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基于环境振动的高速舰艇被动结构监测

Karim G. Sabra and Steven Huston

摘要：前期研究已经使用环境振动的互相关函数方法（CAV方法）实现仅在被动传感器之间估计脉冲响应（或格林函数），目的在于被动成像的各类工程应用。该方法（CAV）在不使用可控主动源情况下，依靠从被动传感器间接收的经处理的噪声互相关函数中提取特定的相关时间特征。只要环境结构噪声场保持稳定，利用CAV得到的最终相干波形可用于结构监测即使它们不同于实际的脉冲响应。论文给出了CAV方法的实验结果，实验数据使用采集于在高海况下以高速（可达40节）运行的全铝制舰艇的低频随机振动数据（lt;50Hz）。主要的激励来源是大浪的冲击载荷和旋转机械振动。CAV方法结果的一致性通过在对称分布于船舶中心线的一对应变计间的环境振动中提取相似的相干到达波来建立。同时，讨论了在7天周期内，船舶运行工况对相干到达波峰值到达时间稳定性的影响。

1. 概述

能够检测、定位和量化损伤的有效的结构健康监测（SHM）技术是必要的，以确保当前和未来海军系统的正常表现，以及通过及时采取适当的补救措施来减少维护成本。为了保证轻型高速高性能船舶的结构状况，一套SHM系统是至关重要的。由于高性能船舶使用具有新型的布置和制造的复合材料、铝合金或高强度钢以最大化减少轻质船重量，因此其有很多新型的轻质结构特点。同时，当高性能船舰高速运行在海洋环境中时，频繁面临波浪影响和冲击，可能快速积累疲劳损伤。因此，有必要发展稳定的SHM系统以评估这些新型轻量结构中疲劳损伤的出现。

通过板载SHM系统的损伤检测往往依靠受控振动源和嵌入式被动传感器之间的弹性结构导波，从而评价其结构完整性并检测最终损坏趋势。然而，仅仅部署和操作被动传感器（如无线传感器）的分布式网络通常比操作多个主动源要更简单可行，特别是考虑功耗限制时。因此被动SHM系统即操作者仅“听”存在的结构振动时（例如通过容易获得的应变计和加速度计）在海上实际应用具有一定的吸引力。另外，船舶结构通常具有几何复杂性，这会导致散射、多重反射以及船舶结构内传播波的模态转换。因此，由空间分布的随机振源（如对船体的波浪冲击或机械噪声）产生的随机振动的叠加性和复杂反应会快速产生复杂传播波形。换言之，待测结构的几何复杂性增强了弹性能量的随机性，因此有利于船舶结构内散射环境振动的形成。但是环境振动具有明显的随机性且在传统SHM方法中通常被视为不相干部分而不被利用。

然而，通过相同的噪声源（如冲击情况）或散射（如加强筋）接收声音或振动的两个传感器间存在一些相关性。事实上，一旦环境噪声源在传感器之间的传播积累一定时间后便会出现一种相干波形。基于这个概念，最近的理论和实验表明通过一对被动传感器记录的环境噪声的互相关函数（CAV）可以产生传感器对结构间的局部脉冲响应（或格林函数）的估计。实际上，传感器对之间的实际脉冲响应与噪声互相关函数的预估值的确切关系将取决于环境振动场的特性。如果噪声源的时空分布是均匀的，就能确保环境振动场的完全散射（即所测结构不同模态组分间的能量均分性）。这种情情况下，可从中得到的近似估计，这些提取的相干波形与传统的在源和传感器间的“发射——接收”方法下得到的波形是相似的。总之，CAV有望扩展和改进SHM系统的应用，因为它为不需要定位源的被动结构监测提供了一种方法。

然而，对于大多数应用，所关注结构记录的实际环境振动往往不是完全散射的。在这种情况下，不能完全确保环境互相关函数能够产生整个结构的脉冲响应的精确估计。最好情况下，我们可以指望恢复整个结构脉冲响应的一些到达波和模态组分（正如在表面波层析成像应用中这是常见情况）。此时，使用部分所估结构响应仍然能够实现关注结构的被动成像（用于故障定位）。但是，如果一个人的目标是利用CAV方法仅被动监测关注结构（如为了监测损伤发作或温度引发的胀缩），那么仅需的条件是当所测结构不经历任何明显变化时，所测噪声互相关函数波形保持稳定。换句话说，基于噪声的SHM应用的重要因素是噪声互相关函数波形的时间相对稳定性，即使它到达波的结构不同于整个结构的脉冲响应。另外，当利用分布式传感器网格实现时，CAV方法的性能源自所有被动传感器对之间交叉传递路径的高密度，这可以增加监测的灵敏度。

CAV方法已经在超声学、水下声学和地质学中不同的环境和频率范围下进行了实验和理论研究。关于这种被动成像技术的全面综述可以在最近的文献中找到。在SHM应用背景下，这种技术已经被应用于民用结构中低频模态特性的识别，如桥梁和建筑。在更高的超声频段，一种类似方法被用于从由被测结构上随机分布的激励产生的散射区域中提取相干导波。最后，在一个2m长水翼内安装的加速度传感器对之间测试了这种CAV技术，但这是种受湍流激励引起的高雷诺数流体力学测试。本文初步的小规模研究证实了CAV技术在高速高性能船舶被动监测中的应用潜力。

本文的目的是通过报告在高速（高达40节）高海况下运行的全铝制舰艇（HSV-2 Swifit号）的实验结果来评估CAV技术用于SHM的潜力。振动测试是HSV-2在挪威海岸粗略下水试航期间，利用暂时性分布于HSV-2船舶结构内的应变计开展的。在试验期最后没有从进行检查部分得到结构损伤报告。因此，本文对CAV技术性能的研究方法是：超过一周时间内，在HSV-2运行在广泛不同的条件下，测量从噪声互相关函数中估计的结构脉冲响应的稳定性。

文章内容共分为五个部分。第二部分展示了实验设置和测试试验条件。第三部分总结了用于CAV技术的数据处理过程。第四部分证实了一周试验期内CAV技术用于HSV-2的SHM的可行性。同时，讨论了船舶运行条件对来自噪声互相关函数的相干波形出现率的影响。最后，第五部分总结了该研究的发现和结论。

1. 实验设置

HSV-2 Swifit（如图1）是一个从2003年就已被美国海军运行的长98m宽27m的高速全铝制穿浪双体船。这个高性能双体船最大运行速度为45节（85km/h）。在交付给美国海军前，HSV-2配备了不同类型的传感器，布置在船体上，以监测和评估从2004年5月11日到五月17日在挪威海岸海域试验区其振动响应和性能。这些试验的初衷是要为各种海况下船只建立安全工作范围，并证实一个基于振动SHM系统的可行性。为了实现本文的目的，使用从安装于HSV-2龙骨和主前甲板的应变计中记录的环境振动（如图2(a)和2(b)）。五个应变计的输出均是时间同步的，且记录在同样的具有100Hz采样频率的数据采集系统。

图1

在试验期间，船舶在不同速度（从15节到35节）和船头朝向（从0°到270°，与主波方向相关）情况下采集数据。海况变化在3-5有限范围内。朝向和速度是用GPS和陀螺仪系统测试的。更具体而言，船舶朝向每组增量为45°，轨迹组成八边形图案。因此1周时期内，共划分为21组实验，每组实验称作一个“八角形”（如表1）。这些试验最有意义的一面是展示了不同的波向和运行条件（因此对船上旋转机械施加不同的载荷），而用应变计记录持续振动。因此，这些测试试验提供了一个宝贵的机会去评估CAV技术用于运行期间高性能海军船舶的SHM的可行性。

图2

1. 环境振动预处理

文中，通过处理环境振动信号的时域互相关函数来实现CAV技术，振动信号包括在21个八角形路径的每种情况下分别从接收器1和接收器2记录的信号和。

(1)

其中，代表整个记录周期。虽然与每个八角形图案相关的噪声互相关函数在这里就一个单一的时间积分而言定义，但是它是从对应于八角形图案每个边的更短的时间周期平均值的整体平均汇编而建立的。另外，对于这里报告的工作，时移（|t|lt;3 s）通常远小于记录间隔（gt;1 h）而且考虑积极和小鸡时延。

图2(a)展示了32分钟的典型环境振动，由1#应变计记录数据，其布置在船舶背部具有一根发动机舱和燃料机舱之间的龙骨处（如图1）。高幅值波峰通常与船体受到能量冲击有关（基于已报告的视觉观测）。另外，观察频谱图（如图2(b)），发现环境振动集中在低频（flt;12 Hz），可能是由波浪——船体相互作用和海洋荷载产生的。另一方面，从具有多个谱峰可以看出，较弱的更高频率的振动（15 Hz lt;f lt; 40 Hz）可能是产生于旋转机械的振动（可能有附近发动机舱发出）。研究所用所有五个应变计的记录情况都具有相似的特征。总之，发现HSV-2上记录的环境振动趋于高度不稳定性同时具有不均匀的幅值谱（如图2(c)所示）。因此，那些所记录环境振动的大幅值和频谱变化会影响从互相关函数中提取相干到达波。而且，当用于SHM时，CAV技术在环境随机振动保持相对稳定时效果最好。因此，在处理传感器对间的互相关函数之前，所记录的连续振动信号要做如下描述的预处理。对于实际的HSV-2船载SHM系统的一个关键限制是设计足够稳健的预处理方案以实现CAV技术在一周试航期内针对记录的不同振动时间序列得以自动实施（即最小化人类使用者的参与）。

为了实现这一点，连续振动信号首先过滤成两种不同频带（B₁=(1–12 Hz)，B₂=(15–35 Hz)），然后分别进一步处理以评估振动谱内容对CAV结果的影响。接着，最小化应变计时间序列和幅值频谱（如图2(a)和2(b)）上的高振幅冲击（瞬态）情况和频谱峰值的影响，因为它们可能对所选传感器对之间互相关函数的到达时间结构造成负面影响。因此，对连续振动记录信号通过两步进行匀质化：（1）将信号幅值剪切到一个特定值以内，这个值是每个应变计记录的环境振动信号的标准偏差的三倍；（2）美化数据谱以减小最终频谱峰值（例如，由于船体上旋转机械振动引起的局部结构共振或主要谐波）。这两个预处理步骤减少了高幅值噪声事件的影响而且保留了时间序列的总体相位信息（即噪声互相关函数的到达时间结构）。针对具体的数据集，首先使用幅值剪切工作来消除会影响后续工作的非常强烈的瞬态事件（比背景振动水平大几个数量级的）。然而，应该注意当从原始振动记录中消除高幅值瞬态事件时，幅值剪切工作（时域上）和频谱美化工作（频域上）有本质的竞争性影响。一方面，幅值剪切工作将这些能量瞬态事件的水平减少至选定的幅值阈（即振动背景水平）。另一方面，频率美化工作增强了这些瞬态事件的宽带特性也因此能够人为的显著提高它们的水平至选定幅值阈以上。然后，作为预处理的第三步也是最后一步，针对已美化频率的数据使用二次幅值剪切工作（使用的幅值阈值等于预处理时间序列标准偏差的三倍）以更有效的消除具有高幅值的瞬态（冲击）事件。最后，一个详尽的参数研究（通过比较1到10倍振动时间序列标准偏差的情况）显示在幅值剪切工作中选择的幅值阈的具体值对互相关函数波形具有最小的影响。因此，发现这三步预处理过程对测试试验期间掌握极不相同的记录时间序列具有足够的稳健性。作为详细说明，图2(a)和2(b)分别展示了应变计记录信号在预处理前（虚线）和预处理后（实线）的时间序列及幅值谱结果。另外，作为图2(c)的对比，图2(d)展示了预处理后时间序列的均匀频谱。

1. 实验结果：应用于HSV-2船舶的SHM
2. 对称布置传感器对的相干到达波比较

这部分的目的是证实CAV技术实施于HSV-2结构响应监测的可行性。然而，当使用第二部分描述的数据集进行证实时，遇到了两个实际的局限。第一，由于实验条件限制和所测结构的尺寸大小，没有关于HSV-2结构响应的独立测量（如利用振动筛进行传统的主动测试）。第二，由于应变计传感器的有限布置和多组分振动测量的缺少，不能证明所记录的HSV-2船上的实际环境振动场是否接近于完全散射场（即满足模态能量均分）。因此，由于这些实验限制，不能证实噪声互相关函数的到达时间结构和结构脉冲响应之间的对应关系。

但是，基于船舶结构的轴对称性（如图1），预计可以通过比较置于相对船舶纵向轴线对称位置传感器对的情况来恢复相似的噪声互相关函数。在这种情况下，我们可以说通过CAV技术提取的相干到达波可能确实与那些对称传感器对之间船舶结构的振动响应是一致性测量。为了验证这个假设，CAV技术首先实施于两个应变计对之间，1#—2#和3#—4#，其在HSV-2的左舷龙骨及右舷龙骨处（左和右是相对于人朝向船头）。图3(a)和3(c)阐释了这两对对称的传感器对超低频带B₁=(1–12 Hz)和较高频带B₂=(15–35 Hz)情况下噪声互相关函数的相似性。对这个例子，振动数据是当HSV-2正在以平均35节的速度完成相对于主波方向完成180°旋转时采集的。另外，两者噪声互相关函数波形的幅值谱也在图3(b)和(d)中对比展示。可以发现两个波形的幅值谱都不均匀，尽管在第三部分已经进行了过滤后振动数据的初始频率美化。这种频谱不稳定性是因为传播于两传感器对之间的环境振动的相干水平的频率变化，可能由于（1）HSV-2结构的具体模态共振（2）在所记录环境振动的产生机理方面的不均与频谱特征和差异。

通过类比以往研究，HSV-2的模态响应在超低频带B₁=(1–12 Hz)下噪声互相关函数的相干到达时间结构中占主要地位。用于在低频段从噪声互相关函数中提取HSV-2的模态参数的标准数学整体SHM方法如ERA已被完好记录。另外，那些整体HSV-2结构估计的模态参数通常对小局部结构变化灵敏度有限（如初始损坏）。因此本文不重点关注在超低频段下船舶响应的分析。另一方面，从较高频段B₂=(15–35 Hz)提取的相干到达波可能对应于龙骨结构的低阶弯曲振动。事实上，由于其更高频率，这些相干到达波更容易对发生在所选传感器对之间的小局部结构变化更敏感，因此作为本文剩下部分主要关注点。另外，基于互相关延迟的定义（如公式(1)），所观测到的两个噪声互相关波形在B₂频带的时间不对称性表明传播在HSV-2龙骨间的对应相干环境振动主要是从船舶背部发出的

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