Page 159 - 《应用声学》2020年第2期

第 39 卷 第 2 期 孟翔震等： 基于空耦超声 Lamb 波的金属板状结构内部缺陷检测方法 317

板中通孔缺陷的识别定位效果进行对比，验证了空
0 引言
耦超声检测方法在金属板缺陷检测中的可行性及
金属板类结构已经被广泛应用到工业制造领 优势。
域，诸如飞机蒙皮、汽车车身、航用设备、大型油气
1 金属板中导波频散特性及参数的确定
储罐等，这些板类结构不仅在生产加工时会产生夹
杂、分层等缺陷，而且由于使用环境的复杂多变，在 现应用的金属板类材料大都属于各向同性材
受到外荷载冲击、化学腐蚀、温度作用等各种因素 料，所以超声波在这些金属板类材料中具有相同的
的影响下，容易在局部位置产生内部损伤，影响结构 传播特性，本文选用工程上使用最广泛的各向同性
寿命甚至可能导致灾难性事故 [1−2] 。鉴于超声无损 铝板作为研究对象。
检测技术在检测精度、检测范围和检测成本等方面 超声导波具有多模态性，即同一频率下可同时
均优于其他无损检测技术 [3] ，深入地开展金属板类 激发多种导波模态，而且在实际检测中，所激发的单
结构超声无损检测研究具有十分重要的应用价值。 频信号具有一定带宽，可能产生更多的导波模态，影
目前，针对金属板类内部缺陷的超声无损检测
响检测效果。所以，对铝板结构进行超声检测需要
问题，国内外学者已经进行了大量研究。文献 [4]
确定检测频率和导波模态。
利用希尔伯特 -黄变换 (Hilbert-Huang transform,
本文采用经典的势函数法推导出铝板结构中
HHT) 的高时频分辨率的特性，更加精确地提取到
的Lamb波频散方程 [11] ：
Lamb 波各模态到达时间，为 Lamb 波在检测中的 2
tan(qh) 4k pq
应用提供一种有效手段；文献 [5] 通过多个压电片 tan(ph) = − (q − k ) , (1)
2
2 2
组成矩形阵列，实现了对板结构的全量程和多缺陷 tan(qh) (q − k )
2
2 2
的检测；文献 [6] 采用十字型传感器阵列对铝板缺 tan(ph) = − 4k pq , (2)
2
陷进行检测，并且通过在时频域对接收信号进行处 其中，h 为铝板厚度的一半，p = ω /C − k ，
2
2
2
2
L
理，消除直接激励信号和边界反射信号的影响；文 q = ω /C − k ，ω 表示角频率，k 为波数，C L 和
2
2
2
2
T
献 [7] 通过嵌入金属板结构中传感器进行激励与接 C T 分别是铝板中的纵波速度和剪切波速度。
收信号，利用基于到达时间差 (Time difference of 同时，群速度 c g 、相速度 c p 、声波在空气中传播
arrival, TDOA)模型的椭圆成像算法对损伤位置坐 速度c a 、空耦入射角θ 有以下相互关系 [11−12] ：
标和损伤区域大小进行估计；文献[8] 通过在结构上 ω
永久安装晶片式压电传感器激励和采集信号，利用 c p = k = fλ, (3)
一种基于 Lamb波聚焦阵列算法的成像方法得到包 dω [ dc p ] −1
2
c g = = c c p − (fh) , (4)
p
含定量损伤信息的图像；文献[9]利用传感器网络采 dk d(fh)
( )
集 Lamb 波信号，采用时间反转成像方法识别伤损 c a
θ = arcsin . (5)
位置和近似大小；文献 [10] 通过在试样上下表面同 c p
一位置粘贴双压电片激励单一模态 Lamb 波，利用 实 验 铝 板 尺 寸 设 计 为 500 mm×500 mm×
3
椭圆成像算法和数据融合方法进行缺陷成像。上述 2 mm，密度为 2680 kg/m ，纵波波速为 6220 m/s，
方法多是在被测物体上粘贴或者嵌入多个传感器 剪切波波速为 3130 m/s，声波在空气中传播速度
采集信号，而对于正在服役中的结构，由于结构形 340 m/s。利用式(1)∼(5)，可以得到铝板Lamb波群
状、服役环境等因素，传感器的粘贴位置和数量均 速度、空耦入射角等随频率变化的频散曲线，如图 1
会受到限制，进而影响检测结果。 所示。
空耦超声检测使用空耦超声传感器进行信号 图1 中S代表对称模态，A代表反对称模态。由
采集，因空耦传感器不需要耦合剂，通过移动单个传 图1(a)可以看出，当频率越低时，Lamb波模态越少；
感器便可以采集多个位置信号，适用于复杂的检测 为了在铝板内激发尽可能少的 Lamb 波模态，本文
环境，检测效率高。基于此，本文提出空耦超声检测 采用200 kHz压电片进行超声导波激励，在200 kHz
方法，通过有限元仿真和实验分析，利用椭圆成像算 频率激励下，存在 A0 和 S0 两种模态 Lamb 波。由
法 [7] ，对压电片接触式检测和空耦检测两种方法在 图 1(b)可以看出，在200 kHz频率激励下，空耦入射