非接觸空氣耦合超聲波鋼板探傷的應(yīng)用研究

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（1.南昌航空大學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌330063；2.日本探頭株式會(huì)社，日本橫濱2320033）

非接觸空氣耦合超聲波鋼板探傷的應(yīng)用研究

?？〗?，2，魏 強(qiáng)1，盧 超1

（1.南昌航空大學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌330063；2.日本探頭株式會(huì)社，日本橫濱2320033）

主要探討了一種基于蘭姆波檢測(cè)模式的空氣耦合超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。首先介紹了非接觸空氣耦合超聲波檢測(cè)的基礎(chǔ)知識(shí)和幾種檢測(cè)方法；然后通過(guò)理論計(jì)算分析了超聲波在空氣中穿透鋼板時(shí)透射率和頻率與板厚乘積的關(guān)系、臨界角與板厚的關(guān)系，并以鋼板檢測(cè)為例進(jìn)行了理論與實(shí)驗(yàn)的比較，結(jié)果吻合非常好；最后對(duì)鋼板損傷進(jìn)行探傷試驗(yàn)，對(duì)損傷處成像，并用有限積分法進(jìn)行了模擬檢驗(yàn)，表明檢測(cè)結(jié)果與有限元分析有良好的一致性。

空氣耦合超聲波；蘭姆波；透射率；損傷成像

0　引 言

超聲波在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用很廣，但傳統(tǒng)的超聲波檢測(cè)方法不像X射線和電磁檢測(cè)可以非接觸實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)，需要使用專門的耦合劑或采用水浸法以減少超聲波在空氣中傳播的損失，這不僅限制了它的適用范圍而且很難進(jìn)行快速檢測(cè)［1］。在超聲波檢測(cè)中，雖然也有使用電磁超聲波探頭（EMAT）和激光超聲波進(jìn)行非接觸測(cè)量，但是由于超聲波集束的指向性和焦點(diǎn)很難控制，而且在激勵(lì)和接收超聲波時(shí)需要特殊裝置，這增加了超聲檢測(cè)的技術(shù)難度?？諝怦詈鲜匠暡o(wú)損檢測(cè)技術(shù)用空氣代替水浸法的水，與水浸法同樣可以通過(guò)改變?nèi)肷浣?，激?lì)模式變換的橫波、表面波及各種導(dǎo)波，且容易使超聲波聚焦。其非接觸、非浸入及無(wú)損無(wú)害的特點(diǎn)很好地彌補(bǔ)了上述的不足，特別是能容易實(shí)現(xiàn)快速在線掃描及原位檢測(cè)，具有很好的應(yīng)用前景。

空氣耦合式超聲無(wú)損檢測(cè)具有非接觸、非浸入等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速在線無(wú)損掃描［1］，在工程建筑、風(fēng)力發(fā)電、航空航天等大型構(gòu)件的無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)以及原位探傷中具有良好的應(yīng)用前景。隨著換能器技術(shù)和相關(guān)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，空氣耦合超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用得了較大進(jìn)展［2］，但是并沒(méi)有突破傳統(tǒng)超聲波法的技術(shù)屏障。目前的空氣耦合超聲波檢測(cè)法，多使用穿透式異側(cè)檢測(cè)模式（透射法），可以用于復(fù)合材料、木材、燒結(jié)前陶瓷等傳統(tǒng)超聲波法很難檢測(cè)的致密度稀的多孔隙材料檢測(cè)［3-7］。

本文在文獻(xiàn)［5］的基礎(chǔ)上，首先簡(jiǎn)要介紹了非接觸空氣耦合超聲波檢測(cè)的特長(zhǎng)和檢測(cè)方法，通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合驗(yàn)證了空氣耦合超聲波檢測(cè)方法的有效性；并利用同側(cè)相向檢測(cè)方法和同側(cè)同向檢測(cè)方法對(duì)鋼板進(jìn)行了開口裂紋檢測(cè)，C掃描成像結(jié)果顯示，其檢測(cè)能力為0.3 mm；最后對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了傳播模擬驗(yàn)證。

1　空氣耦合超聲波檢測(cè)技術(shù)的基本原理

1.1超聲在氣-固界面的能量透射

超聲波在不同物質(zhì)界面處垂直入射時(shí)，其聲壓往返透射系數(shù)T12可用式（1）表示：

式（1）中Z1和Z2分別是從入射介質(zhì)進(jìn)入透射介質(zhì)（一般為被檢測(cè)材料）的特性聲阻抗，定義為Z= ρv（ρ為材料密度，v為聲波在介質(zhì)中的傳播速度），單位為kg/（m2s），一般用Rayl來(lái)表示（1 Rayl=1 kg/（m2s））。由于空氣和金屬材料存在巨大的特性聲阻抗差，使空氣耦合超聲波檢測(cè)技術(shù)的一直難以進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。另外，超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)能量的吸收衰減和散射衰減與發(fā)射頻率和傳播距離有關(guān)，發(fā)射頻率越高其衰減就越大，同時(shí)傳播距離越遠(yuǎn)衰減也越大［3］。所以，使用增幅率僅有60 dB的傳統(tǒng)超聲波發(fā)射接收器不能實(shí)現(xiàn)空氣耦合超聲波檢測(cè)。

為此，日本的Japan Probe公司研制了高功率超聲波發(fā)射接收器JPR-600C、空氣特性聲阻抗耦合好的高靈敏度空氣耦合超聲波探頭以及可增幅60 dB的高信噪比的帶通濾波信號(hào)增幅器PR60-A，其中JPR-600C可以發(fā)射電壓600 V、連續(xù)發(fā)射300個(gè)波數(shù)的矩形脈沖，內(nèi)置增幅為80 dB。這為實(shí)現(xiàn)空氣耦合超聲波檢測(cè)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供了有效工具，具體內(nèi)容見文獻(xiàn)［5］。

1.2空氣耦合超聲穿透薄板時(shí)的能量透射率

當(dāng)超聲向薄板結(jié)構(gòu)內(nèi)入射時(shí)，由于在薄板內(nèi)發(fā)生共振，其能量透射率會(huì)發(fā)生飛躍變化，比1.1節(jié)所述（式（1））的兩界面的透射率大很多。超聲波斜角入射時(shí)的反射與透射示意圖如圖1所示，當(dāng)超聲從空氣（密度ρa(bǔ)，聲速va）中以入射角θ、頻率f向固體薄板（厚度d，密度ρs，縱波聲速vl，橫波聲速vt）發(fā)射簡(jiǎn)諧振動(dòng)時(shí)，在板材中激發(fā)蘭姆波并在板中向前傳播，同時(shí)向空氣中產(chǎn)生泄漏波，該泄漏波的能量透射率T可由式（2）求得［8］：

圖1　超聲波斜角入射時(shí)的反射與透射示意圖

由式（2）可知，超聲波穿透固體薄板時(shí)的能量透射率不僅是兩媒質(zhì)的密度和聲速的函數(shù)，同時(shí)也是入射角和fd（頻率和板厚的乘積）的函數(shù)。這里θi是入射角，θl和θt分別是入射角為θi時(shí)所對(duì)應(yīng)的縱波和橫波的折射角，kly和kty分別是板厚方向的縱波波數(shù)與橫波波數(shù)，Z、Zl和Zt分別是考慮了入射角的聲阻抗，ω是超聲波的角頻率。

以超聲波在從沒(méi)有剪切剛性的媒質(zhì)空氣或水中傳播，穿透鋼板為例。首先，將簡(jiǎn)諧振動(dòng)超聲波從空氣（ρa(bǔ)=1.3 kg/m3，va=340 m/s）或水（ρa(bǔ)=1000 kg/m3，va=1500 m/s）中向鋼板（ρs=7800 kg/m3，vl=5900 m/s，vt=3200 m/s）中垂直入射，由式（2）可求得其能量透射率與fd的相關(guān)性曲線圖（如圖2所示）。從圖2中可以看到，兩者（空氣和水）均在2.95 MHz·mm（頻率×板厚）和5.9 MHz·mm（頻率×板厚）處發(fā)生全透射現(xiàn)象并呈現(xiàn)周期性，可用式（3）表示：

這與板厚方向的縱波共振頻率相對(duì)應(yīng)。這與當(dāng)板厚是縱波波長(zhǎng)的l/2的整數(shù)倍時(shí)，無(wú)論什么材料都與100%透射的理論相符合。在媒質(zhì)為水的情況下，高透射率領(lǐng)域（面積）要比空氣的領(lǐng)域大得多，這是由于空氣與鋼的巨大聲阻抗差，使其透射率非常小，僅為-95 dB（水的情況下為-23 dB），而致使能量透射率的半值寬也非常窄。

圖2　垂直入射時(shí)透射率與fd的（頻率×板厚）關(guān)系

其次，以fd=1.0 MHz·mm的諧振超聲波斜入射到上述同一鋼板中，由式（2）可得其能量透射率與入射角的相關(guān)性曲線，如圖3所示。雖然沒(méi)有與圖2一樣出現(xiàn)周期性，但在3.6°和8.4°的入射角處發(fā)生全透射現(xiàn)象，這兩個(gè)角為鋼板的固有入射角，與蘭姆波A0共振模式和S0共振模式的臨界角相對(duì)應(yīng)。在A0模式臨界角和S0模式臨界角之間，曲線呈遞增趨勢(shì)，透射主要是由鋼板中傳播的橫波產(chǎn)生，其平均能量透射率比垂直入射時(shí)高出約20 dB。這個(gè)特性可以應(yīng)用于實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中以提高信噪比，且有利于檢測(cè)垂直試件表面的缺陷。其實(shí)在實(shí)際檢測(cè)工程中，入射波信號(hào)并不是單一頻率的簡(jiǎn)諧波，而是有一定范圍的頻寬，而且超聲斜角入射時(shí)的入射角也不是單一角度，而是存在一定范圍的入射角，且在波束邊緣處產(chǎn)生緣波，其傳播狀態(tài)非常復(fù)雜。此現(xiàn)象將在后續(xù)的傳播模擬中解釋。所以，在實(shí)際檢測(cè)中不可能發(fā)生全透射?？傊?，如式（3）所示，在垂直入射時(shí)透射波在共振頻率處透射率變大；而在斜角入射時(shí)，透射波在各模式的臨界角處透射率變大。

圖3　斜入射時(shí)透射率與入射角的關(guān)系曲線

1.3空氣耦合超聲波在各種板厚中的能量透射

超聲波在空氣中傳播時(shí)吸收衰減是不可忽視的，可以用衰竭距離（信號(hào)振幅衰減至其初始值的1/e的距離）來(lái)表示，其與頻率成反比關(guān)系，當(dāng)頻率為1 MHz時(shí)，大概為5 cm，而到了4MHz時(shí)僅為3.1 mm。所以為了使超聲波通過(guò)空氣穿透鋼板且最后接收到有效信號(hào)，一般使用的頻率限制在0.1 MHz～1 MHz之間。在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中使用的空氣耦合探頭的中心頻率為0.4 MHz和0.8 MHz［9-11］。

當(dāng)超聲從空氣中向薄板中垂直入射時(shí)，如果使用的頻率已知，根據(jù)板厚d就可以推測(cè)透射率的變化。從空氣中向鋼板中垂直入射0.4 MHz和0.8 MHz的超聲波時(shí)，由式（2）可求得透射率與板厚的關(guān)系如圖4所示，粗實(shí)線為0.4 MHz的分析結(jié)果，細(xì)實(shí)線為0.8 MHz的分析結(jié)果。在發(fā)射0.4 MHz超聲波時(shí)，由于在板厚7.25 mm處發(fā)生共振出現(xiàn)全透射現(xiàn)象，透射率變?yōu)樽畲?；在發(fā)射0.8 MHz超聲波時(shí)，由于在板厚3.625 mm和7.25 mm處發(fā)生共振出現(xiàn)全透射現(xiàn)象，透射率變?yōu)樽畲?；由此可知，根?jù)所測(cè)試的板厚需要選擇最佳頻率的空氣耦合探頭。

圖4　垂直入射透射率與板厚的關(guān)系（0.4 MHz）

下面再討論斜角入射時(shí)的臨界角與板厚的關(guān)系。臨界角是板材中傳播蘭姆波的位相速度與空氣的聲速求得，而蘭姆波的位相速度分散曲線則用板材的聲速及板厚等計(jì)算的。圖5是發(fā)射頻率0.4 MHz超聲波時(shí)，板厚與蘭姆波各模式臨界角的關(guān)系曲線圖，圖中的各曲線與圖4中出現(xiàn)透射率最大峰值位置的入射角相對(duì)應(yīng)，是各種板厚的鋼板中傳播蘭姆波的各種模式的臨界角，其中A0模式和S0模式，在板厚很寬的范圍內(nèi)存在臨界角，所以，利用空氣耦合超聲波進(jìn)行鋼板的檢測(cè)時(shí)，可檢測(cè)板厚范圍是非常寬的。在實(shí)際檢測(cè)時(shí)，要根據(jù)不同的板厚考慮入射角及振動(dòng)模式。

圖5　斜角入射的臨界角與板厚的關(guān)系

2　空氣耦合超聲波透射法的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)

2.1試驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示，兩個(gè)空氣耦合超聲波探頭固定在試件的左右兩側(cè)，左側(cè)為發(fā)射探頭，右側(cè)為接收探頭。試件的夾具可自由調(diào)節(jié)角度。使用的空氣耦合探頭的公稱頻率為0.4 MHz（晶片尺寸20 mm×24 mm，最大中心頻率0.35 MHz），讓超聲發(fā)射接收器JPR-600C發(fā)射電壓300 Vp-p、頻率0.35 MHz，內(nèi)裝0.4 MHz或0.8 MHz帶通濾波器的外置增幅器發(fā)射信號(hào)，增幅80dB的高功率超聲波發(fā)射接收器接收信號(hào)并輸出波形。鋼板厚度為2.3 mm，插入發(fā)射接收探頭中央，入射角由θ=0°到20°，每間隔1°采集一次透射波形，發(fā)射接收探頭的左右方向距離固定在30 mm，上下方向的距離調(diào)整在透射波振幅最大處。

圖6　試驗(yàn)裝置

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果如圖7所示。圖7中的曲實(shí)線是將fd=0.35（MHz）×2.3（mm）=0.805 MHz·mm代入式（2）計(jì)算得到的聲壓透射率，曲線為試驗(yàn)得到的鋼板透射率，由圖8可以看到，由試驗(yàn)得到的鋼板透射率與理論值非常吻合，A0模式的臨界角附近的入射角θ=13.5°時(shí)的透射率比垂直入射θ=0°時(shí)的透射率大約高19 dB。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，雖然很精確的調(diào)節(jié)了入射角的角度，但是沒(méi)有實(shí)現(xiàn)在A0模式臨界角出的全透射及在S0模式臨界角附近的透射率。這是由于實(shí)際發(fā)射接收的波形并不是理想的簡(jiǎn)諧振動(dòng)，而是帶有一定頻寬范圍的波形，而且所使用的空氣耦合探頭的晶片大小有限，所產(chǎn)生的聲場(chǎng)并不是理想的平面波，致使試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算的結(jié)果出現(xiàn)不一致。

圖7　入射角與透射率的關(guān)系

3　空氣耦合掃瞄系統(tǒng)的鋼板檢測(cè)成像

3.1空氣耦合掃瞄系統(tǒng)

傳統(tǒng)的超聲波掃描成像裝置，是將試件放在水中，通過(guò)超聲波探頭沿XY軸高速掃描得到超聲波振幅分布的方式取得二維成像。這時(shí)，X軸電機(jī)或Y軸電機(jī)脈沖輸出作為觸發(fā)器信號(hào)，進(jìn)行超聲波信號(hào)的驅(qū)動(dòng)及采集，位置與超聲波檢測(cè)同步取得。日本探頭株式會(huì)社的空氣耦合掃瞄系統(tǒng)由超高功率超聲波發(fā)射接收器、高速編碼器和安裝有空氣耦合探頭的自動(dòng)掃描儀、控制系統(tǒng)和存儲(chǔ)系統(tǒng)構(gòu)成，系統(tǒng)示意圖如圖8所示。從觸發(fā)器端口取得觸發(fā)信號(hào)，由驅(qū)動(dòng)控制器發(fā)出的觸發(fā)信號(hào)表示信號(hào)的位置信息，相對(duì)于所在的位置檢測(cè)的超聲波振幅的峰值，取得接收信號(hào)的強(qiáng)度分布。該系統(tǒng)可以根據(jù)被檢工件，通過(guò)改變探頭的角度、位置及組合，可實(shí)現(xiàn)表面檢測(cè)法、穿透式檢測(cè)法、V透射檢測(cè)法、串（并）聯(lián)式檢測(cè)法以及各種導(dǎo)波檢測(cè)。

圖8　空氣耦合超聲波掃描成像系統(tǒng)的組成

3.2鋼板的開口裂紋成像試驗(yàn)方法及成像

本試驗(yàn)以鋼板開口裂紋檢測(cè)成像為檢測(cè)目的，試驗(yàn)方法和成像如圖9和圖10所示。圖9（a）為同側(cè)相向（V透射）檢測(cè)法，右側(cè)為發(fā)射探頭，左側(cè)為接收探頭，探頭發(fā)射的超聲波在板中激發(fā)的板波在傳播過(guò)程中，遇到缺陷被缺陷遮斷不能繼續(xù)向前傳播，接收探頭不能接收到超聲信號(hào)，而其它不存在損傷部位接收到超聲信號(hào)，并在接收波形的閥門內(nèi)出現(xiàn)缺陷波或端面波的幅度。在開口裂紋的正上方128×80的領(lǐng)域進(jìn)行同側(cè)相向C掃描，掃描成像結(jié)果如圖9（b）所示，橫軸為X方向的掃描距離，縱軸為Y方向的掃描距離，顏色的濃度表示超聲波的強(qiáng)度。深色表示存在開口裂紋部位的透射波，超聲波被開口裂紋遮擋不能透射，如上方的箭頭線所示，在閥門內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)透射波，閥門后面的波形是超聲波繞過(guò)裂紋后到達(dá)的波形，或由于開口裂紋的存在，產(chǎn)生的邊緣波。顏色隨開口裂紋由深變淺，由藍(lán)變黃，說(shuō)明透射波的能量由弱變強(qiáng)，深度0.1 mm的開口裂紋處幾乎沒(méi)有呈現(xiàn)深色，可知檢測(cè)能力為0.3 mm。周圍淺色部分是沒(méi)有開口裂紋部位的透射波，如下方的箭頭線所示，在閥門內(nèi)出現(xiàn)的波形振幅較大，透射的能量較強(qiáng)。圖10（a）為同側(cè)同向（串聯(lián)式）檢測(cè)法，右側(cè)為發(fā)射探頭，左側(cè)為接收探頭，探頭發(fā)射的超聲波在板中激發(fā)的板波在傳播過(guò)程中，遇到缺陷或端面而產(chǎn)生發(fā)射波，被傳感器接收后在接收波形的閥門內(nèi)出現(xiàn)缺陷波或端面波的幅度。利用這些超聲信號(hào)波形振幅的峰值進(jìn)行色譜成像。試驗(yàn)材料與3.1節(jié)所用試件相同，是厚度為15 mm的鋼板，在鋼板表面上加工了長(zhǎng)度為10 mm，寬度為0.25 mm，深度分別為0.1、0.3、0.5、0.7 mm和1.0 mm的5個(gè)人工開口裂紋?？諝怦詈咸筋^的公稱頻率為0.8 MHz，晶片大小為16×20的四方形平板探頭。施加電壓為300 V的矩形脈沖。本試驗(yàn)采用A0模式板波，入射角為7°。發(fā)射和接收兩探頭距離保持不變，縱向與橫向的掃描間距均為0.5mm，掃描速度為200mm/s。為反映試驗(yàn)效果的真實(shí)性，接收波形不做任何處理均為原始波形。在開口裂紋的偏離斜上方170×110的領(lǐng)域進(jìn)行同側(cè)同向C掃描，掃描成像結(jié)果如圖10（b）所示。橫軸為X方向的掃描距離，縱軸為Y方向的掃描距離，顏色的濃度表示超聲波的強(qiáng)度。從圖10（b）的掃描結(jié)果可知，左側(cè)較深的淺色，是試樣左端端面的回波，如上方的箭頭線所示，在閥門內(nèi)出現(xiàn)的波形振幅較大（見圖10（c）上部），透射的能量較強(qiáng)。右側(cè)四個(gè)橢圓淺色是開口裂紋的回波，1.0 mm開口裂紋處顏色最深，如下方的箭頭線所示，在閥門內(nèi)出現(xiàn)的波形振幅也較大（見圖10（c）下部），顏色隨開口裂紋由深變淺，由黃變藍(lán)，說(shuō)明透射波的能量由強(qiáng)變?nèi)?，深?.1 mm的開口裂紋處幾乎沒(méi)有呈現(xiàn)淺色，可知檢測(cè)能力為0.3 mm。其他部位沒(méi)有回波。

圖9　同側(cè)相向（V透射）檢測(cè)法的鋼板開口裂紋成像

圖10　同側(cè)同向（串聯(lián)式）檢測(cè)法的鋼板開口裂紋成像

4　空氣耦合超聲波在鋼板中的傳播模擬

為了驗(yàn)證上節(jié)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用有限積分法超聲波傳播模擬分析軟件，進(jìn)行了超聲波傳播模擬分析。與前節(jié)的實(shí)驗(yàn)試樣相同，分析模型是厚度為15 mm的鋼板，其上部設(shè)有表面開口裂紋，裂紋的深度為1.0 mm，寬度為0.3 mm，右側(cè)為發(fā)射探頭，發(fā)射頻率與前節(jié)的實(shí)驗(yàn)相同為0.8 MHz，左側(cè)為接收探頭，兩探頭的晶片大小為20 mm中心距離為40 mm，從超聲模擬過(guò)程中，可以清楚地看到，由右側(cè)空氣耦合探頭發(fā)射的超聲波在鋼板中激發(fā)了A0模式的板波，板波在鋼板中傳播的同時(shí)向空氣中產(chǎn)生泄漏，在19.4 s時(shí)到達(dá)裂紋處，由于裂紋的存在，向空氣中的泄漏波被分離，之后繞過(guò)裂紋在裂紋的邊緣處產(chǎn)生邊緣波，作為第二次波源繼續(xù)向空氣中泄漏傳播。圖11為右側(cè)發(fā)射探頭激發(fā)22.2 s后的傳播狀況圖，從圖中可以清楚地看到向空氣中的泄漏波被裂紋分離的狀態(tài)。圖12為左側(cè)探頭接收到的波形，細(xì)實(shí)線是沒(méi)有裂紋狀態(tài)下的透射波，粗實(shí)線是存在裂紋狀態(tài)下的透射波，與試驗(yàn)結(jié)果相同，在存在裂紋狀態(tài)下，向空氣中的泄漏波比不存在裂紋時(shí)的振幅大，這是由于一部分能量被裂紋遮斷的原因。同時(shí)，在存在裂紋狀態(tài)下的接收波形中，在透射波的后面，還有一個(gè)小的波形出現(xiàn)，就是如前所述的，在裂紋的邊緣處產(chǎn)生邊緣波，作為第二次波源繼續(xù)向空氣中泄漏傳播后到達(dá)接收探頭的波形。

圖11　空氣耦合超聲波在鋼板中的傳播模擬

圖12　開口裂紋對(duì)接收波形的影響

5　結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)研究，探討了非接觸空氣耦合超聲波在鋼鐵行業(yè)檢測(cè)應(yīng)用的可能性。對(duì)空氣耦合超聲波在鋼板中的透射率與入射角的關(guān)系進(jìn)行了理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)分析并進(jìn)行了比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者非常吻合。通過(guò)兩軸掃描儀和超聲波激發(fā)及采集同步驅(qū)動(dòng)，用同側(cè)向檢測(cè)法和同側(cè)同向檢測(cè)法對(duì)存在不同開口裂紋的鋼板進(jìn)行了二維掃描，取得了檢測(cè)波形分布，其成像結(jié)果與裂紋存在位置及深度完全吻合。用有限積分法對(duì)空氣耦合超聲波在鋼板中激發(fā)板波的傳播狀況進(jìn)行模擬分析表明，與實(shí)驗(yàn)檢測(cè)基本一致。

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Research of Non-Contact Air Coupled Ultrasonic Crack Detection Testing and lmaging

CHANGJun-jie1，2，WEI Qiang1，LUChao1
（1.Key Laboratory of Nondestructive Testing，Ministry of Education，Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China；2.Japan Probe Co.，Ltd.，Yokohama 2320033，Japan）

This paper mainly discusses the method of non-destructive detection technology by noncontact air-coupled ultrasonic based on the lamb wave detection mode.Firstly，the basic principle and several test methods of the air-coupled ultrasonic detection were described.Then，the relationship between the transmittivity when ultrasonic penetrating steel plate in the air and the product of frequency and the thickness of steel plate，and the relationship between the critical angle and thickness of steel plate were analyzed by theoretical calculation.The theoretical and experimental comparison of the steel plate crack detection as a case has carried on，and both fitted very well.Finally，the experiment of crack detection was carried on steel plate，and the cracks were imaged.and simulated by finite integration theory.The experimental results agreed well with that of simulation by finite element analysis.

air-coupled ultrasonics；lamb wave；transmittance；damage imaging.

TB115.28

A

1673-3851（2015）06-0829-06

（責(zé)任編輯：康 鋒）

2014-09-28

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（AA201408160）

?？〗埽?964-），女，遼寧大連人，博士，副教授，主要從事固體力學(xué)及材料超聲無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)方面的研究。