基于空耦超聲Lamb波的金屬板狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷檢測(cè)方法*

孟翔震 李再幃 朱文發(fā) 何越磊 路宏遙

(上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院 上海 201620)

0 引言

金屬板類(lèi)結(jié)構(gòu)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到工業(yè)制造領(lǐng)域，諸如飛機(jī)蒙皮、汽車(chē)車(chē)身、航用設(shè)備、大型油氣儲(chǔ)罐等，這些板類(lèi)結(jié)構(gòu)不僅在生產(chǎn)加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生夾雜、分層等缺陷，而且由于使用環(huán)境的復(fù)雜多變，在受到外荷載沖擊、化學(xué)腐蝕、溫度作用等各種因素的影響下，容易在局部位置產(chǎn)生內(nèi)部損傷，影響結(jié)構(gòu)壽命甚至可能導(dǎo)致災(zāi)難性事故[1-2]。鑒于超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在檢測(cè)精度、檢測(cè)范圍和檢測(cè)成本等方面均優(yōu)于其他無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[3]，深入地開(kāi)展金屬板類(lèi)結(jié)構(gòu)超聲無(wú)損檢測(cè)研究具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。

目前，針對(duì)金屬板類(lèi)內(nèi)部缺陷的超聲無(wú)損檢測(cè)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[4]利用希爾伯特-黃變換(Hilbert-Huang transform，HHT)的高時(shí)頻分辨率的特性，更加精確地提取到Lamb 波各模態(tài)到達(dá)時(shí)間，為L(zhǎng)amb 波在檢測(cè)中的應(yīng)用提供一種有效手段；文獻(xiàn)[5]通過(guò)多個(gè)壓電片組成矩形陣列，實(shí)現(xiàn)了對(duì)板結(jié)構(gòu)的全量程和多缺陷的檢測(cè)；文獻(xiàn)[6]采用十字型傳感器陣列對(duì)鋁板缺陷進(jìn)行檢測(cè)，并且通過(guò)在時(shí)頻域?qū)邮招盘?hào)進(jìn)行處理，消除直接激勵(lì)信號(hào)和邊界反射信號(hào)的影響；文獻(xiàn)[7]通過(guò)嵌入金屬板結(jié)構(gòu)中傳感器進(jìn)行激勵(lì)與接收信號(hào)，利用基于到達(dá)時(shí)間差(Time difference of arrival，TDOA)模型的橢圓成像算法對(duì)損傷位置坐標(biāo)和損傷區(qū)域大小進(jìn)行估計(jì)；文獻(xiàn)[8]通過(guò)在結(jié)構(gòu)上永久安裝晶片式壓電傳感器激勵(lì)和采集信號(hào)，利用一種基于Lamb波聚焦陣列算法的成像方法得到包含定量損傷信息的圖像；文獻(xiàn)[9]利用傳感器網(wǎng)絡(luò)采集Lamb 波信號(hào)，采用時(shí)間反轉(zhuǎn)成像方法識(shí)別傷損位置和近似大??；文獻(xiàn)[10]通過(guò)在試樣上下表面同一位置粘貼雙壓電片激勵(lì)單一模態(tài)Lamb 波，利用橢圓成像算法和數(shù)據(jù)融合方法進(jìn)行缺陷成像。上述方法多是在被測(cè)物體上粘貼或者嵌入多個(gè)傳感器采集信號(hào)，而對(duì)于正在服役中的結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)形狀、服役環(huán)境等因素，傳感器的粘貼位置和數(shù)量均會(huì)受到限制，進(jìn)而影響檢測(cè)結(jié)果。

空耦超聲檢測(cè)使用空耦超聲傳感器進(jìn)行信號(hào)采集，因空耦傳感器不需要耦合劑，通過(guò)移動(dòng)單個(gè)傳感器便可以采集多個(gè)位置信號(hào)，適用于復(fù)雜的檢測(cè)環(huán)境，檢測(cè)效率高?；诖耍疚奶岢隹振畛暀z測(cè)方法，通過(guò)有限元仿真和實(shí)驗(yàn)分析，利用橢圓成像算法[7]，對(duì)壓電片接觸式檢測(cè)和空耦檢測(cè)兩種方法在板中通孔缺陷的識(shí)別定位效果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了空耦超聲檢測(cè)方法在金屬板缺陷檢測(cè)中的可行性及優(yōu)勢(shì)。

1 金屬板中導(dǎo)波頻散特性及參數(shù)的確定

現(xiàn)應(yīng)用的金屬板類(lèi)材料大都屬于各向同性材料，所以超聲波在這些金屬板類(lèi)材料中具有相同的傳播特性，本文選用工程上使用最廣泛的各向同性鋁板作為研究對(duì)象。

超聲導(dǎo)波具有多模態(tài)性，即同一頻率下可同時(shí)激發(fā)多種導(dǎo)波模態(tài)，而且在實(shí)際檢測(cè)中，所激發(fā)的單頻信號(hào)具有一定帶寬，可能產(chǎn)生更多的導(dǎo)波模態(tài)，影響檢測(cè)效果。所以，對(duì)鋁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行超聲檢測(cè)需要確定檢測(cè)頻率和導(dǎo)波模態(tài)。

本文采用經(jīng)典的勢(shì)函數(shù)法推導(dǎo)出鋁板結(jié)構(gòu)中的Lamb波頻散方程[11]：

其中，h為鋁板厚度的一半，p2=ω2/C2L- k2，q2=ω2/C2T-k2，ω表示角頻率，k為波數(shù)，CL和CT分別是鋁板中的縱波速度和剪切波速度。

同時(shí)，群速度cg、相速度cp、聲波在空氣中傳播速度ca、空耦入射角θ有以下相互關(guān)系[11-12]：

實(shí)驗(yàn)鋁板尺寸設(shè)計(jì)為500 mm×500 mm×2 mm，密度為2680 kg/m3，縱波波速為6220 m/s，剪切波波速為3130 m/s，聲波在空氣中傳播速度340 m/s。利用式(1)～(5)，可以得到鋁板Lamb波群速度、空耦入射角等隨頻率變化的頻散曲線，如圖1所示。

圖1中S代表對(duì)稱(chēng)模態(tài)，A代表反對(duì)稱(chēng)模態(tài)。由圖1(a)可以看出，當(dāng)頻率越低時(shí)，Lamb波模態(tài)越少；為了在鋁板內(nèi)激發(fā)盡可能少的Lamb 波模態(tài)，本文采用200 kHz壓電片進(jìn)行超聲導(dǎo)波激勵(lì)，在200 kHz頻率激勵(lì)下，存在A0 和S0 兩種模態(tài)Lamb 波。由圖1(b)可以看出，在200 kHz頻率激勵(lì)下，空耦入射角為11.3°可以單獨(dú)激發(fā)A0 模態(tài)導(dǎo)波信號(hào)；本文實(shí)驗(yàn)采用的是壓電片激勵(lì)，壓電片接收與空耦探頭接收兩種檢測(cè)方式，根據(jù)Snell定律，接收角度為11.3°時(shí)可以單獨(dú)接收A0模態(tài)Lamb波。

在實(shí)際檢測(cè)中由于各壓電片性能和粘貼情況不完全相同等因素，無(wú)法做到如圖2(a)所示的上下兩側(cè)同時(shí)產(chǎn)生完全相同的激勵(lì)，所以本文選用圖2(b)所示的單側(cè)激勵(lì)方法。

圖1 頻散曲線Fig.1 Dispersion curve

圖2 激勵(lì)方式Fig.2 Incentive method

2 導(dǎo)波有限元仿真

2.1 有限元仿真模型

采用PZFlex 有限元軟件分別對(duì)無(wú)缺陷鋁板和有通孔缺陷鋁板建立三維模型，如圖3所示。鋁板上下表面外側(cè)均為空氣，為了消除邊界反射的干擾，有效提取散射信號(hào)，模型采用邊界吸收條件。在A、B、C、D 四個(gè)位置設(shè)置壓電片傳感器，A′、B′、C′、D′分別對(duì)應(yīng)空氣中距各壓電片傳感器上方5 mm的空耦基片接收位置，根據(jù)Snell 原理，為接收A0模態(tài)的Lamb 波，將空耦基片向激勵(lì)位置方向偏轉(zhuǎn)11.3°。缺陷設(shè)置在(300 mm，300 mm)處，缺陷為直徑10 mm通孔。激勵(lì)信號(hào)函數(shù)采用Hanning窗調(diào)制的中心頻率為200 kHz的5周期正弦波窄帶信號(hào)。

圖3 有限元模型Fig.3 Finite element model

進(jìn)行有限元分析時(shí)，依次設(shè)置一個(gè)壓電片傳感器作為激勵(lì)傳感器，由壓電片激發(fā)的超聲波直接進(jìn)入鋁板，分別輸出其余七個(gè)位置接收到的信號(hào)。聲波的傳播遵循互易性原理[9]，激勵(lì)和接收位置交換前后接收到的信號(hào)相同，為了提高檢測(cè)效率，該過(guò)程可分別在每個(gè)模型上獲得12組有效信號(hào)，即AB、AC、AD、BC、BD、CD、AB′、AC′、AD′、BC′、BD′、CD′，第一個(gè)字母代表信號(hào)發(fā)射位置，第二個(gè)字母代表信號(hào)接收位置。

2.2 仿真結(jié)果分析

圖4分別是無(wú)缺陷鋁板上A 點(diǎn)激勵(lì)、B 點(diǎn)接收的信號(hào)時(shí)域圖與時(shí)頻圖。從圖中可以看出，接收信號(hào)中同時(shí)存在信噪比很好的A0 模態(tài)和S0 模態(tài)的Lamb波，A0模態(tài)能量更強(qiáng)。

英格曼神甫卻沒(méi)有生氣，好像他根本沒(méi)聽(tīng)見(jiàn)法比的話。法比激動(dòng)起來(lái)就當(dāng)不了英文的家，發(fā)音語(yǔ)法都糟，確實(shí)也難懂。英格曼神甫可以選擇聽(tīng)不懂他。

圖5分別是無(wú)缺陷鋁板上A 點(diǎn)激勵(lì)、B′點(diǎn)接收的信號(hào)時(shí)域圖和時(shí)頻圖。從圖中可以看出，S0 模態(tài)幾乎消失，只存在能量較強(qiáng)的A0模態(tài)。

圖6分別是鋁板表面和鋁板上側(cè)5 mm 各接收位置收到的信號(hào)經(jīng)做差處理并歸一化后得到的缺陷散射信號(hào)時(shí)域圖。從圖中可以看出，通過(guò)空氣中接收到的信號(hào)較鋁板表面接收到的信號(hào)在時(shí)域上更長(zhǎng)，但兩者信噪比無(wú)較大差異；鋁板表面接收到的信號(hào)仍有S0模態(tài)存在，空氣中接收到的信號(hào)中已經(jīng)無(wú)S0模態(tài)。

圖4 無(wú)缺陷鋁板AB 信號(hào)Fig.4 Signal AB of no defect aluminum plate

圖5 無(wú)缺陷鋁板AB′信號(hào)Fig.5 Signal AB′of no defect aluminum plate

圖6 缺陷散射信號(hào)時(shí)域圖Fig.6 Time-domain diagram of defected scattering signal

圖7 缺陷檢測(cè)成像Fig.7 Defect detection imaging

圖8 鋁板表面信號(hào)成像缺陷處截面Fig.8 Section of aluminum plate surface signal imaging

圖9 鋁板上側(cè)5 mm 信號(hào)成像缺陷處截面Fig.9 Section of 5 mm signal imaging defect on the upper side of aluminum plate

圖7分別是利用鋁板表面接收信號(hào)和鋁板上側(cè)5 mm接收信號(hào)經(jīng)橢圓成像算法的成像效果，圖中黑色圓圈是實(shí)際缺陷位置。如圖8所示，鋁板表面信號(hào)成像的缺陷中心位置坐標(biāo)為(300 mm，298 mm)，距實(shí)際缺陷中心位置誤差為2 mm。如圖9所示，鋁板上側(cè)5 mm 信號(hào)成像的缺陷中心位置坐標(biāo)為(298 mm，300 mm)，距實(shí)際缺陷中心位置誤差為2 mm。所以，鋁板表面接收信號(hào)和上側(cè)5 mm 空氣處接收信號(hào)均能準(zhǔn)確定位出鋁板缺陷位置，在檢測(cè)點(diǎn)數(shù)相同的情況下，由于空氣中接收的信號(hào)時(shí)域上長(zhǎng)度更長(zhǎng)，損傷圖像中顯示范圍略大，但是中心位置仍與實(shí)際缺陷位置吻合，合理設(shè)置閾值可實(shí)現(xiàn)缺陷的精準(zhǔn)定位。

從以上有限元仿真結(jié)果可知，在200 kHz 單側(cè)激勵(lì)情況下，可以選用A0 模態(tài)Lamb波對(duì)鋁板缺陷進(jìn)行檢測(cè)。有限元模型中定義的吸收邊界產(chǎn)生的邊界反射波能量極小，對(duì)缺陷的成像效果沒(méi)有影響。鋁板表面信號(hào)和鋁板上側(cè)5 mm 信號(hào)對(duì)缺陷的定位精度相同。本文將通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)一步驗(yàn)證空耦超聲方法在實(shí)際檢測(cè)中的有效性和準(zhǔn)確性。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)鋁板的材料參數(shù)和尺寸與有限元仿真中一致。缺陷為直徑10 mm 圓形通孔，壓電陶瓷片采用直徑為8 mm、厚度為0.48 mm 的圓形結(jié)構(gòu)，通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂粘貼在鋁板表面，如圖10所示?？振畛曁筋^由懸臂結(jié)構(gòu)固定在鋁板上側(cè)5 mm 位置，如圖11(b)所示。

圖10 實(shí)驗(yàn)試樣Fig.10 The experimental sample

圖11 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.11 The experimental system

實(shí)驗(yàn)中設(shè)置激勵(lì)頻率為200 kHz，電壓280 V，波數(shù)為2。由一個(gè)壓電片傳感器作為激勵(lì)傳感器，分別由其余壓電片傳感器和空耦超聲探頭采集剩余位置的檢測(cè)信號(hào)，更換激勵(lì)傳感器至完成全部信號(hào)采集?；鶞?zhǔn)信號(hào)采集完后在原鋁板上鑿孔再采集缺陷信號(hào)，整個(gè)信號(hào)采集過(guò)程在同一塊鋁板上完成。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖12是無(wú)損傷鋁板上由A 點(diǎn)激發(fā)、B 點(diǎn)壓電片接收到的信號(hào)時(shí)域圖和時(shí)頻圖。從圖中可以看出，壓電片接收到的Lamb 波信號(hào)中同時(shí)存在S0 和A0兩個(gè)模態(tài)，A0 模態(tài)能量相對(duì)較高，信號(hào)中還伴隨有大量邊界反射波。

圖12 無(wú)缺陷鋁板AB 信號(hào)Fig.12 Signal AB of no defect aluminum plate

空耦超聲Lamb波中模態(tài)的激勵(lì)與接收都遵循Snell定律，由圖1(b)中入射角-頻率的頻散曲線，可以得到A0 模態(tài)的接收角度為11.3°；如圖11(b)所示，在使用空耦探頭接收信號(hào)時(shí)，將空耦探頭向激發(fā)位置旋轉(zhuǎn)與板面垂直方向夾角11.3°，該接收方式可以有效屏蔽與探頭偏轉(zhuǎn)方向相反一側(cè)的邊界引起的反射波，同時(shí)仍能夠接收到其他各方向傳來(lái)的信號(hào)。

圖13是無(wú)損傷鋁板上由A 點(diǎn)激發(fā)、B′點(diǎn)空耦探頭接收到的信號(hào)時(shí)域圖和時(shí)頻圖。從圖中可以看出，接收信號(hào)中只存在信噪比較好的A0 模態(tài)，同時(shí)伴有能量較高的邊界反射信號(hào)。

圖12和圖13表明，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中兩種檢測(cè)方式采集到的信號(hào)中均存在由鋁板邊界引起的能量較大的邊界反射信號(hào)，本文通過(guò)加窗函數(shù)[13]的方式在消除邊界反射信號(hào)的同時(shí)保留有效信號(hào)。窗函數(shù)表達(dá)式如下：

其中：wi(t)表示第i個(gè)傳感器接收信號(hào)對(duì)應(yīng)的衰減指數(shù)；α為邊界反射系數(shù)，大小由邊界反射信號(hào)強(qiáng)度確定；t0表示導(dǎo)波在板內(nèi)傳播的最長(zhǎng)時(shí)間，本文取接收信號(hào)的最長(zhǎng)時(shí)間；ti0表示第i個(gè)傳感器接收到的四個(gè)邊界反射波信號(hào)的最早時(shí)間；tij表示由邊界j引起的反射波到達(dá)第i個(gè)傳感器的時(shí)間。

圖14為無(wú)缺陷鋁板AB 信號(hào)經(jīng)加窗處理后的效果?？梢钥闯觯?jīng)加窗處理后，有效信號(hào)得到保留的同時(shí)大量消除了邊界反射信號(hào)。

圖15分別是鋁板表面壓電片接收和鋁板上側(cè)空耦探頭接收到的信號(hào)經(jīng)加窗后做差處理并歸一化后的信號(hào)時(shí)域圖?？梢钥闯觯吔绶瓷湫盘?hào)已經(jīng)得到較好抑制；壓電片接收到的信號(hào)中，S0 模態(tài)產(chǎn)生的干擾信號(hào)較多，并且由于壓電片的制作工藝和各位置壓電片的粘貼情況不能完全相同，S0模態(tài)產(chǎn)生的干擾信號(hào)強(qiáng)度也不相同；空耦探頭接收到的信號(hào)幾乎無(wú)S0模態(tài)。

圖13 無(wú)缺陷鋁板AB′信號(hào)Fig.13 Signal AB′of no defect aluminum plate

圖14 無(wú)缺陷鋁板加窗后AB 信號(hào)Fig.14 Signal AB after window addition of no defected aluminum plate

圖16分別是利用壓電片接收信號(hào)和空耦探頭接收信號(hào)的成像效果，圖中黑色圓圈表示缺陷實(shí)際位置。如圖17所示，壓電片檢測(cè)成像的缺陷中心位置坐標(biāo)為(292 mm，292 mm)，距實(shí)際缺陷中心位置誤差為11.3 mm。如圖18所示，空耦探頭檢測(cè)成像的缺陷中心位置坐標(biāo)為(302 mm，297 mm)，距實(shí)際缺陷中心位置誤差為3.6 mm。以上結(jié)果表明，空耦超聲檢測(cè)的成像精度遠(yuǎn)大于壓電片檢測(cè)的成像精度，壓電片檢測(cè)受到S0 模態(tài)Lamb 波的影響，成像后有偽像產(chǎn)生，空耦探頭調(diào)整接收角度可以接收單一模態(tài)的Lamb波信號(hào)，成像后無(wú)偽像產(chǎn)生。

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在200 kHz 壓電片單側(cè)激勵(lì)下，壓電片傳感器會(huì)同時(shí)接收到A0 和S0 兩種模態(tài)的Lamb 波，較強(qiáng)能量的S0 模態(tài)信號(hào)對(duì)缺陷的定位具有較大干擾，并且會(huì)導(dǎo)致偽像的產(chǎn)生。空耦探頭通過(guò)調(diào)整信號(hào)接收角度可只接收A0 模態(tài)Lamb波，使得空耦檢測(cè)方法比壓電片檢測(cè)方法的成像精度高，而且沒(méi)有偽像產(chǎn)生。

圖15 缺陷散射信號(hào)時(shí)域圖Fig.15 Time-domain diagram of defected scattering signal

圖16 缺陷檢測(cè)成像Fig.16 Defect detection imaging

圖17 壓電片檢測(cè)成像缺陷處截面Fig.17 The section of the imaging defect detected by piezoelectric plate

圖18 空耦探頭檢測(cè)成像缺陷處截面Fig.18 The section of the imaging defect detected by air-coupled sensor

4 結(jié)論

本文針對(duì)金屬板缺陷檢測(cè)提出了空耦超聲檢測(cè)方法，通過(guò)對(duì)鋁板試樣進(jìn)行有限元仿真和實(shí)驗(yàn)分析，比較了壓電片檢測(cè)和空耦超聲檢測(cè)兩種方法的檢測(cè)效果，主要結(jié)論如下：

(1)空耦超聲檢測(cè)相對(duì)于壓電片檢測(cè)具有更高的檢測(cè)精度，在實(shí)驗(yàn)中采用空耦超聲檢測(cè)方法能準(zhǔn)確地定位出缺陷位置。

(2)單側(cè)激勵(lì)情況下，可以采用A0 模態(tài)Lamb波進(jìn)行金屬板內(nèi)部缺陷檢測(cè)。

(3)采用壓電片檢測(cè)會(huì)受到S0 模態(tài)Lamb 波影響，在最終成像中產(chǎn)生偽像，采用空耦檢測(cè)能避免該影響。