畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）金屬薄板的超聲蘭姆波無(wú)損檢測(cè)

1、金屬薄板的超聲蘭姆波無(wú)損檢測(cè)學(xué)生姓名：陳丹 班級(jí)：0882012指導(dǎo)老師：陳振華 摘要：隨著航天、航空、汽車工業(yè)的發(fā)展，各行業(yè)對(duì)金屬板材的需求量日益增多，發(fā)現(xiàn)一種更精確的金屬板蘭姆波無(wú)損檢測(cè)方法，顯得日益的重要。金屬板材構(gòu)件,尤其是金屬薄板,使用常規(guī)的超聲波探傷是很困難的，與常規(guī)超聲波無(wú)損檢測(cè)相比，蘭姆波檢測(cè)具有快速高效的特點(diǎn)，非常適合于板形結(jié)構(gòu)的大面積無(wú)損檢測(cè)。盡管金屬薄板的無(wú)損檢測(cè)是蘭姆波技術(shù)的最早應(yīng)用領(lǐng)域，但是由于蘭姆波理論及檢測(cè)機(jī)理的復(fù)雜性，此項(xiàng)技術(shù)至今仍未取得重大突破，還存在許多不一致的觀點(diǎn)和未解決的問(wèn)題，大大地限制了它在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。本文主要介紹通過(guò)對(duì)鋁板模擬缺陷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)

2、數(shù)字采樣得到各種缺陷下的時(shí)域信號(hào)，對(duì)比各模擬缺陷時(shí)域信號(hào)的不同特征參數(shù)，從而對(duì)鋁板中的模擬缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，并對(duì)一發(fā)一收缺陷波波形指數(shù)線性回歸跟自發(fā)自收端面回波波形指數(shù)線性回歸進(jìn)行對(duì)比，從而確定哪種研究方法更適合用于金屬薄板的無(wú)損檢測(cè)。關(guān)鍵詞：無(wú)損檢測(cè)；lamb波；金屬薄板指導(dǎo)老師簽名：thin metal sheet by ultrasonic lamb wave nondestructive testingstudent：chendan class：0882012supervisor：chenzhenhuaabstract： with the aerospace, aviation, th

3、e development of automobile industry, the industry of sheet metal on the increasing demand, find a more precise metal plate lamb wave nondestructive detection method, is becoming more and more important.sheet metal member, particularly the metal sheet, the use of conventional ultrasonic testing is d

4、ifficult, and the routine ultrasonic nondestructive detection compared, lamb wave detection with fast and efficient characteristics, is very suitable for the large area plate structure nondestructive testing.although the sheet metal nondestructive testing is the lamb wave technology the earliest app

5、lications, but due to the lamb wave theory and detection mechanism is complicated, this technology has not yet achieved a major breakthrough, there are still many points of disagreement and unresolved issues, greatly limits its application in industrial production.this paper mainly introduces the de

6、fects of aluminum simulation experiment, through the digital sampling of the various defects of the time-domain signal, comparing the numerical simulation defect before and after time domain signals of different characteristic parameters, thereby the aluminum in the simulated defects, nondestructive

7、 testing, and the defects wave fitting linear regression were compared with surface echo, thereby to determine which method is more suitable for nondestructive detection for metal sheet.key words:nondestructive testing;lamb wave;metal signature of supervisor：目錄1 緒論11.1研究的背景和意義11.2金屬薄板lamb波無(wú)損檢測(cè)概況及國(guó)內(nèi)外

8、研究現(xiàn)狀分析21.3超聲波檢測(cè)信號(hào)的研究31.3.1 超聲檢測(cè)的原理31.3.2 超聲檢測(cè)的特點(diǎn)41.4全文的主要工作內(nèi)容42 lamb波理論及其無(wú)損檢測(cè)原理52.1 lamb波概述52.2 lamb波檢測(cè)原理63 lamb波無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的組建73.1 lamb波的激發(fā)與接收73.2 lamb波無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)84 鋁板中模擬缺陷的分析與處理104.1 一發(fā)一收測(cè)缺陷104.2 自發(fā)自收測(cè)缺陷124.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析145 結(jié)論16參考文獻(xiàn)17致 謝181 緒論1.1研究的背景和意義 板形構(gòu)件尤其是厚度在6mm以下的薄板件，無(wú)論是在航空航天工業(yè)、汽車工業(yè)、船舶工業(yè)，還是在壓力鍋爐，大型化工容器

9、方面均有廣泛的應(yīng)用。但是由于板件在成形過(guò)程中所帶入的缺陷，如分層，夾雜，孔形缺陷，裂紋等，都會(huì)對(duì)制件的使用安全造成威脅。同時(shí)板件由于外部加載以及使用環(huán)境的變化，都可能引起其內(nèi)部細(xì)小缺陷源的擴(kuò)展，進(jìn)而造成疲勞破壞事故。因此需要對(duì)這類板形構(gòu)件進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。作為五大常規(guī)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)之一的超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)常用來(lái)檢測(cè)制件內(nèi)部的缺陷，由于它的檢測(cè)能力強(qiáng)，甚至可以深入幾米深的金屬內(nèi)部，同時(shí)作用于材料的超聲強(qiáng)度有足夠的低，最大作用應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的彈性極限，此外所需的設(shè)備簡(jiǎn)單，對(duì)制件以及周圍環(huán)境沒(méi)有危害和污染，所以在無(wú)損檢測(cè)中應(yīng)用得非常廣泛。超聲檢測(cè)是使超聲波進(jìn)入待測(cè)試件，通過(guò)超聲波與試件的相互作用，就反射、

10、透射和散射的波進(jìn)行研究，從而對(duì)試件進(jìn)行宏觀缺陷檢測(cè)。超聲無(wú)損檢測(cè)常用的是縱波(壓縮波)和橫波(切變波)檢測(cè)，可是對(duì)于薄板(尤其是厚度2mm以下的薄板)無(wú)論是橫波探傷還是縱波探傷都很困難。事實(shí)上無(wú)論是橫波斜入射還是縱波垂直入射進(jìn)薄板中，當(dāng)超聲波傳播一定距離之后由于薄板上下表面的不斷反射使得此時(shí)的超聲波已不再是普通的橫波或者縱波了，而是一種新的超聲波形式即蘭姆波(lamb wave)。lamb波是超聲波無(wú)損檢測(cè)中最常見(jiàn)的一種導(dǎo)波形式，與常規(guī)超聲的逐點(diǎn)掃查不同，lamb波檢測(cè)一次掃查一條線，并且收發(fā)探頭可置于試件的同一側(cè)，這在很多場(chǎng)合下是方便的，所以lamb波檢測(cè)對(duì)于薄板無(wú)損檢測(cè)具有縱波和橫波難以比

11、擬的快捷、高效的特點(diǎn)，非常適合于板形結(jié)構(gòu)的大面積無(wú)損檢測(cè)。盡管金屬薄板的無(wú)損檢測(cè)是lamb波技術(shù)的最早應(yīng)用領(lǐng)域。但是由于lamb波理論及檢測(cè)機(jī)理的復(fù)雜性，此項(xiàng)技術(shù)至今仍未取得重大突破，還存在許多不一致的觀點(diǎn)和未解決的問(wèn)題，如分層對(duì)lamb波的散射機(jī)理，如何選擇最佳探傷參數(shù)，如何克服有時(shí)可能發(fā)生的分層漏檢，如何對(duì)缺陷進(jìn)行定性、定量分析以及人工缺陷的選型等，這些都大大地限制了它在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。國(guó)外有些大型鋼鐵公司曾在板材生產(chǎn)線上采用lamb波自動(dòng)探傷，但是效果不明顯。美國(guó)材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(astm)及宇航材料規(guī)范(ams)均提出對(duì)金屬薄板探傷可采用lamb波，但是對(duì)其具體實(shí)施方法卻未涉及1。j

12、krautkramer在他的著名“超聲檢測(cè)技術(shù)”中也未提出具體的辦法，只是指出：“最佳角度與波型往往是用缺陷已知的試件試驗(yàn)時(shí)憑經(jīng)驗(yàn)求出”4。由于lamb波傳播和反射機(jī)理的復(fù)雜性，國(guó)外對(duì)lamb波無(wú)損檢測(cè)至今尚未制訂相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)雖已先后制訂了兩項(xiàng)國(guó)標(biāo)和一項(xiàng)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2-4，但是這并不能說(shuō)明這些問(wèn)題都已得到妥善解決。lamb波不僅可以用于薄板檢測(cè)，還可以用于各種復(fù)合材料的檢測(cè)與健康評(píng)價(jià)、用于大型橋梁、壓力容器和輸油汽管道的在線無(wú)損檢測(cè)及安全監(jiān)控，以及用于設(shè)計(jì)成全新概念的超聲延遲線等。對(duì)金屬薄板中l(wèi)amb波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究是基礎(chǔ)，對(duì)于lamb波更深入的應(yīng)用有著十分重要的意義。1.2金屬薄板lamb

13、波無(wú)損檢測(cè)概況及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析lamb波的發(fā)現(xiàn)是在1917年。當(dāng)時(shí)英國(guó)力學(xué)家蘭姆(h.lamb)按平板自由邊界條件解波動(dòng)方程，得到了一種特殊的波動(dòng)解5。后人把這種波動(dòng)命名為lamb波以紀(jì)念它的發(fā)現(xiàn)者。超聲lamb波是一種在厚度與激勵(lì)聲波波長(zhǎng)為相同數(shù)量級(jí)的聲波導(dǎo)中(如金屬薄板)由縱波和橫波合成的特殊形式的應(yīng)力波，它在不同厚度及不同激發(fā)頻率下會(huì)產(chǎn)生不同的傳播模式。lamb波有對(duì)稱lamb和反對(duì)稱lamb兩種類型，而對(duì)應(yīng)每種類型又有多種模態(tài)。它是板中的導(dǎo)波，通常也稱“板波”。當(dāng)板的上下界面在力學(xué)上自由時(shí)，這種特殊的波就叫l(wèi)amb波。lamb波進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)和無(wú)損評(píng)價(jià)的早期研究主要集中于均質(zhì)、各向同

14、性的介質(zhì)中，目前主要用于復(fù)合材料、膠接結(jié)構(gòu)等的無(wú)損檢測(cè)和評(píng)價(jià)。但是由于lamb波在激勵(lì)、傳播、接收以及信號(hào)處理方面的復(fù)雜性，大大限制了它在工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，而所有這些特點(diǎn)都是由于lamb波的多模式和頻散特性所決定的6。20世紀(jì)40年代末，美國(guó)人fafirestone(此人也是超聲探傷的發(fā)明者)首先將lamb波應(yīng)用于薄板探傷。后來(lái)美國(guó)通用電器公司的工程師d.c.worlton首先指出了鋁和鋯的頻散曲線的模式特征可以應(yīng)用于材料無(wú)損檢測(cè)。隨后的十年中，許多的研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者，如日本無(wú)損檢測(cè)學(xué)會(huì)、日本科學(xué)家尾上守夫，德國(guó)科學(xué)家pholler等都對(duì)lamb波進(jìn)行較為深入的研究，證實(shí)了lamb波技術(shù)作為

15、無(wú)損檢測(cè)方法有效性。60年代，俄羅斯科學(xué)家ia.victorov出版了一本關(guān)于瑞利波與lamb波的專著。1967年這本書(shū)被譯為英文在美國(guó)出版，這是一本關(guān)于瑞利波和lamb波的經(jīng)典著作19。20世紀(jì)80年代到90年代初期，人們開(kāi)始將lamb波技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合材料的缺陷檢測(cè)。美國(guó)航空航天局(nasa)的saravanos等人從理論及實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了利用lamb波檢測(cè)復(fù)合材料梁結(jié)構(gòu)的分層缺陷12。英國(guó)國(guó)防與評(píng)估研究機(jī)構(gòu)的percibval和birt則研究使用兩種基本的lamb波傳播模式來(lái)檢測(cè)材料缺陷。20世紀(jì)90年代末，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的stephen w.kercel等采用貝葉斯參數(shù)估計(jì)對(duì)傳播的多模

16、式lamb波進(jìn)行了有效的分離，并對(duì)缺陷信號(hào)進(jìn)行了成功識(shí)別18。最近一些年，lamb波被廣泛應(yīng)用于各向同性和各向異性材料的機(jī)構(gòu)安全檢測(cè)中。在2005年，美國(guó)阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)把lamb波應(yīng)用在大型管道的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控系統(tǒng)shms(structal healthy monitor system)中，通過(guò)采用更為先進(jìn)且廉價(jià)的超聲換能器材料mfc(macro-fiber composite)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的pzt(壓電陶瓷晶片)材料，大幅地降低了成本，并且極大地提高了檢測(cè)精度與效率17。 在國(guó)內(nèi)，我國(guó)航空材料研究所李家偉等也對(duì)lamb波探傷進(jìn)行了廣泛地研究11。尤其是中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所應(yīng)崇福、張守玉和沈

17、建中用光彈方法對(duì)lamb波的應(yīng)力分布進(jìn)行了直接觀察，這是世界上首次對(duì)lamb波的應(yīng)力分布進(jìn)行直接觀察，他們還對(duì)lamb波傳播與散射進(jìn)行了觀察和研究10。同濟(jì)大學(xué)聲學(xué)研究所的劉鎮(zhèn)清對(duì)lamb波模式的識(shí)別和相速度檢測(cè)進(jìn)行了研究，在一定程度上識(shí)別出傳播的lamb波模式8。 北京工業(yè)大學(xué)的鄭祥明等對(duì)垂直耦合方式下單層鋁板中的聲超聲信號(hào)及多模式蘭姆波的時(shí)頻表示進(jìn)行了研究，他們采用cohen類等幾種主要的時(shí)頻分布對(duì)多模式lamb波進(jìn)行了對(duì)比研究，也在一定程度上識(shí)別出傳播的lamb波模式13。南京航空航天大學(xué)智能材料與結(jié)構(gòu)研究所的袁慎芳教授研究小組研究了主動(dòng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控在航空領(lǐng)域的應(yīng)用，并取得很大突破14-

18、16。1.3超聲波檢測(cè)信號(hào)的研究通過(guò)超聲波與試件相互作用，就反射、透射和散射的波進(jìn)行研究，對(duì)試件進(jìn)行宏觀缺陷檢測(cè)、幾何特性測(cè)量、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能變化的檢測(cè)和表征，并進(jìn)而對(duì)其特定應(yīng)用性進(jìn)行評(píng)價(jià)的技術(shù)。1.3.1 超聲檢測(cè)的原理超聲波是頻率高于20千赫的機(jī)械波。在超聲探傷中常用的頻率為0.55兆赫。這種機(jī)械波在材料中能以原一定的速度和方向傳播，遇到聲阻抗不同的異質(zhì)界面（如缺陷或被測(cè)物件的底面等）就會(huì)產(chǎn)生反射。這種反射現(xiàn)象可被用來(lái)進(jìn)行超聲波探傷，最常用的是脈沖回波探傷法探傷時(shí)，脈沖振蕩器發(fā)出的電壓加在探頭上（用壓電陶瓷或石英晶片制成的探測(cè)元件），探頭發(fā)出的超聲波脈沖通過(guò)聲耦合介質(zhì)（如機(jī)油或水等）進(jìn)

19、入材料并在其中傳播，遇到缺陷后，部分反射能量沿原途徑返回探頭，探頭又將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖，經(jīng)儀器放大而顯示在示波管的熒光屏上。根據(jù)缺陷反射波在熒光屏上的位置和幅度（與參考試塊中人工缺陷的反射波幅度作比較），即可測(cè)定缺陷的位置和大致尺寸。除回波法外，還有用另一探頭在工件另一側(cè)接受信號(hào)的穿透法。利用超聲法檢測(cè)材料的物理特性時(shí)，還經(jīng)常利用超聲波在工件中的聲速、衰減和共振等特性。聲速是衡量材料聲學(xué)性質(zhì)的重要參量。超聲波在固體介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)的彈性模量和密度有關(guān)。不同的材料介質(zhì)有不同的聲速。超聲波波形不同時(shí)，介質(zhì)彈性變形形式不同，聲速也不同。1.3.2 超聲檢測(cè)的特點(diǎn)a.穿透能力較大，例如在鋼中的有效

20、探測(cè)深度可達(dá)1米以上。b.對(duì)平面型缺陷如裂紋、夾層等探傷靈敏度較高，并可測(cè)定缺陷的深度和相對(duì)大小。c.設(shè)備輕便，操作安全，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢驗(yàn)d.不易檢查形狀復(fù)雜的工件，要求被檢查表面有一定的光潔度，并需有耦合劑充填滿探頭和被檢查表面之間的空隙，以保證充分的聲耦合。 e.對(duì)于有些粗晶粒的鑄件和焊縫，因易產(chǎn)生雜亂反射波而較難應(yīng)用。f.超聲檢測(cè)還要求有一定經(jīng)驗(yàn)的檢驗(yàn)人員來(lái)進(jìn)行操作和判斷檢測(cè)結(jié)果。1.4全文的主要工作內(nèi)容本文旨在對(duì)金屬薄板lamb波無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行研究，對(duì)lamb波檢測(cè)信號(hào)用matlab進(jìn)行分析和處理，從而對(duì)薄板中的模擬缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。本文主要工作內(nèi)容如下：1.進(jìn)行l(wèi)amb波的理論研

21、究，探討lamb波在結(jié)構(gòu)中的傳播特性以及檢測(cè)原理。通過(guò)matlab對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理。2.對(duì)lamb波檢測(cè)方案進(jìn)行研究。制作出人工缺陷,采用普通橫波斜探頭做為lamb波激勵(lì)和接收換能器，在薄鋁板板中激發(fā)出lamb波。3.通過(guò)對(duì)比不同缺陷形態(tài)下的信號(hào)特征，得出不同形態(tài)的缺陷對(duì)lamb波檢測(cè)結(jié)果的影響。從而對(duì)鋁板結(jié)構(gòu)中的模擬缺陷進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)一發(fā)一收缺陷波波形指數(shù)線性回歸跟自發(fā)自收端面回波波形指數(shù)線性回歸進(jìn)行對(duì)比與研究。2 lamb波理論及其無(wú)損檢測(cè)原理2.1 lamb波概述lamb波是1917年英國(guó)力學(xué)家蘭姆按平板自由邊界條件求解波動(dòng)方程時(shí)得到了一種特殊的波動(dòng)解而發(fā)現(xiàn)的9。蘭姆波是超聲波的一種，是

22、板材厚度與透入的聲波波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)在板材中激勵(lì)而成的應(yīng)力波，當(dāng)板的上下界面在力學(xué)上自由時(shí)，這種特殊的超聲波就叫l(wèi)amb波10。lamb波定義為彈性擾動(dòng)在自由邊界板中的傳播，是在具有兩個(gè)平行表面的結(jié)構(gòu)中由橫波和縱波相互耦合而成的一種應(yīng)力波。它的位移不僅發(fā)生在波的傳播方向，垂直板的方向上也有。在無(wú)限均勻各向同性彈性介質(zhì)中，橫波和縱波分別以各自的特征速度傳播而無(wú)波形耦合，而在板中則不然。在板的某一點(diǎn)上激勵(lì)超聲波，由于超聲波傳播到板的上、下界面時(shí)，會(huì)發(fā)生波形轉(zhuǎn)換。經(jīng)過(guò)在板內(nèi)一段時(shí)間的傳播之后，因疊加而產(chǎn)生“波包”，即所謂的板中l(wèi)amb波模態(tài)。lamb波在板中傳播時(shí)，存在不同的模態(tài)，各種模態(tài)的疊加效果即為l

23、amb波。根據(jù)板內(nèi)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移的分布形態(tài)不同，lamb波被分為對(duì)稱型lamb波和反對(duì)稱型lamb波，他們的傳播形式如圖1所示。同時(shí)對(duì)于不同類型的lamb波，還有不同的階次，通常用s0，s1，s2表示不同的對(duì)稱型lamb波模式，a0，a1，a2表示不同的反對(duì)稱型lamb波模式。lamb波在板中傳播時(shí)，板中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)軌跡是橢圓形的，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)可以分解為水平分量uz和垂直分量ux。對(duì)稱型lamb波的特點(diǎn)是薄板中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)對(duì)稱于板的中心面，上下兩面相應(yīng)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的水平分量方向相同，而在垂直分量方向相反，且在薄板的中心面上質(zhì)點(diǎn)是以縱波形式振動(dòng)的。反對(duì)稱型lamb波的特點(diǎn)是薄板中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)不對(duì)稱于板的中心面

24、，上下兩面相應(yīng)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的垂直分量方向相同，水平分量方向相反，且在薄板的中心面上質(zhì)點(diǎn)是以橫波形式振動(dòng)的。圖2.1 對(duì)稱型lamb波（a）和反對(duì)稱型lamb波（b）lamb波是超聲無(wú)損檢測(cè)中最常見(jiàn)的一種導(dǎo)波形式，與常規(guī)超聲的逐點(diǎn)掃查不同，lamb波檢測(cè)時(shí)一次掃查一條線，并且收發(fā)探頭可置于試件的同一側(cè)，這在很多場(chǎng)合下是方便的，所以，lamb波檢測(cè)對(duì)于薄板檢驗(yàn)具有縱波和橫波難以比擬的快捷、高效的特點(diǎn)，非常適合于大面積板形結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)8。2.2 lamb波檢測(cè)原理lamb波在板中傳播時(shí)，在如遇到基體組織發(fā)生顯著變化的情況，類似分層、孔洞等缺陷時(shí)，會(huì)發(fā)生反射和散射現(xiàn)象，使得接收到的響應(yīng)信號(hào)的波包幅值、頻

25、率成分以及模式可能會(huì)發(fā)生變化。這時(shí)基體組織中的缺陷信息就會(huì)包含在響應(yīng)信號(hào)之中，通過(guò)對(duì)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行采集，分析提取出其中所包含的缺陷信息，就可以對(duì)缺陷的存在、當(dāng)量大小、類型以及位置等進(jìn)行判別，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)基體材料的無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)。 3 lamb波無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的組建3.1 lamb波的激發(fā)與接收一般采用超聲波換能器耦合在板的表面來(lái)充當(dāng)驅(qū)動(dòng)器和傳感器。通過(guò)信號(hào)發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生電激勵(lì)信號(hào)，然后通過(guò)換能器底部壓電晶片的逆壓電效應(yīng)把電激勵(lì)信號(hào)轉(zhuǎn)化為超聲波信號(hào)，之后通過(guò)耦合劑進(jìn)入被測(cè)薄板中，由于薄板自由邊界的約束，此時(shí)在板中傳播的就已經(jīng)是lamb波了，最后通過(guò)接收換能器底部壓電晶片的正壓電效應(yīng)把超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信

26、號(hào)供我們進(jìn)一步分析。lamb波信號(hào)的激發(fā)與接收主要有兩種分類方式：(1)單探頭式和雙探頭式。所謂單探頭式也叫自發(fā)自收方式，即用一個(gè)探頭既承擔(dān)信號(hào)的發(fā)射任務(wù)，同時(shí)也要完成信號(hào)的接收任務(wù)。而所謂雙探頭式也叫一發(fā)一收方式，即用一個(gè)探頭完成信號(hào)的發(fā)射任務(wù)，用另一探頭完成信號(hào)的接收任務(wù)?，F(xiàn)在還有采用多個(gè)換能器組成探頭陣列來(lái)激發(fā)和接收l(shuí)amb波，即采用一個(gè)壓電傳感器作為激勵(lì)傳感器，用多個(gè)壓電傳感器作為接收傳感器，組成多通道lamb波檢測(cè)系統(tǒng)。(2)縱波斜射法和垂直耦合法。所謂縱波斜射法即采用一定角度的透聲鍥(一般為有機(jī)玻璃)使縱波直探頭以一定入射角度射入被測(cè)板中，這種激發(fā)方式與普通的橫波檢測(cè)方式相同。不同

27、的lamb波波型是通過(guò)選擇不同的探頭入射角來(lái)實(shí)現(xiàn)的。而所謂的垂直耦合法即用超聲縱波直探頭垂直耦合在被測(cè)板形件表面發(fā)射超聲波，這種方法也被稱為聲超聲方法。垂直耦合時(shí)板中傳播的超聲波模式主要是多模式的lamb波7。目前還沒(méi)有一種在結(jié)構(gòu)中激發(fā)lamb波的標(biāo)準(zhǔn)或最優(yōu)方法。本論文中采用ultra-ndt超聲發(fā)射/接收卡作為超聲發(fā)生和接收設(shè)備，該儀器為一臺(tái)通用數(shù)字化超聲無(wú)損探傷儀；鼠標(biāo)操作，全數(shù)字化調(diào)節(jié)，使用方便，而且檢測(cè)結(jié)果可以存盤(pán)分析。本文分別采用中心頻率為2.5mhz的斜探頭以自發(fā)自收、一發(fā)一收的方式進(jìn)行檢測(cè)，其中斜探頭一發(fā)一收方式，其它方法實(shí)驗(yàn)原理框圖（圖3.1）類似。ultra-ndt超聲發(fā)射/

28、接收卡所采用的激勵(lì)信號(hào)為矩形尖脈沖，即采用的是寬帶激發(fā)，因此產(chǎn)生的是寬帶超聲波，通過(guò)探頭的逆壓電效應(yīng)作用于平板結(jié)構(gòu)產(chǎn)生lamb波。 圖3.1 斜探頭一發(fā)一收方式的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖3.2 lamb波無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)lamb波金屬薄板無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。其中硬件系統(tǒng)包括試驗(yàn)基體材料、探頭、ultra-ndt超聲發(fā)射/接收卡、各種傳輸線以及耦合劑等。實(shí)驗(yàn)的硬件系統(tǒng)組成如圖3.2所示。圖3.2 實(shí)驗(yàn)的硬件系統(tǒng)組成軟件系統(tǒng)是利用通用數(shù)字化超聲檢測(cè)系統(tǒng)，如圖3.3所示，該軟件包括信號(hào)采集設(shè)置，信號(hào)顯示、存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)處理等幾個(gè)部分。圖3.3 軟件系統(tǒng)面板 4 鋁板中模擬缺陷的分析與處理4

29、.1 一發(fā)一收測(cè)缺陷采用一發(fā)一收的方式，采集各個(gè)孔徑時(shí)的時(shí)域信號(hào)。選用1000mm*600mm*3mm鋁板，分別在鋁板的中心鉆1.5mm,2.0mm,2.5mm,3.0mm,3.5mm,4.0mm的圓孔，探頭采用中心頻率為2.5mhz的k2斜探頭，采用一發(fā)一收的方式通過(guò)耦合劑耦合在鋁板上，探頭間距100mm，探頭在鋁板上的位置如圖4.1所示(實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，探頭位置不能移動(dòng)）。圖4.1探頭布置示意圖采樣率為50mhz，改變孔徑大小，通過(guò)數(shù)字采樣得的時(shí)域信號(hào)如圖4.2所示。 板材無(wú)缺陷時(shí)時(shí)域信號(hào)圖 板材缺陷1.5mm時(shí)域信號(hào)圖 板材缺陷2.0mm時(shí)域信號(hào)圖 板材缺陷2.5mm時(shí)域信號(hào)圖 板材缺陷3.

30、0mm時(shí)域信號(hào)圖 板材缺陷3.5mm時(shí)域信號(hào)圖 板材缺陷4.0mm時(shí)域信號(hào)圖圖4.2 板材各缺陷下時(shí)域信號(hào)圖4.2 自發(fā)自收測(cè)缺陷采用自發(fā)自收的方式，采集各個(gè)孔徑時(shí)的時(shí)域信號(hào)。選用1000mm*600mm*3mm鋁板，在離鋁板端面50mm位置分別鉆1.5mm,2.0mm,2.5mm,3.0mm,3.5mm,4.0mm的圓孔，采用中心頻率為2.5mhz的k2斜探頭一只，探頭距端面140mm，通過(guò)耦合劑耦合在3mm的鋁板上，探頭在鋁板上的位置如圖4.4所示(實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，探頭位置不能移動(dòng)）。 圖4.4 探頭布置示意圖采樣率為50mhz，改變孔徑大小，通過(guò)數(shù)字采樣得的時(shí)域信號(hào)如圖4.5所示。 板材無(wú)缺

31、陷時(shí)時(shí)域信號(hào)圖 板材缺陷1.5mm時(shí)域信號(hào)圖 板材缺陷2.0mm時(shí)域信號(hào)圖 板材缺陷2.5mm時(shí)域信號(hào)圖 板材缺陷3.0mm時(shí)域信號(hào)圖 板材缺陷3.5mm時(shí)域信號(hào)圖 板材缺陷4.0mm時(shí)域信號(hào)圖 圖4.2 板材各缺陷下時(shí)域信號(hào)圖4.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析 lamb 波檢測(cè)中信號(hào)幅值是一個(gè)對(duì)耦合條件敏感的量,為了減小耦合條件帶來(lái)的影響, 人們往往對(duì)信號(hào)進(jìn)行幅值歸一化處理, 然而時(shí)域信號(hào)的幅值不滿足可加性,從理論上講,對(duì)多分量信號(hào)進(jìn)行幅值歸一化不一定是合理的。在信號(hào)波形處理技術(shù)中, 對(duì)于采樣頻率一定的信號(hào)ai ( i = 1, 2, 3,., n ) ,其波形指數(shù)f sha定義為： （1） 波形指數(shù)的物

32、理意義是對(duì)每組數(shù)據(jù)的波動(dòng)程度進(jìn)行衡量。式( 1) 中分子部分表示信號(hào)的有效能量,分母表示信號(hào)幅值的均值, f sha 是一個(gè)無(wú)量綱的量。 波形指數(shù)fsha 的特點(diǎn)是穩(wěn)定性較好,從公式( 1)可以看出 fsha 與信號(hào)幅值的大小無(wú)關(guān),避免了實(shí)際測(cè)試中因耦合條件改變而引起的誤差, 這為定征結(jié)構(gòu)中缺陷的狀態(tài)和研究 lamb 波提供了途徑20。 將試件在缺陷為1.5mm、2.0m m、2.5m m、3.0 mm、3.5mm、4.0mm時(shí)采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間域截?cái)嗵幚砗笥晒? 1) ,通過(guò)matlab 編程,可得到波形指數(shù)結(jié)果( 表1，表2) ,將不同缺陷狀態(tài)下lamb波波形指數(shù)的變化量做為定征缺陷

33、的數(shù)字參量,圖4.6是波形指數(shù)變化量與缺陷深度之間的關(guān)系。通過(guò)對(duì)各缺陷采集信號(hào)波形指數(shù)變化量進(jìn)行直線回歸,結(jié)果表明lamb波波形指數(shù)變化量與缺陷深度之間有較好的線性關(guān)系,所以,在lamb波檢測(cè)中,可以用信號(hào)波形指數(shù)變化量來(lái)定征缺陷程度。表1 一發(fā)一收波形指數(shù)與孔徑大小的對(duì)應(yīng)關(guān)系孔徑（mm） 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0波形指數(shù) 1.82 1.80 1.79 1.80 1.78 1.67表2 自發(fā)自收波形指數(shù)與孔徑大小的對(duì)應(yīng)關(guān)系孔徑（mm） 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0波形指數(shù) 1.53 1.47 1.49 1.51 1.37 1.32 （a） （b）圖4.6

34、 一發(fā)一收（a）、自發(fā)自收（b）波形指數(shù)變化量的直線回歸 通過(guò)對(duì)各缺陷采集信號(hào)波形指數(shù)變化量進(jìn)行直線回歸, 結(jié)果表明lamb 波波形指數(shù)變化量與缺陷大小之間有較好的線性關(guān)系, 所以, 在lamb波檢測(cè)中, 可以用信號(hào)波形指數(shù)變化量來(lái)定征缺陷程度。實(shí)驗(yàn)中，自發(fā)自收波形指數(shù)的回歸系數(shù)為r=0.766689。一發(fā)一收方式的回歸系數(shù)r=0.81597。5 結(jié)論 通過(guò)改變鋁板人工缺陷的尺寸，分別采用一收一發(fā)與自發(fā)自收的方式使用蘭姆波進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，測(cè)的各個(gè)尺寸下的時(shí)域信號(hào)，使用matlab對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，可得到波形指數(shù)，通過(guò)對(duì)各缺陷采集信號(hào)波形指數(shù)變化量進(jìn)行直線回歸，可得到回歸系數(shù)，發(fā)現(xiàn)一發(fā)一收缺陷波

35、回歸效果比自發(fā)自收端面回波回歸效果好。參考文獻(xiàn)1蔣福棠，何雙起，沈建中.蘭姆波探傷中一些問(wèn)題的探討j.材料工程，1996 2gb2108-80薄鋼板蘭姆波探傷法.3gb8651-88金屬板材超聲板波探傷方法.4qj1269-87金屬薄板蘭姆波探傷方法.5 h.lamb. on the waves in an elastic plate. proceedings of the royal society of london6超聲波探傷編寫(xiě)組.超聲波探傷m.北京：電力工業(yè)出版社，19807 劉鎮(zhèn)清,黃瑞菊. 薄板聲超聲檢測(cè)超聲傳播模式的實(shí)驗(yàn)研究. 聲學(xué)學(xué)報(bào). 20008 劉鎮(zhèn)清，劉驍. 超聲無(wú)損檢測(cè)的若干新進(jìn)展.無(wú)損檢測(cè)，20009美阿肯巴赫著.徐植信，洪錦如譯.彈性固體中波的傳播.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1992.10應(yīng)崇福，張守玉，沈建中.超聲在固體中的散射.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1994.11李家偉，云慶華等主編.蘭姆波及其在薄板探傷中的應(yīng)用.鍋爐壓力容器無(wú)損檢測(cè)技術(shù).天津科學(xué)出版社，