基于空氣耦合蘭姆波的鋁板缺陷檢測

禤偉明　許文進

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

關鍵詞：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秀的特性而被廣泛應用于各工業領域，但薄板在役期間會受到各種外部條件的影響，諸如外部應力、化學腐蝕等，進而會在鋁板表面和內部產生裂紋、缺陷，這不僅會影響構件的使用壽命，還會導致災害發生，影響人們的生命、財產安全。因此，必須定期對薄板構件進行無損檢測。

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、檢測精度高等特點而受到廣泛關注。傳統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現高效的薄板大面積檢測。而空氣耦合超聲檢測技術具有無須耦合劑、無須接觸構件、可實現構件的快速掃描等特點，因而在鋁合金薄板的檢測中具有突出優勢以及重要的應用價值[1-2]。

目前，在板形構件的大面積無損檢測中，最常見的超聲法是利用蘭姆波進行檢測[3]。蘭姆波是在薄板中傳播的一種導波形式，具有多個模態，其中又以低階模態（S0、A0模態）應用較廣，因此本文應用空耦探頭激勵低階蘭姆波模態對鋁板進行檢測，以驗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

在彈性薄板中傳播的蘭姆波的頻散關系式被稱為瑞利-蘭姆方程，如下所示[4]：

對于蘭姆波對稱模態：

■=-■? ? ? ? ? ? ?（1）

對于蘭姆波反對稱模態：

■=-■? ? ? ?（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;ω為角頻率。

實驗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）代表反對稱模態，Sn代表對稱模態。從圖1可以看到，當頻厚積小于1.5 MHz·mm時，僅存在A0和S0兩種模態，隨著頻厚積的增大，蘭姆波模態數量也在增多。為了能在薄板中激勵出良好的單一模態，實驗采用斜入射的方法在薄板中激勵目標蘭姆波模態。聲波從空氣中傳播進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，當探頭激勵頻率、板厚確定后，可以通過調整探頭的入射角來激勵出良好的目標模態。

2? ? 實驗方法

實驗系統分為硬件和軟件兩部分。硬件部分由函數發生器、脈沖放大器、電動機、示波器、前置信號放大器、空氣耦合探頭以及計算機等組成，軟件部分則為LabVIEW編寫的自動控制程序。鋁板尺寸為450 mm×350 mm×3 mm，在鋁板中設置了3個直徑均為10 mm的圓形人工缺陷，每個缺陷之間的間隔為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，激勵單一A0模態需要的入射角度為8°，而激勵單一S0模態則需要4°，在本文中接收探頭的接收角始終與發射探頭的入射角保持一致。在缺陷檢測前，首先應確定以特定入射角能否在薄板中激勵出良好的目標模態，因此，將發射、接收探頭正對放置，探頭的入射角度調整為8°，以480 kHz、8個周期的正弦激勵信號激勵，得到如圖3（a）所示的超聲信號。以1 mm步距移動接收探頭，采集120個點的信號，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，實驗采集的蘭姆波信號與理論頻散曲線中的A0模態曲線吻合良好，因此可以判斷圖3（a）中的信號為A0模態。同樣的實驗步驟下，將探頭入射角調整為4°，得到的信號如圖4（a）所示。而從圖4（b）可看出，4°入射角下可激勵出良好的蘭姆波S0模態信號。比較圖3、圖4，發現在相同激勵條件下，A0模態的振幅會大于S0模態，主要原因在于A0模態的離面位移大于S0模態[5]。

為了更好地對缺陷進行定位分析，本文利用缺陷反射信號進行成像。將兩個空耦探頭放在缺陷同一側，激勵信號同上，探頭組以1 mm步距沿著薄板邊界對鋁板進行掃查。在不同入射角下激勵A0和S0模態分別對鋁板進行B掃成像，成像結果如圖5、圖6所示。圖中的亮點代表缺陷，可以看出，無論是A0模態還是S0模態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模態的成像質量以及橫向分辨率更高，因此A0模態比S0模態更適合應用于空耦的薄板檢測。

3? ? 結論

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

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

[參考文獻]

[1] 孟翔震，李再幃，朱文發，等.基于空耦超聲Lamb波的金屬板狀結構內部缺陷檢測方法[J].應用聲學，2020，39（2）：316-324.

[2] 張繼敏，周暉，劉奎.航空復合材料多層蜂窩夾芯結構的空氣耦合式超聲檢測技術研究[J].復合材料科學與工程，2020（9）：74-78.

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

[4] 鄭祥明，趙玉珍，史耀武.蘭姆波頻散曲線的計算[J].無損檢測，2003，25（2）：66-68.

[5] 萬陶磊，常俊杰.基于連續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.