【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ctal 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(MacroFiber 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 [1416]。 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)。 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 ～ 5兆赫。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)南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2021 屆學(xué)士學(xué)位論文 4 聲耦合介質(zhì)（如機(jī)油或水等）進(jìn)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。 超聲檢測(cè)的特點(diǎn) ，例如在鋼中的有效探測(cè)深度可達(dá) 1 米以上。 、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。 ，操作安全，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢驗(yàn) ，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。 ，因易產(chǎn)生雜亂反射波而較難應(yīng)用。 。 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： LAMB波的理論研究，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。 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L(zhǎng)AMB 波激勵(lì)和接收換能器，在薄鋁板板中激發(fā)出 LAMB 波。 ，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。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2021 屆學(xué)士學(xué)位論文 5 2 LAMB 波理論及其無(wú)損檢測(cè)原理 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 LAMB 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 LAMB 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 LAMB 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，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。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2021 屆學(xué)士學(xué)位論文 6 圖 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]。 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)。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2021 屆學(xué)士學(xué)位論文 7 3 LAMB 波無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的組建 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