隨著航空航天、深空探測(cè)、核能利用、海洋開(kāi)發(fā)與氫能儲(chǔ)運(yùn)等高端裝備不斷向極端環(huán)境拓展，相應(yīng)服役結(jié)構(gòu)正面臨更加嚴(yán)苛的物理工況。
例如，航天器發(fā)動(dòng)機(jī)艙殼體長(zhǎng)期承受超過(guò)600 ℃的高溫與強(qiáng)輻射，深海作業(yè)裝備在超過(guò)100 MPa的靜水壓力下運(yùn)行，而氫能儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)中的低溫儲(chǔ)罐則須應(yīng)對(duì)-253 ℃以下的深冷脆化風(fēng)險(xiǎn)。
這些極端服役條件極易誘發(fā)并加速材料的微觀缺陷、裂紋萌生和腐蝕損傷等結(jié)構(gòu)退化過(guò)程，材料的潛在失效不僅威脅系統(tǒng)安全，同時(shí)顯著增加了運(yùn)維成本，以及服役壽命管理的復(fù)雜性與不確定性。
無(wú)損檢測(cè)與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)為上述高風(fēng)險(xiǎn)裝備提供了一種在役、連續(xù)、主動(dòng)的狀態(tài)感知手段，在多領(lǐng)域應(yīng)用中逐步展現(xiàn)出重要價(jià)值。
然而，面對(duì)極端溫度、壓力、輻照與腐蝕等耦合工況，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在傳感器環(huán)境適應(yīng)性、信號(hào)穩(wěn)定采集與邊界條件可變性等方面仍存在瓶頸，尤其是在早期損傷識(shí)別、長(zhǎng)期可靠性與系統(tǒng)集成智能化等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，仍面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
超聲導(dǎo)波具有遠(yuǎn)距離傳播、多模態(tài)、對(duì)損傷較為敏感等優(yōu)勢(shì)，在關(guān)鍵構(gòu)件結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用。與點(diǎn)式檢測(cè)技術(shù)相比，導(dǎo)波能夠以較少的傳感器覆蓋更大的監(jiān)測(cè)區(qū)域，并可通過(guò)模態(tài)控制與頻率選擇實(shí)現(xiàn)對(duì)特定損傷的增強(qiáng)識(shí)別。
然而，極端環(huán)境會(huì)改變材料的彈性模量、密度與聲阻抗，引起導(dǎo)波頻散關(guān)系變化、波速偏移與模式轉(zhuǎn)換，進(jìn)而導(dǎo)致信號(hào)失真與衰減情況加劇。同時(shí)，熱膨脹、腐蝕產(chǎn)物沉積和輻照致缺陷等因素也會(huì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)部引入局部非均勻性與非線性，這使得傳統(tǒng)監(jiān)檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性顯著下降。
近年來(lái)，相關(guān)研究領(lǐng)域已逐步發(fā)展出適用于高溫、深冷和高壓等工況下的導(dǎo)波建模方法。此外，新型傳感器的不斷開(kāi)發(fā)與優(yōu)化，對(duì)于傳感器本體熱失效、輸出漂移與信噪比下降等問(wèn)題，也起到顯著改善作用。
天津大學(xué)聯(lián)合重慶大學(xué)的科研人員圍繞極端環(huán)境對(duì)導(dǎo)波傳播機(jī)制的影響、聲學(xué)傳感器發(fā)展以及極端環(huán)境聲信號(hào)處理技術(shù)演進(jìn)這3個(gè)方面，系統(tǒng)梳理當(dāng)前研究現(xiàn)狀與主要技術(shù)瓶頸，旨在為極端服役條件下超聲導(dǎo)波結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的高魯棒性研究提供參考。
極端環(huán)境多場(chǎng)耦合導(dǎo)波傳播機(jī)制
極端環(huán)境會(huì)顯著改變結(jié)構(gòu)中導(dǎo)波的傳播行為，包括頻散關(guān)系、傳播速度、模態(tài)分布與能量衰減等方面的演化特性，甚至可能激發(fā)模態(tài)轉(zhuǎn)換與非線性響應(yīng)。這些變化源于材料本構(gòu)參數(shù)在溫度、應(yīng)力、腐蝕或輻照等因素影響下的動(dòng)態(tài)演化，以及結(jié)構(gòu)與外部介質(zhì)之間聲場(chǎng)的耦合增強(qiáng)。
例如，在深冷環(huán)境中材料剛度的提升加快了導(dǎo)波傳播速度，而在輻射環(huán)境中微觀缺陷的累積降低了材料宏觀剛度，導(dǎo)致聲速下降和頻譜展寬。面對(duì)極端環(huán)境中多物理場(chǎng)共同作用引起的導(dǎo)波響應(yīng)演化，構(gòu)建統(tǒng)一的多場(chǎng)耦合控制框架成為研究焦點(diǎn)。
基于當(dāng)前研究，可將熱-力-彈-電-損傷等作用納入統(tǒng)一偏微分控制體系，其基本形式為：
其中：
為加速度；∇·[C(x,T,σ,D):∇u]為彈性力項(xiàng)；C(x,T,σ,D)為四階彈性張量，隨溫度T、應(yīng)力σ和損傷程度D 變化而變化；fth(∇T)為熱應(yīng)力源項(xiàng)；fsrc為外力源項(xiàng)；c(x)為比熱容；
為溫升速率；r(x,t)為內(nèi)部熱源項(xiàng)；eT:∇u為壓電耦合項(xiàng)；κ為介電常數(shù)張量；κ·Q為電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生極化的標(biāo)準(zhǔn)部分。
公式（1~3）考慮了材料在高溫、高壓、腐蝕、輻照等環(huán)境中的本構(gòu)演化（C、ρ、c等隨T、σ、D動(dòng)態(tài)變化），引入熱-彈-聲-電多物理場(chǎng)之間的耦合作用（如熱源項(xiàng)r、熱應(yīng)力源項(xiàng)fth、壓電耦合項(xiàng)e·Q），并涵蓋了換能激勵(lì)、信號(hào)激發(fā)與結(jié)構(gòu)響應(yīng)過(guò)程中的多維驅(qū)動(dòng)機(jī)制。公式（1~3）可作為多物理場(chǎng)導(dǎo)波建模的通用形式，為后文定量建模、控制方程嵌入式學(xué)習(xí)與結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)識(shí)別方法提供理論基礎(chǔ)。
1熱-聲耦合下導(dǎo)波傳播特性
高溫環(huán)境中，材料的熱振動(dòng)增強(qiáng)表現(xiàn)為彈性模量下降、阻尼參數(shù)增大與密度輕微變化，易造成導(dǎo)波傳播速度降低、頻散曲線下移以及能量快速衰減。對(duì)于Lamb波而言，熱致彈性調(diào)制效應(yīng)尤其顯著，在高溫場(chǎng)中對(duì)稱(chēng)模態(tài)與反對(duì)稱(chēng)模態(tài)響應(yīng)差異明顯。
例如，Dodson等在熱-彈-聲耦合建模中指出，A0模態(tài)對(duì)溫度變化更敏感，而S0模態(tài)具有更高的溫度魯棒性。溫度變化會(huì)引發(fā)附加應(yīng)力，進(jìn)而調(diào)制導(dǎo)波傳播路徑與速度分布。該現(xiàn)象可由Green-Naghdi熱彈性理論描述，其控制方程為：
其中：σij為應(yīng)力；εkl為應(yīng)變；Cijkl為彈性剛度；β為熱應(yīng)力系數(shù)；ΔT為溫升量。
式（4~5）揭示了溫度可通過(guò)附加熱應(yīng)力影響波動(dòng)傳播機(jī)制，是建立熱-彈-聲耦合模型的理論基礎(chǔ)。此外，高溫條件下聲彈性效應(yīng)使導(dǎo)波速度隨熱應(yīng)力變化而呈現(xiàn)明顯變化，速度變化量與熱應(yīng)力呈線性關(guān)系，該模型常作為導(dǎo)波頻散修正與結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)的理論基礎(chǔ)，即：
其中：v0為無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下的聲速；σT為熱應(yīng)力；Kσ為聲彈性系數(shù)。
實(shí)驗(yàn)研究方面，Roy等提出了一種基于群速度漂移與相速度補(bǔ)償?shù)臏囟刃拚惴ǎ行嵘烁邷丨h(huán)境下結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的穩(wěn)定性。
Zhang等在航空高溫服役結(jié)構(gòu)中采用變分模態(tài)分解與模糊熵聯(lián)合算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高溫誘導(dǎo)信號(hào)失真的魯棒識(shí)別，進(jìn)一步提升了特征提取與模態(tài)選擇精度。結(jié)果表明，高溫環(huán)境下的導(dǎo)波信號(hào)幅值顯著衰減，且能量分布隨溫度升高而下降。圖1為溫度對(duì)導(dǎo)波信號(hào)時(shí)域波形與能量的影響，展示了典型激勵(lì)路徑下，30～200 ℃范圍內(nèi)導(dǎo)波時(shí)域響應(yīng)的幅值變化和不同缺陷狀態(tài)下的信號(hào)能量分布，圖1(b)的縱坐標(biāo)信號(hào)能量為測(cè)試信號(hào)幅值與基準(zhǔn)信號(hào)幅值之比。分析表明，高溫背景削弱了缺陷對(duì)信號(hào)的擾動(dòng)程度，尤其在存在盲孔與通孔等典型缺陷時(shí)，信號(hào)能量的辨識(shí)度下降趨勢(shì)更為顯著。
圖1 溫度對(duì)導(dǎo)波信號(hào)時(shí)域波形與能量的影響
Lamb波頻散特性中存在對(duì)溫度變化不敏感的頻率區(qū)域，稱(chēng)為零溫度系數(shù)頻點(diǎn)（ZTCF），可用于提升高溫環(huán)境下檢測(cè)信號(hào)的穩(wěn)定性。研究表明，溫度對(duì)S1等高階模態(tài)的頻散關(guān)系具有顯著影響，尤其在高溫下表現(xiàn)出頻率漂移趨勢(shì)。高溫環(huán)境下導(dǎo)波的非線性響應(yīng)亦不容忽視。
Niu等研究表明，在材料熱疲勞初期，高階諧波會(huì)顯著增強(qiáng)，是早期損傷識(shí)別的重要信號(hào)表征，這源于高溫誘導(dǎo)微裂紋間的非線性接觸和微滑移效應(yīng)。
面對(duì)高溫條件下導(dǎo)波傳播的頻散漂移、模態(tài)耦合增強(qiáng)與能量衰減等特性，可通過(guò)適宜的應(yīng)對(duì)策略進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如構(gòu)建熱-彈-聲耦合模型預(yù)測(cè)頻散變化、提取ZTCF頻段以提升溫度魯棒性，以及引入非線性信號(hào)指標(biāo)增強(qiáng)微損傷識(shí)別能力。
未來(lái)還需進(jìn)一步探索高溫非穩(wěn)態(tài)環(huán)境下多模態(tài)導(dǎo)波響應(yīng)規(guī)律，為高溫服役結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)提供理論支撐與工程依據(jù)。
2應(yīng)力耦合作用下導(dǎo)波調(diào)制與能量泄漏
在深海和高壓工況中，結(jié)構(gòu)通常處于強(qiáng)初始應(yīng)力狀態(tài)，外部液體介質(zhì)與固體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)耦合作用顯著改變了導(dǎo)波的傳播行為，表現(xiàn)為頻散特性偏移、能量輻射衰減增強(qiáng)和模態(tài)結(jié)構(gòu)變化等。深入理解導(dǎo)波傳播特性中聲彈性效應(yīng)與固-液耦合機(jī)制，是拓展其在深海結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的基礎(chǔ)。
高靜水壓作用下的預(yù)應(yīng)力狀態(tài)將改變材料內(nèi)的彈性響應(yīng)，進(jìn)而影響導(dǎo)波速度與頻散曲線走向。該現(xiàn)象可由一階聲彈性理論近似描述為：
其中：μ為剪切模量。
式（7）表明導(dǎo)波相速度隨著拉應(yīng)力或壓應(yīng)力的增加而上升或下降，不同導(dǎo)波模態(tài)對(duì)應(yīng)力變化的響應(yīng)程度不盡相同。這種應(yīng)力敏感性可用于實(shí)現(xiàn)應(yīng)力監(jiān)測(cè)，但也會(huì)對(duì)缺陷識(shí)別構(gòu)成干擾。
深海環(huán)境下的液體介質(zhì)負(fù)載作用會(huì)引發(fā)導(dǎo)波的能量泄漏，形成“泄漏Lamb波”。當(dāng)導(dǎo)波的相速度大于液體中縱波聲速時(shí)，結(jié)構(gòu)中傳播的導(dǎo)波會(huì)以體波形式將能量向外輻射，導(dǎo)致附加衰減。此時(shí)導(dǎo)波的傳播常數(shù)呈現(xiàn)復(fù)數(shù)形式，衰減系數(shù)與頻率、材料密度、液體介質(zhì)特性密切相關(guān)。
Mazzotti等提出了半解析有限元-2.5D邊界元方法，有效模擬了黏彈性介質(zhì)中的鋼方棒結(jié)構(gòu)中體現(xiàn)出的頻散模式偏移與能量耗散機(jī)制，為深海水-固耦合系統(tǒng)中導(dǎo)波建模提供了高效解法。
地質(zhì)工程中常見(jiàn)的巖土復(fù)合結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出顯著的各向異性與非均質(zhì)性，造成導(dǎo)波傳播路徑發(fā)生偏折，頻散關(guān)系出現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)特征，甚至模態(tài)分裂。
在此背景下，Liu等提出基于完全彈性張量耦合的各向異性導(dǎo)波建模方法，結(jié)合應(yīng)力場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的本構(gòu)張量修正與邊界條件補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜材料導(dǎo)波行為的精細(xì)刻畫(huà)?；贚egendre正交多項(xiàng)式展開(kāi)構(gòu)建的黏彈性模型，有效捕捉了層合材料中方向依賴(lài)的群速度變化，拓展了對(duì)非各向同性波導(dǎo)中導(dǎo)波機(jī)制的理解。
為提升高壓與深海環(huán)境下的導(dǎo)波監(jiān)檢測(cè)能力，研究者探索了激發(fā)窄帶、低頻模態(tài)以減小泄漏影響，輔以高靈敏度陣列提升信號(hào)捕獲效率。同時(shí)結(jié)合頻散導(dǎo)向機(jī)制與模態(tài)選擇策略，在優(yōu)化信噪比的基礎(chǔ)上提升了成像分辨率。
Mazzotti等指出，液體負(fù)載使部分模態(tài)消失或能量泄散，圖2為黏彈性介質(zhì)中鋼結(jié)構(gòu)嵌入模型的導(dǎo)波頻散特性與能量衰減。高頻泄漏模態(tài)的能量損耗顯著增強(qiáng)，須在建模階段提前識(shí)別有效模態(tài)窗口，以避免模態(tài)混疊造成識(shí)別失敗。
圖2 黏彈性介質(zhì)中鋼結(jié)構(gòu)嵌入模型的導(dǎo)波頻散特性與能量衰減
在深海與高壓環(huán)境下，通過(guò)聲彈性調(diào)制與流體負(fù)載效應(yīng)改變了導(dǎo)波的速度、衰減與模態(tài)結(jié)構(gòu)特性。構(gòu)建考慮預(yù)應(yīng)力-彈性-泄漏-各向異性多場(chǎng)耦合的傳播模型，配合陣列優(yōu)化與模態(tài)選擇技術(shù)，是提升深海導(dǎo)波監(jiān)檢測(cè)魯棒性的關(guān)鍵路徑。
3多場(chǎng)耦合條件下導(dǎo)波建模
極端環(huán)境對(duì)導(dǎo)波傳播機(jī)理具有重要影響，研究人員不斷發(fā)展建模理論，以提高傳播預(yù)測(cè)精度與建模對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景的適應(yīng)性。當(dāng)前主流導(dǎo)波建模方法包括有限元法、譜元法與半解析有限元法，在高溫、預(yù)應(yīng)力、深海負(fù)載與各向異性場(chǎng)景中已有廣泛應(yīng)用。
圖3為復(fù)雜結(jié)構(gòu)中聲學(xué)導(dǎo)波傳播的有限元建?？蚣苁疽鈭D，在半解析有限元-2.5D邊界元方法建模中，通過(guò)構(gòu)建精細(xì)網(wǎng)格、邊界吸收層、導(dǎo)波激勵(lì)與接收單元等模塊，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中導(dǎo)波模態(tài)的多尺度仿真。
圖3 復(fù)雜結(jié)構(gòu)中聲學(xué)導(dǎo)波傳播的有限元建?？蚣苁疽鈭D
在復(fù)雜高溫、腐蝕或輻射等極端環(huán)境等工況中，導(dǎo)波傳播不可避免地受到多物理場(chǎng)協(xié)同作用的影響，須引入顯式耦合模型進(jìn)行模擬。以熱-彈-聲耦合條件為例，須同時(shí)求解熱傳導(dǎo)方程與彈性波動(dòng)方程并考慮其相互作用。例如，在Green-Naghdi Ⅲ型模型中，熱傳導(dǎo)方程為：
其中：ρ為密度；c為比熱容；k3、k4為熱傳導(dǎo)參數(shù)；r為熱源項(xiàng)。
式（8）體現(xiàn)了熱波在高溫非傅里葉導(dǎo)熱場(chǎng)下的有限傳播特性，該模型可與彈性波動(dòng)方程聯(lián)立，建立完整的熱-彈-聲多物理場(chǎng)導(dǎo)波傳播模型。
針對(duì)高溫、腐蝕或輻照環(huán)境下材料退化的演化行為，還需引入應(yīng)力-腐蝕耦合模型以刻畫(huà)材料彈性參數(shù)的時(shí)間演化。例如，總損傷可由物理-化學(xué)耦合項(xiàng)表示，即：
其中：Dcor和Dm分別為腐蝕與機(jī)械加載引起的損傷度。
若腐蝕為反應(yīng)-擴(kuò)散主導(dǎo)，可采用擴(kuò)散方程進(jìn)行建模，即
其中：M為腐蝕物濃度；b為失重率；A、Pa、Fb、Rg、T為反應(yīng)相關(guān)參數(shù)，用以反映腐蝕誘導(dǎo)的彈性模量退化過(guò)程。
為克服上述非穩(wěn)態(tài)條件下建模的復(fù)雜性，研究者引入了基于控制方程約束的物理輔助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將式（11~12）嵌入損失函數(shù)中，與少量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)聯(lián)合反演材料參數(shù)與損傷狀態(tài)，顯著提升了在標(biāo)簽不全、邊界不明等場(chǎng)景下的反演魯棒性。
在導(dǎo)波傳播過(guò)程預(yù)測(cè)中，替代模型可實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)空波場(chǎng)的快速建模，在深?；蜻h(yuǎn)程應(yīng)用中展現(xiàn)出較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性與適應(yīng)性。
極端環(huán)境聲學(xué)傳感技術(shù)發(fā)展
高溫、高壓、強(qiáng)輻射、強(qiáng)腐蝕、深海和深空等極端環(huán)境對(duì)傳統(tǒng)聲學(xué)感知單元提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。聲波作為一種重要的信息載體，在嚴(yán)峻環(huán)境中進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、過(guò)程控制和結(jié)構(gòu)健康診斷等方面具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，隨著材料科學(xué)、微機(jī)電系統(tǒng)、光纖傳感以及信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，面向極端環(huán)境的聲學(xué)感知技術(shù)取得了顯著進(jìn)展。
1高溫壓電材料與換能器研究進(jìn)展
傳統(tǒng)鋯鈦酸鉛材料（PbZrxTi1-xO3，簡(jiǎn)稱(chēng)PZT）的居里溫度通常小于350 ℃，限制了其在高溫下的應(yīng)用。因此，研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了具有更高居里溫度和良好壓電性能的材料。
鈮酸鋰（LiNbO3，居里溫度約為1210 ℃）是目前應(yīng)用最為廣泛的高溫壓電單晶之一，特別是Y-cut或特定旋轉(zhuǎn)Y-cut晶體在高溫下仍能保持較好的壓電性，已應(yīng)用在高達(dá)1000 ℃的環(huán)境中。
鎵酸鑭系同構(gòu)物如鑭鎵硅氧烷（La3Ga5SiO14，簡(jiǎn)稱(chēng)LGS，居里溫度大于1400 ℃）及其類(lèi)似物（鑭鎵鉭酸鹽，鑭鎵鈮酸鹽）也因無(wú)相變、低聲損耗和強(qiáng)高溫穩(wěn)定性而備受關(guān)注，但此類(lèi)材料壓電系數(shù)較低。
Aubert等研究表明，LGS晶體在高溫下具備優(yōu)良的壓電性能，使其成為嚴(yán)苛環(huán)境中聲波傳感器的理想材料，直到其熔點(diǎn)1470 ℃仍不會(huì)發(fā)生相變。
MSE Supplies公司研制的LGS作為一種有前景的壓電材料，其電機(jī)械耦合系數(shù)值介于石英晶體和鉭酸鋰晶體之間，主要應(yīng)用于表面聲波、體聲波設(shè)備和各類(lèi)傳感器（如壓力傳感器、加速度傳感器等）。
鉍層結(jié)構(gòu)鐵電體（BLSF，如Bi4Ti3O12系）和一些鈣鈦礦結(jié)構(gòu)陶瓷（如(Bi,Na)TiO3基無(wú)鉛陶瓷）均展現(xiàn)出較高的居里溫度（大于600 ℃）和較好的壓電性能。
Wang等發(fā)現(xiàn)鉍鈦鐵酸鹽（Bi5Ti3FeO15，簡(jiǎn)稱(chēng)BTF）作為典型的Aurivillius型BLSF化合物，具備高居里溫度和優(yōu)異的壓電性能，已成為高溫傳感器應(yīng)用研究領(lǐng)域的焦點(diǎn)。
Irie等研究指出，具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鉍層狀化合物在高溫環(huán)境下表現(xiàn)出優(yōu)異的壓電和鐵電性能。例如，CaBi4Ti4O15的居里溫度高達(dá)790 ℃。弛豫鐵電單晶如鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛的高溫相也具有較高的研究?jī)r(jià)值。
在結(jié)構(gòu)與封裝方面，為克服高溫下材料性能退化、電荷泄漏和封裝等難題，常采用特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如利用聲波導(dǎo)將聲信號(hào)傳遞到低溫區(qū)的傳感器，或采用高溫封裝材料（如陶瓷、玻璃焊料）和耐高溫電纜/接頭。
Kim等提出，利用不銹鋼作為基底，并使用高溫膠粘劑將壓電晶體元件粘合到基底上，再使用高溫礦物絕緣電纜和銀膏進(jìn)行電氣連接。高溫下壓電材料可能出現(xiàn)的導(dǎo)電性增加和熱釋電效應(yīng)干擾，也是設(shè)計(jì)中需要考慮的問(wèn)題。
2磁致伸縮傳感器在極端環(huán)境下的應(yīng)用
與傳統(tǒng)壓電傳感器相比，磁致伸縮傳感器具有非接觸式測(cè)量、無(wú)需耦合劑、適用于惡劣工況和復(fù)雜表面檢測(cè)等優(yōu)勢(shì)，在極端環(huán)境結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。
磁致伸縮效應(yīng)的核心在于磁致伸縮材料在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生機(jī)械變形，常見(jiàn)的材料包括鐵鎳合金（如Terfenol-D）、非晶態(tài)磁性材料以及納米晶材料等。近年來(lái)，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，新型磁致伸縮材料不斷涌現(xiàn)。例如，F(xiàn)e-Ga合金由于具有高應(yīng)變靈敏度、良好的機(jī)械性能和較高的居里溫度，逐漸成為高溫磁致伸縮傳感器的理想選擇。磁致伸縮傳感器工作原理如圖4所示。
圖4 磁致伸縮傳感器工作原理圖
磁致伸縮傳感器的主要挑戰(zhàn)在于信噪比相對(duì)較低和換能效率不高，尤其在極端環(huán)境下，材料磁性隨溫度或應(yīng)力變化而發(fā)生衰減，傳感器輸出穩(wěn)定性和靈敏度會(huì)受到影響。針對(duì)這些問(wèn)題，研究人員提出了多種改進(jìn)策略，包括采用高性能磁致伸縮材料、優(yōu)化線圈和磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)以及開(kāi)發(fā)信號(hào)增強(qiáng)算法等。
Luo等設(shè)計(jì)了一種新型Fe-Ga基磁致伸縮傳感器，通過(guò)優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)和磁場(chǎng)分布，有效提高了材料在高溫環(huán)境下的信號(hào)靈敏度和穩(wěn)定性，在300 ℃下仍能穩(wěn)定檢測(cè)導(dǎo)波信號(hào)。
此外，磁致伸縮傳感器還面臨由材料非線性磁彈耦合特性帶來(lái)的建模困難，尤其是在高溫或高應(yīng)力環(huán)境下，磁致伸縮材料的彈性和磁性特性之間存在復(fù)雜的非線性耦合效應(yīng)，需要建立精確的磁-機(jī)耦合模型，以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)傳感器響應(yīng)。
為此，Wang等提出了一種基于非線性磁彈耦合的多物理場(chǎng)有限元仿真模型，較好地預(yù)測(cè)了復(fù)雜工況下磁致伸縮材料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，為傳感器設(shè)計(jì)和信號(hào)解調(diào)提供了理論支撐。
Vinogradov等提出了一種基于高磁致伸縮系數(shù)Fe-Co合金條帶的導(dǎo)波激勵(lì)方法，在800 ℃的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的導(dǎo)波激勵(lì)。
3光纖聲學(xué)傳感原理與極端環(huán)境下應(yīng)用挑戰(zhàn)
光纖本身由石英等耐高溫、耐腐蝕材料構(gòu)成，具有抗電磁干擾、本質(zhì)安全、體積小、易于復(fù)用和分布式測(cè)量等優(yōu)勢(shì)。Zhu等采用藍(lán)寶石光纖等特種光纖制作了法布里-珀羅干涉儀（FPI）傳感器，可在高于1000 ℃的環(huán)境下工作。
Zhang等研制了基于SiO2/Au/Cr薄膜調(diào)制的光纖FPI傳感器，在高溫高壓環(huán)境下表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，基于光纖錐形尖端的FPI結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。邁克爾遜干涉儀和馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x型傳感器也常用于高靈敏度聲學(xué)探測(cè)。
圖5 基于光纖錐形尖端的FPI結(jié)構(gòu)圖
Guan等研究表明，普通光纖布拉格光柵（FBG）耐溫有限（小于300 ℃），但采用飛秒激光刻寫(xiě)的再生FBG或特殊涂層保護(hù)的FBG，以及藍(lán)寶石光纖FBG，可顯著提高耐溫性（可達(dá)1000 ℃以上）和耐壓性。
Laffont等開(kāi)發(fā)的聚偏氟乙烯/TiO2/石墨烯FBG傳感器，表現(xiàn)出良好的高溫應(yīng)用性能。Wang等研制的高空間分辨率FBG傳感器陣列能夠同時(shí)測(cè)量海洋溫度和深度。
目前，光纖聲學(xué)傳感器在極端環(huán)境下的應(yīng)用主要存在以下挑戰(zhàn)：光纖傳感器的靈敏度可能低于壓電傳感器；解調(diào)系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜且成本較高；特種耐高溫/耐壓光纖（如藍(lán)寶石光纖）價(jià)格昂貴且連接困難；在強(qiáng)振動(dòng)環(huán)境下可能出現(xiàn)信號(hào)衰減或交叉敏感問(wèn)題。
極端環(huán)境下導(dǎo)波信號(hào)處理方法
極端環(huán)境下的聲學(xué)信號(hào)往往伴隨著強(qiáng)烈的背景噪聲和干擾，且信號(hào)傳播可能因惡劣環(huán)境而發(fā)生畸變。因此，先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)至關(guān)重要。
1最優(yōu)基線法和基線信號(hào)拉伸法
為消除環(huán)境對(duì)基線信號(hào)的影響，研究者提出了最優(yōu)基線法（OBS）和基線信號(hào)拉伸法（BSS）。
Konstantinidis等提出了最優(yōu)基線減法，以提高基于導(dǎo)波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)在溫度波動(dòng)下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，并降低多條基線對(duì)損傷檢測(cè)的掩蓋效應(yīng)。通過(guò)建立不同溫度下的參考信號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)，與當(dāng)前溫度最接近的參考信號(hào)進(jìn)行比較，采用信號(hào)包絡(luò)而非原始射頻信號(hào)進(jìn)行基線減法，提高了對(duì)溫度變化的魯棒性。然而，這種方法需要建立龐大的參考數(shù)據(jù)庫(kù)，且存在誤減真實(shí)損傷信號(hào)的風(fēng)險(xiǎn)。
Croxford和Lu等提出通過(guò)BSS方法對(duì)信號(hào)時(shí)間軸進(jìn)行反向拉伸補(bǔ)償，可部分糾正溫度引起的失配。然而，該方法未能完全補(bǔ)償溫度變化對(duì)各個(gè)波包的影響。
Clarke等將OBS與BSS相結(jié)合，并應(yīng)用于稀疏陣列導(dǎo)波監(jiān)檢測(cè)系統(tǒng)，在溫差較大的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了信號(hào)補(bǔ)償，進(jìn)而有效檢測(cè)和定位結(jié)構(gòu)中的小型損傷。后續(xù)研究?jī)?yōu)化了導(dǎo)波模態(tài)選擇、傳感器布置，并在溫度補(bǔ)償算法方面進(jìn)一步增加了相鄰基線之間的溫度步長(zhǎng)，使得基線采集期間對(duì)溫度波動(dòng)具有更大的容忍度。
Harley等提出了一種利用尺度不變相關(guān)系數(shù)的尺度變換方法，通過(guò)有效估算拉伸系數(shù)、增強(qiáng)建模誤差的穩(wěn)健性以及與局部峰值相干性，實(shí)現(xiàn)了更優(yōu)的超聲波溫度補(bǔ)償。與最佳信號(hào)拉伸等傳統(tǒng)方法相比，該方法具有更快的計(jì)算速度。
Roy等提出了一種基于物理建模的溫度補(bǔ)償方法，通過(guò)分析溫度對(duì)材料屬性和導(dǎo)波傳播的影響，建立了傳感器信號(hào)變化與材料屬性變化之間的線性函數(shù)關(guān)系。該模型利用匹配追蹤算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析和重構(gòu)，能夠在不同溫度條件下準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和補(bǔ)償導(dǎo)波信號(hào)的變化。
Wang等提出了一種基于參考匹配的方法，利用在不同溫度下采集的參考信號(hào)，建立溫度與信號(hào)特征之間的關(guān)系，從而對(duì)未知溫度下的信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償。
Mariani等提出了一種新的溫度補(bǔ)償方法，可根據(jù)溫度變化對(duì)導(dǎo)波傳播速度以及對(duì)換能器激發(fā)信號(hào)相位的影響來(lái)調(diào)整信號(hào)的時(shí)間軸，以對(duì)齊當(dāng)前信號(hào)和參考信號(hào)。在不同的噪聲水平、特征反射和缺陷尺寸條件下，均表現(xiàn)出更好的損傷檢測(cè)性能。
Giannakeas等提出了一種新的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)溫度補(bǔ)償框架，通過(guò)從小尺度試樣中提取補(bǔ)償因子，并利用貝葉斯回歸模型將其推廣至更大尺度的結(jié)構(gòu)。圖6為溫差校正的沖擊定位成像結(jié)果，每次沖擊溫差為10 ℃，沖擊順序自上而下。該框架減少了所需的基準(zhǔn)信號(hào)數(shù)量，提高了系統(tǒng)的實(shí)用性和準(zhǔn)確性，增強(qiáng)了大型復(fù)合結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)和定位。Kumar等討論了使用帶有三角形全局約束的動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整算法（Tri-DTW）進(jìn)行溫度補(bǔ)償，與傳統(tǒng)的Sakoe-Chiba約束動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整相比，Tri-DTW在保持對(duì)齊精度的同時(shí)，將計(jì)算復(fù)雜度降低了4倍，顯著提高了算法的效率。
圖6 溫差校正的沖擊定位成像結(jié)果
Vospernig等詳細(xì)分析了結(jié)構(gòu)在受拉或受壓狀態(tài)下導(dǎo)波信號(hào)的相位、幅度和傳播速度的偏移，并提出了一種基于色散補(bǔ)償算法的方法，在空間域內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行校正，以減小因應(yīng)力狀態(tài)變化引起的時(shí)間延遲和幅值偏差。該研究驗(yàn)證了在多模態(tài)傳播背景下，通過(guò)提取某一主模（例如彎曲A0模）并補(bǔ)償其色散，可更準(zhǔn)確地重建原始無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下的信號(hào)，并提高故障特征檢測(cè)的準(zhǔn)確性。
Mohabuth等提出了一種基于參考信號(hào)匹配的補(bǔ)償方法，通過(guò)在不同應(yīng)力載荷條件下建立參考信號(hào)庫(kù)，實(shí)時(shí)匹配當(dāng)前信號(hào)，補(bǔ)償載荷引起的變化，提高了損傷檢測(cè)的準(zhǔn)確性。
Wang等提出了改進(jìn)的基于匹配追蹤的載荷和溫度補(bǔ)償方法，引入復(fù)合環(huán)境指數(shù)，用于描述溫度和載荷的耦合條件，以反映環(huán)境變化對(duì)導(dǎo)波信號(hào)的影響。同時(shí)，采用Gabor函數(shù)作為原子函數(shù)，對(duì)導(dǎo)波信號(hào)進(jìn)行迭代分解和重構(gòu)，通過(guò)多次迭代補(bǔ)償殘差信號(hào)，提高了補(bǔ)償精度。
Ouyang等構(gòu)建了自適應(yīng)高斯混合模型，描述導(dǎo)波信號(hào)特征（信號(hào)幅度、相位等）在不同加載條件下的概率分布。采用優(yōu)化的概率遷移距離度量方法，將當(dāng)前信號(hào)特征與參考特征進(jìn)行匹配，建立概率差異指數(shù)與裂紋長(zhǎng)度之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了裂紋的定量評(píng)估。
2數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)特征提取
為解決可變環(huán)境條件下?lián)p傷檢測(cè)的復(fù)雜性，學(xué)者們引入了各種監(jiān)督學(xué)習(xí)方法。Wang等通過(guò)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）訓(xùn)練并建立檢測(cè)信號(hào)與速度圖之間的關(guān)系，用于在線腐蝕成像。Tong等提出了一種帶監(jiān)督的深度學(xué)習(xí)反演，將其應(yīng)用于導(dǎo)波層析成像中的腐蝕映射。Wang等提出了一種基于特征補(bǔ)償和深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)重建的逐步反演方法，結(jié)合高階螺旋導(dǎo)波擴(kuò)展成像視野，實(shí)現(xiàn)了管道缺陷的高分辨率成像。然而，在復(fù)雜或現(xiàn)實(shí)中的結(jié)構(gòu)獲取此類(lèi)數(shù)據(jù)集，往往需要付出巨大成本，這也限制了監(jiān)督學(xué)習(xí)方法的實(shí)際應(yīng)用。
無(wú)監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)方法是克服這一挑戰(zhàn)的有效替代方案。Sawant等利用CNN自動(dòng)提取導(dǎo)波信號(hào)中的特征，并通過(guò)高斯混合模型（GMM）對(duì)這些特征進(jìn)行建模，再利用Kullback-Leibler散度計(jì)算信號(hào)差異，實(shí)現(xiàn)損傷的分類(lèi)與定位補(bǔ)償。在CNN有效性的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了一種提供溫度補(bǔ)償?shù)膿p傷識(shí)別和定位的方法，該方法使用遷移學(xué)習(xí)技術(shù)來(lái)減少可訓(xùn)練參數(shù)的數(shù)量，圖7為結(jié)合CNN和GMM的溫度補(bǔ)償損傷定位方法。
圖7 結(jié)合CNN和GMM的溫度補(bǔ)償損傷定位方法
Fan等提出了結(jié)合卷積自編碼器（CAE）和前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（FFNN）的多功能框架。CAE用于從原始導(dǎo)波信號(hào)中提取低維的潛在空間表示，并實(shí)現(xiàn)信號(hào)的重構(gòu)。通過(guò)FFNN建立潛在空間與結(jié)構(gòu)狀態(tài)（如損傷程度和載荷條件）之間的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的估計(jì)和信號(hào)的生成。在缺失部分?jǐn)?shù)據(jù)的情況下，該模型仍能保持較高的性能，顯示出良好的泛化能力。
Yang等提出了一種結(jié)合長(zhǎng)期和短期主成分分析（PCA）的重構(gòu)方法，稱(chēng)為長(zhǎng)短期PCA重構(gòu)。該方法利用長(zhǎng)期PCA模型捕捉結(jié)構(gòu)在正常環(huán)境條件下的導(dǎo)波信號(hào)特征，短期PCA模型則用于識(shí)別近期環(huán)境變化對(duì)導(dǎo)波信號(hào)的影響。通過(guò)比較長(zhǎng)期和短期PCA模型的重構(gòu)誤差，可有效區(qū)分由環(huán)境變化引起的信號(hào)變化和由結(jié)構(gòu)損傷引起的異常信號(hào)。隨后，Yang等提出了一種噪聲增強(qiáng)策略，通過(guò)在訓(xùn)練數(shù)據(jù)中引入適度的噪聲，增強(qiáng)自編碼器模型對(duì)環(huán)境變化的魯棒性，降低了誤報(bào)率。
總結(jié)與展望
極端環(huán)境下結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展正面臨傳播機(jī)理高度復(fù)雜、建模泛化能力受限以及傳感系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性不足等多重挑戰(zhàn)。
后續(xù)研究中，極端環(huán)境結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)亟需實(shí)現(xiàn)從“功能適應(yīng)”向“環(huán)境協(xié)同”的躍升。
在建模層面，應(yīng)進(jìn)一步發(fā)展統(tǒng)一的熱-力-彈-聲-損傷多場(chǎng)耦合傳播框架，并結(jié)合數(shù)字孿生與參數(shù)辨識(shí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)模型在線修正與預(yù)測(cè)。
在傳感技術(shù)層面，應(yīng)加強(qiáng)高溫/深冷下的新型材料與集成工藝研究，構(gòu)建具備自適應(yīng)耦合、自修復(fù)與長(zhǎng)周期穩(wěn)定輸出能力的智能傳感單元。
在信號(hào)處理與系統(tǒng)融合層面，推動(dòng)多模態(tài)傳感融合、異構(gòu)數(shù)據(jù)處理與人工智能輔助決策機(jī)制的集成，提升系統(tǒng)的智能感知與實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。
面向未來(lái)航天、核能、深海與氫能系統(tǒng)的服役需求，極端環(huán)境結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)將在材料狀態(tài)演化監(jiān)測(cè)、災(zāi)變預(yù)警與服役壽命管理等領(lǐng)域發(fā)揮出更核心的技術(shù)價(jià)值。
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