(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210560458.7 (22)申请日 2022.05.23 (71)申请人 哈尔滨工业大 学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西 大直街92号 (72)发明人 李佳鑫　赵勃　史维佳　谭久彬　 (74)专利代理 机构 哈尔滨市阳光惠远知识产权 代理有限公司 2321 1 专利代理师 陈晶 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 30/27(2020.01) G06F 17/14(2006.01) G06N 7/00(2006.01)G06F 111/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 基于时空域混合分析的梳状压电换能器结 构优化设计方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于时空域混合分析的 梳状压电换能器结构优化设计方法， 属于超声应 力监测技术领域， 以解决现有换能器受限激励信 号的频率范围、 需两个激励性能一致的电磁超声 换能器对称 激发才可实现单一模态激励等， 即无 法实现复杂条件下单一模态超声导波的激励的 技术问题， 包括： 初始化异形电极梳状换能器的 几何参数， 并建立波数分析公式； 利用该公式结 合鲁棒贝叶斯优化算法对几何参数进行优化调 整， 确定六个优化几何参数作为窄通带波长范 围， 并根据窄通带波长范围对换能器进行结构 优 化设计； 根据窄通带波长范围和待测对象的相速 度频散曲线确定最佳时域信号参数； 利用最佳时 域信号参数激励结构优化设计后的换能器实现 最优单一模态Lamb激励。 权利要求书3页 说明书11页 附图7页 CN 115017640 A 2022.09.06 CN 115017640 A 1.一种基于时空域混合分析的梳状压电换能器结构优化设计方法， 其特征在于， 包括 以下步骤： 步骤S1， 初始化异形电极梳状换能器的几何参数， 并建立波数分析公式； 步骤S2， 利用所述波数分析公式结合鲁棒贝叶斯优化算法对所述几何参数进行优化调 整， 确定所述异形电极梳状换能器的六个优化几何参数作为窄通带波长范围， 并根据所述 窄通带波长范围对所述异形电极梳状换能器进行 结构优化设计。 2.根据权利要求1所述的基于时空域混合分析的梳状压电换能器结构优化设计方法， 其特征在于， 所述 步骤S1具体包括： 步骤S11， 初始化所述异形电极梳状换能器的几何参数， 所述几何参数包括： 异型电极 的窄区域宽度、 宽区域宽度、 电极长度、 电极间距、 电极个数和压电换能器厚度； 步骤S12， 通过有限元 方法仿真所述几何参数的平面应力分布关系； 步骤S13， 根据二维傅里叶变换对所述平面应力分布关系进行空间域波数分析， 以建立 所述波数分析公式。 3.根据权利要求1所述的基于时空域混合分析的梳状压电换能器结构优化设计方法， 其特征在于， 所述 步骤S2具体包括： 步骤S21， 通过Box ‑Muller方法在预设范围内对所述几何参数各自生成一组服从高斯 分布的随机变量， 并构建成待优化 解集； 步骤S22， 利用鲁棒贝叶斯优化算法对所述待优化解集进行迭代优化分析， 直至满足预 设优化目标， 得到所述异形电极梳状换能器的六个优化几何参数作为所述窄通带波长范 围； 步骤S23， 根据所述 窄通带波长范围对所述异形电极梳状换能器进行 结构优化设计。 4.根据权利要求3所述的基于时空域混合分析的梳状压电换能器结构优化设计方法， 其特征在于， 所述 步骤S22的具体步骤为： 步骤S221， 计算所述待优化 解集内部所有观测样本的适应度； 步骤S222， 根据预设阈值选择所述所有观测样本的适应度中高适应度的解， 并构建成 POP1解集； 步骤S223， 根据鲁棒贝叶斯网络的依赖条件提取 所述待优化 解集中的不鲁棒 解模式； 步骤S224， 提取所述POP1解集中与所述不鲁棒解模式相匹配的解并剔除， 将其余解构建 成POP2解集； 步骤S225， 利用显示平均方法评价所述POP2解集中所有 解的预期适应度， 并迭代两至三 次， 将重复的解添加至所述POP2解集中， 以构建成POP3解集； 步骤S226， 根据所述POP3解集构建新的贝叶斯网络， 并对所述新的贝叶斯网络进行重新 采样， 以计算 新适应度值； 步骤S227， 判断所述新适应度值解集中的几何参数是否满足所述预设优化目标， 若满 足则得到所述 窄通带波长范围， 反 之则迭代执 行所述步骤S221‑所述步骤S227。 5.一种基于时空域混合分析的梳状压电换能器结构优化设计系统， 其特 征在于， 包括： 初始化模块， 用于初始化异形电极梳状换能器的几何参数， 并建立波数分析公式； 结构优化设计模块， 用于利用所述波数分析公式结合鲁棒贝叶斯优化算法对所述几何 参数进行优化调整， 确定所述异形电极梳状换能器的六个优化几何参数作为窄通带波长范权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115017640 A 2围， 并根据所述 窄通带波长范围对所述异形电极梳状换能器进行 结构优化设计。 6.根据权利要求5所述的基于时空域混合分析的梳状压电换能器结构优化设计系统， 其特征在于， 所述初始化模块具体包括： 初始化单元， 用于初始化所述异形电极梳状换能器的几何参数， 所述几何参数包括： 异 型电极的窄区域宽度、 宽区域宽度、 电极长度、 电极间距、 电极个数和压电换能器厚度； 仿真单元， 用于通过有限元 方法仿真所述几何参数的平面应力分布关系； 分析构建单元， 用于根据二维傅里叶变换对所述平面应力分布关系 进行空间域波数分 析， 以建立所述波数分析公式。 7.根据权利要求5所述的基于时空域混合分析的梳状压电换能器结构优化设计系统， 其特征在于， 所述结构优化设计模块具体包括： 构建解集单元， 用于通过Box ‑Muller方法在 预设范围内对所述几何参数各自生成一组 服从高斯分布的随机变量， 并构建成待优化 解集； 迭代单元， 用于利用鲁棒贝叶斯优化算法对所述待优化解集进行迭代优化分析， 直至 满足预设优化目标， 得到所述异形电极梳状换能器的六个优化几何参数作为所述窄通带波 长范围； 结构优化设计单元， 用于根据 所述窄通带波长范围对所述异形电极梳状换能器进行结 构优化设计。 8.根据权利要求7所述的基于时空域混合分析的梳状压电换能器结构优化设计系统， 其特征在于， 所述迭代单 元的处理过程为： 计算所述待优化 解集内部所有观测样本的适应度； 根据预设阈值选择 所述所有观测样本的适应度中 高适应度的解， 并构建成POP1解集； 根据鲁棒贝叶斯网络的依赖条件提取 所述待优化 解集中的不鲁棒 解模式； 提取所述POP1解集中与所述不鲁棒解模式相匹配的解并剔除， 将其余解构建成POP2解 集； 利用显示平均方法评价所述POP2解集中所有 解的预期适应度， 并迭代两至三次， 将重复 的解添加至所述POP2解集中， 以构建成POP3解集； 根据所述POP3解集构建新的贝叶斯网络， 并对所述新的贝叶斯网络进行重新采样， 以计 算新适应度值； 判断所述新适应度值解集中的几何参数是否满足所述预设优化目标， 若满足则得到所 述窄通带波长范围， 反 之则迭代执 行上述步骤。 9.一种梳状压电换能器结构优化设计设备， 其特征在于， 包括存储器、 处理器及存储在 存储器上并可在处理器上运行 的计算机程序， 所述处理器执行所述计算机程序时， 实现如 权利要求1 ‑4中任一所述的基于时空域混合分析的梳状压电换能器结构优化设计方法。 10.一种基于时空域混合分析的梳状压电换能器结构的激励优化设计方法， 其特征在 于， 基于权利要求1所述的方法， 还 包括以下步骤： 步骤S3， 根据 所述窄通带波长范围和待测对象的相速度 频散曲线确定最佳时域信号参 数； 步骤S4， 利用所述最佳时域信号参数激励结构优化设计后的异形电极梳状换能器实现 最优单一模态Lamb激励。权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115017640 A 3