Page 109 - 《应用声学》2024年第6期

第 43 卷 第 6 期 徐统等： 基于兰姆波的平板频分复用数据传输系统研究 1285

在使用带宽较窄的压电片通过频分复用方式 f min ，激励频率范围内的最大频率是 f max ，则兰姆
传输兰姆波声数据时，存在以下两个问题：波导结构 波可激发频率的带宽长度为f m 。
影响激励兰姆波信号时长，若接收传感节点同时接 基于兰姆波传输数据的通信网络由多个传感
收到兰姆波直达波和从边界反射的回波波包，不同 节点和下位机组成，各个传感节点接收下位机发布
模态的波包混叠会造成信号串扰，影响传输数据的 的信息指令并执行，将自身采集的信息数据传输给
解调，因此需要对传感网络节点在相应位置下的兰 下位机。图1(b)展示了在正方形钢板上沿钢板中心
姆波激励信号的时长进行分析；兰姆波通过压电片 线等间距且轴对称布置的两个传感节点网络的示
进行激励时，调制信号的子载波频率幅值会发生不 意图，L 是钢板长度，W 是钢板宽度，E 是激励传感
同程度的衰减，因此在解调过程中需要对信号进行 节点，R 为接收传感节点，两个传感节点的距离为
补偿。 D，由于传感节点是轴对称布置，因此两个传感节点
本文从兰姆波频分复用激励信号时长的设计 距离两侧钢板边界的距离为 (L − D)/2，函数发生
角度出发，建立通用化兰姆波频分复用激励信号模 器给传感网络激励端节点传输携带有声数据的激
型，研究平板尺寸等因素对激励信号中子载波频率 励信号，示波器记录并保存接收节点接收到的兰姆
选择、子载波频谱混叠和子载波数量等的影响；针 波信号。
对兰姆波在平板传播过程中存在的频率选择性衰
f min f max
减情况，提出使用传感器扫频曲线进行补偿的方法， 6
并使用幅度阈值和信号能量阈值对传输的数据进
5
行解调，分析平板上兰姆波直达波信号和回波信号 S 0
Ꮖᤴए/(mSs -1 ) 3 A 0
造成的信号串扰对解调数据的影响，为兰姆波传输 4
声数据提供了可行的技术方案。

1 基于兰姆波的频分复用数据传输系统 2 f m
理论
1 A 1
S 1
1.1 兰姆波通信网络
0
兰姆波具有频散和多模态特点，受波导几何尺 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0
寸的影响，超声导波的传播速度随频率的不同而改 ᮠဋ/MHz
(a) РݻฉᏆᤴएᮠஙజጳڏ
变。压电片安装方式的改变，也会激发出不同模态
的兰姆波，常用的兰姆波激励方式为单侧激励。根
据频散曲线，在一定的激励频率下，会激发出两个以 L
上模态的兰姆波。在相同的兰姆波激励条件下，当 ł
传感节点的位置发生变化，兰姆波直达波会出现模
态混叠现象，为研究模态混叠对兰姆波频分复用的
E ŀ R Ł
影响，需建立区分兰姆波 S 0 模态和 A 0 模态的频分 W
复用激励信号模型，分析兰姆波直达波和首个边界
D ↼L֓D↽⊳
反射回波的到达时间差，以便后续对激励信号进行
研究。
通过 Rayleigh-Lamb 波动方程分析兰姆波特
性，可以得到 Lamb 波的相速度和群速度频散曲线。 Ѧ஝ԧၷ٨ ᇨฉ٨
选取Q235钢板为研究对象，厚度为1.8 mm的Q235 (b) ː˔͜ਖᓬགᄊ͜ਖᎪፏᇨਓڏ
钢板的兰姆波频散曲线如图 1(a) 所示。利用兰姆 图 1 平板上两个传感节点的传感网络示意图
波进行数据传输时，激励信号需在一定的激励频率 Fig. 1 Schematic diagram of the sensing network
范围内进行激发，设激励频率范围内的最小频率是 with two sensing nodes on a flat plate