较高的平均DI，其中425 kHz的平均DI最高（0.0276），但该频率的有效传感覆盖率仅为50%（150/300次测量有效）。100–150 kHz范围（如100 kHz和125 kHz）则提供完整的传感覆盖率（100%），同时保持较高DI值。高于550 kHz的频率因衰减增加和可用信号响应差，有效测量显著减少。因此，频率选择应综合考虑DI幅度和有效覆盖率。
**3.4 正向-反向传播路径比较**：研究人员比较了互易路径对（如PZT-1→PZT-2与PZT-2→PZT-1）的平均DI差异，差异范围为0.000035至0.001948，表明在测试配置下互易路径的DI趋势具有定性一致性，但不应视为统计验证的方向鲁棒性。
**讨论与结论**
讨论部分指出，实验结果与夹层复合材料导波传播的复杂性一致，无单一频率可仅凭最大平均DI选择。边界效应、换能器响应、局部异质性和衰减等因素可能共同影响观测结果。研究还指出，受控粘贴补片扰动并非真实内部损伤（如冲击造成的芯层压碎、分层、面层-芯层脱粘等），因此结果应视为比较灵敏度评估，而非真实损伤检测验证。结论部分总结：本研究通过实验评估了主动导波SHM配置在航空航天型夹层复合材料地板面板上的频率、路径和位置依赖的灵敏度。400–450 kHz产生较高DI但覆盖率有限，100–150 kHz提供全覆盖且较高DI，是更平衡的监测频率选择。空间DI分析显示某些区域响应更高，正向-反向路径差异较小。总体而言，该研究提供了受控扰动下的比较评估，但未直接验证真实内部损伤检测。未来工作需包括真实损伤机制、独立无损检测验证、更大数据集和统计性能分析。
