基于空氣耦合蘭姆波的鋁板缺陷檢測

禤偉明　許文進(jìn)

摘要：針對鋁板中的缺陷，采用空耦超聲法對鋁板進(jìn)行檢測。以特定入射角、接收角在薄板中激勵(lì)蘭姆波，對接收信號進(jìn)行二維傅里葉變換以識別信號模態(tài)。對薄板中存在的缺陷，利用缺陷反射信號進(jìn)行B掃成像，結(jié)果顯示，低階蘭姆波模態(tài)均可有效識別出鋁板中的缺陷，但A0模態(tài)比S0模態(tài)更適合應(yīng)用于空耦的檢測。

關(guān)鍵詞：空氣耦合超聲;蘭姆波;鋁板;缺陷檢測

0? ? 引言

鋁合金薄板因其具有優(yōu)秀的特性而被廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域，但薄板在役期間會(huì)受到各種外部條件的影響，諸如外部應(yīng)力、化學(xué)腐蝕等，進(jìn)而會(huì)在鋁板表面和內(nèi)部產(chǎn)生裂紋、缺陷，這不僅會(huì)影響構(gòu)件的使用壽命，還會(huì)導(dǎo)致災(zāi)害發(fā)生，影響人們的生命、財(cái)產(chǎn)安全。因此，必須定期對薄板構(gòu)件進(jìn)行無損檢測。

在各種無損檢測方法中，超聲法因其具有檢測范圍廣、檢測成本低、檢測精度高等特點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的接觸式超聲法需要將換能器貼合被測樣品，并在樣品和探頭間填充耦合液，受到耦合條件的限制，接觸式超聲法難以實(shí)現(xiàn)高效的薄板大面積檢測。而空氣耦合超聲檢測技術(shù)具有無須耦合劑、無須接觸構(gòu)件、可實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的快速掃描等特點(diǎn)，因而在鋁合金薄板的檢測中具有突出優(yōu)勢以及重要的應(yīng)用價(jià)值[1-2]。

目前，在板形構(gòu)件的大面積無損檢測中，最常見的超聲法是利用蘭姆波進(jìn)行檢測[3]。蘭姆波是在薄板中傳播的一種導(dǎo)波形式，具有多個(gè)模態(tài)，其中又以低階模態(tài)（S0、A0模態(tài)）應(yīng)用較廣，因此本文應(yīng)用空耦探頭激勵(lì)低階蘭姆波模態(tài)對鋁板進(jìn)行檢測，以驗(yàn)證空耦低階蘭姆波對缺陷的檢測能力。

1? ? 蘭姆波的頻散效應(yīng)

在彈性薄板中傳播的蘭姆波的頻散關(guān)系式被稱為瑞利-蘭姆方程，如下所示[4]：

對于蘭姆波對稱模態(tài)：

■=-■? ? ? ? ? ? ?（1）

對于蘭姆波反對稱模態(tài)：

■=-■? ? ? ?（2）

其中：

p2=■2-k2? ? ? ? ? ? （3）

q2=■2-k2? ? ? ? ?（4）

式中：h為1/2板厚;CL為縱波聲速;CT為橫波聲速;k為波數(shù);ω為角頻率。

實(shí)驗(yàn)樣品的材料為鋁合金，取鋁合金中縱波的傳播速度為6 340 m/s，橫波的傳播速度為3 140 m/s。通過Matlab編程求解方程（1）和（2），可得到蘭姆波的相速度頻散曲線，如圖1所示。

圖1中An（n為正整數(shù)）代表反對稱模態(tài)，Sn代表對稱模態(tài)。從圖1可以看到，當(dāng)頻厚積小于1.5 MHz·mm時(shí)，僅存在A0和S0兩種模態(tài)，隨著頻厚積的增大，蘭姆波模態(tài)數(shù)量也在增多。為了能在薄板中激勵(lì)出良好的單一模態(tài)，實(shí)驗(yàn)采用斜入射的方法在薄板中激勵(lì)目標(biāo)蘭姆波模態(tài)。聲波從空氣中傳播進(jìn)入薄板這一過程中的入射角滿足斯涅耳定律：

sin θ=c/cp? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

式中：θ為聲波入射角度;c為空氣中的聲速;cp為相速度。

將蘭姆波的相速度代入公式（5）中，取空氣中的聲速為340 m/s，可繪制出蘭姆波的入射角頻散曲線，如圖2所示。由圖2可知，當(dāng)探頭激勵(lì)頻率、板厚確定后，可以通過調(diào)整探頭的入射角來激勵(lì)出良好的目標(biāo)模態(tài)。

2? ? 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分為硬件和軟件兩部分。硬件部分由函數(shù)發(fā)生器、脈沖放大器、電動(dòng)機(jī)、示波器、前置信號放大器、空氣耦合探頭以及計(jì)算機(jī)等組成，軟件部分則為LabVIEW編寫的自動(dòng)控制程序。鋁板尺寸為450 mm×350 mm×3 mm，在鋁板中設(shè)置了3個(gè)直徑均為10 mm的圓形人工缺陷，每個(gè)缺陷之間的間隔為100 mm。

空耦探頭的中心頻率為480 kHz，與薄板厚度相乘可得頻厚積為1.44 MHz·mm。由圖2可以確定，在這一頻厚積下只存在蘭姆波A0和S0模態(tài)，激勵(lì)單一A0模態(tài)需要的入射角度為8°，而激勵(lì)單一S0模態(tài)則需要4°，在本文中接收探頭的接收角始終與發(fā)射探頭的入射角保持一致。在缺陷檢測前，首先應(yīng)確定以特定入射角能否在薄板中激勵(lì)出良好的目標(biāo)模態(tài)，因此，將發(fā)射、接收探頭正對放置，探頭的入射角度調(diào)整為8°，以480 kHz、8個(gè)周期的正弦激勵(lì)信號激勵(lì)，得到如圖3（a）所示的超聲信號。以1 mm步距移動(dòng)接收探頭，采集120個(gè)點(diǎn)的信號，并對信號集做二維傅里葉變換，得到圖3（b）。從圖3（b）可以看出，實(shí)驗(yàn)采集的蘭姆波信號與理論頻散曲線中的A0模態(tài)曲線吻合良好，因此可以判斷圖3（a）中的信號為A0模態(tài)。同樣的實(shí)驗(yàn)步驟下，將探頭入射角調(diào)整為4°，得到的信號如圖4（a）所示。而從圖4（b）可看出，4°入射角下可激勵(lì)出良好的蘭姆波S0模態(tài)信號。比較圖3、圖4，發(fā)現(xiàn)在相同激勵(lì)條件下，A0模態(tài)的振幅會(huì)大于S0模態(tài)，主要原因在于A0模態(tài)的離面位移大于S0模態(tài)[5]。

為了更好地對缺陷進(jìn)行定位分析，本文利用缺陷反射信號進(jìn)行成像。將兩個(gè)空耦探頭放在缺陷同一側(cè)，激勵(lì)信號同上，探頭組以1 mm步距沿著薄板邊界對鋁板進(jìn)行掃查。在不同入射角下激勵(lì)A(yù)0和S0模態(tài)分別對鋁板進(jìn)行B掃成像，成像結(jié)果如圖5、圖6所示。圖中的亮點(diǎn)代表缺陷，可以看出，無論是A0模態(tài)還是S0模態(tài)均能識別出鋁板中的缺陷，證明了空氣耦合低階蘭姆波對缺陷具有良好的敏感性。而從成像效果來看，A0模態(tài)的成像質(zhì)量以及橫向分辨率更高，因此A0模態(tài)比S0模態(tài)更適合應(yīng)用于空耦的薄板檢測。

3? ? 結(jié)論

（1）對特定入射角、接收角在薄板中激勵(lì)出的信號進(jìn)行二維傅里葉變換并與理論頻散曲線進(jìn)行對比，確認(rèn)通過調(diào)整空氣耦合超聲探頭的斜入射角可以激勵(lì)出單一的低階蘭姆波模態(tài)。

（2）利用低階蘭姆波對有缺陷的薄板進(jìn)行B掃成像。結(jié)果表明，蘭姆波低階模態(tài)可以有效識別薄板中的缺陷，但A0模態(tài)比S0模態(tài)更適用于空耦蘭姆波成像。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 孟翔震，李再幃，朱文發(fā)，等.基于空耦超聲Lamb波的金屬板狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷檢測方法[J].應(yīng)用聲學(xué)，2020，39（2）：316-324.

[2] 張繼敏，周暉，劉奎.航空復(fù)合材料多層蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的空氣耦合式超聲檢測技術(shù)研究[J].復(fù)合材料科學(xué)與工程，2020（9）：74-78.

[3] 周正干，馮占英，高翌飛，等.超聲導(dǎo)波在大型薄鋁板缺陷檢測中的應(yīng)用[J].航空學(xué)報(bào)，2008，29（4）：1044-1048.

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[5] 萬陶磊，?？〗?基于連續(xù)小波變換的薄板損傷空氣耦合蘭姆波成像檢測[J].無損檢測，2019，41（11）：43-47.