مقاله ارزیابی روش‌های تخمین زمان رسیدن امواج ضربه در صفحات ایزوتروپیک با سنسورهای پیزوالکتریک

این پژوهش به شرح و ارزیابی روش‌های مختلف تخمین زمان رسیدن (TOA) امواج ناشی از ضربه در سازه‌های صفحه‌ای همسانگرد می‌پردازد. روش‌های مورد بررسی شامل عبور از آستانه (TC)، تبدیل موجک پیوسته (CWT)، میانگین کوتاه‌مدت/بلندمدت (SLA)، نسبت انرژی اصلاح‌شده (MER) و معیار اطلاعات آکائیکه (AIC) هستند. مزایا، محدودیت‌ها و حساسیت آن‌ها به پارامترهای خاص هر روش به طور سیستماتیک بررسی می‌شود. ارزیابی بر اساس داده‌های مصنوعی حاصل از شبیه‌سازی‌های گذرا با روش اجزای محدود انجام شده است که از نظر مشخصه‌های تحریک و پراکندگی، به صورت تجربی کالیبره شده‌اند. انتشار امواج با استفاده از سنسورهای پچ پیزوالکتریک متصل به سطح صفحه پایش شده و استحکام روش‌ها برای ضربات با موقعیت‌ها و پروفایل‌های نیروی متفاوت، از جمله سیگنال‌های سنسور آلوده به نویز برای در نظر گرفتن شرایط اندازه‌گیری عملی، ارزیابی می‌شود. نتایج نشان می‌دهد که این روش‌ها قادر به تشخیص مُدهای اصلی موج لمب هستند و تقریباً همه آن‌ها، در شرایط بدون نویز، رسیدن هر دو مُد متقارن و نامتقارن را ثبت می‌کنند. به طور خاص، نویز عمدتاً تشخیص زودهنگام رسیدن مُد متقارن را مختل می‌کند، در حالی که تخمین‌های معنی‌دار TOA مُد نامتقارن همچنان با پیش‌پردازش مناسب یا تحلیل زمان-فرکانس قابل دستیابی است. علاوه بر این، مشارکت‌های جدید در روش‌های تخمین TOA مورد ارزیابی شامل عبور از آستانه در حوزه فرکانس در چارچوب CWT است که هم استحکام و هم دقت تخمین TOA را بهبود می‌بخشد، و در نظر گرفتن مینیمم‌های محلی در AIC که برای تشخیص TOA مُد متقارن اصلی مؤثر است. فراتر از این یافته‌ها، این تحقیق راهنمایی‌های عملی و بینش‌هایی در مورد ویژگی‌های خاص هر روش ارزیابی شده ارائه می‌دهد که از تخمین دقیق و قابل اعتماد TOA برای کاربردهایی مانند مکان‌یابی ضربه پشتیبانی می‌کند.

This work describes and assesses different methods for estimating the time-of-arrival (TOA) of impact-induced waves in isotropic plate-like structures. The methods considered include threshold crossing (TC), continuous wavelet transform (CWT), short/long term average (SLA), modified energy ratio (MER), and the Akaike information criterion (AIC). Their advantages, limitations, and sensitivities to method-specific parameters are systematically investigated. The assessment is based on synthetic data from transient finite element simulations that are experimentally calibrated with respect to excitation and dispersion characteristics. Wave propagation is monitored using piezoceramic patch sensors bonded to the plate surface, and robustness is evaluated for impacts of varying positions and force profiles, including noise-contaminated sensor signals in order to account for practically relevant measurement conditions. The results show that the methods are capable of detecting the fundamental Lamb wave modes, with nearly all capturing both the symmetric and anti-symmetric mode arrivals under noise-free conditions. In particular, noise primarily impairs the detection of the earliest symmetric-mode arrivals, while meaningful anti-symmetric-mode TOA-estimates can still be obtained by suitable preprocessing or time-frequency analysis. Besides, new contributions to the assessed TOA-estimation methods include a frequency-domain threshold crossing within the CWT framework that improves both robustness and accuracy of TOA-estimation, and the consideration of local minima in the AIC that proves effective for detecting the TOA of the fundamental symmetric mode. Beyond these findings, the research provides practical guidelines and insights into the specific characteristics of each assessed method, supporting accurate and reliable TOA-estimation for applications such as impact localization.