基于空氣耦合超聲Lamb波對鋁板的特征成像檢測

胡 宸, 向 蘋, 王文強(qiáng), 王樹宏, 徐紅杰

(1.上海復(fù)合材料科技有限公司,上海 201112； 2.上海航天樹脂基復(fù)合材料工程技術(shù)研究中心,上海 201112；3.上海航天精密機(jī)械研究所,上海 201699)

鋁合金因具有高比強(qiáng)度和剛度及耐腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在汽車制造、高層建筑、軌道交通和航空等領(lǐng)域[1]。而人為不當(dāng)操作以及實(shí)際使用中工作環(huán)境的復(fù)雜多變將會導(dǎo)致鋁合金構(gòu)件出現(xiàn)沖擊損傷和疲勞裂紋等問題，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故。無損檢測技術(shù)因其無破壞性、檢測全面性成為發(fā)現(xiàn)這些安全隱患直接而有效的手段之一[2-3]。因此，為避免安全事故的產(chǎn)生，尋求一種有效的無損檢測方法對于鋁合金材料的質(zhì)量評估具有重要意義。

目前，空氣耦合超聲Lamb波檢測方法得到許多研究人員的重視。相較于傳統(tǒng)的超聲檢測的逐點(diǎn)檢測效率低下這一缺點(diǎn)，空氣耦合超聲技術(shù)不僅滿足可控聲束、高靈敏度、低成本等技術(shù)要求，還兼具搭建系統(tǒng)較為簡單、不污染環(huán)境等特點(diǎn)，非常適合在役檢測[4-6]。Liu等[7-9]采用空氣耦合超聲Lamb波技術(shù)結(jié)合虛擬時(shí)間反轉(zhuǎn)算法實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料分層形狀、大小的概率成像；基于小波變換，定義不同方向下復(fù)合材料的損傷指數(shù)并對其分層缺陷進(jìn)行概率損傷成像；改進(jìn)損傷成像算法，消除了不均勻概率分布，提高了檢測的準(zhǔn)確性。 Liu等[10]通過實(shí)驗(yàn)與仿真研究了換能器入射角對激發(fā)模態(tài)的影響，預(yù)測了空氣耦合超聲 Lamb 波和分層相互作用的機(jī)制。Padiyar等[11]結(jié)合空氣耦合超聲換能器發(fā)射和接收A0模態(tài)Lamb波以軸向與徑向兩種方向檢測并識別管道中的夾雜物及分層缺陷。Fan等[12]采用有限元方法建立多種物理模型以評估不同空氣耦合超聲探頭入射角度的傳播與反射，驗(yàn)證空氣耦合泄漏Lamb波檢測的可能性。孟翔震等[13]利用仿真與試驗(yàn)相結(jié)合，驗(yàn)證在單側(cè)激勵(lì)情況下適合采用單一A0模態(tài)Lamb波對缺陷進(jìn)行檢測。李立兵等[14]通過COMSOL仿真建立Lamb波的超聲場三維模型，分析并驗(yàn)證A0模態(tài)下的激勵(lì)方式與其傳播特性。王興國等[15]用空氣耦合超聲對不同孔徑的LY12硬鋁合金中的缺陷進(jìn)行檢測。

針對Lamb波在鋁板傳播過程中由于頻散及多模態(tài)之間的轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的信號無法識別的問題，鑒于空氣耦合超聲Lamb波可實(shí)現(xiàn)層板結(jié)構(gòu)的大面積快速檢測的這一特性，筆者通過空氣耦合超聲Lamb波采集鋁板信號信息，并結(jié)合概率成像算法，將特征值元素進(jìn)行全加全乘融合，實(shí)現(xiàn)鋁板中的損傷成像。

1 鋁板Lamb波

基于全局矩陣算法的Disperse 軟件計(jì)算2 mm鋁板的頻散曲線，如圖1所示。分析Lamb波在板塊結(jié)構(gòu)中的傳播特性，獲取合適的模態(tài)和激發(fā)頻率。

為了簡化板內(nèi)聲場，在恒定板內(nèi)選擇產(chǎn)生Lamb波信號的激勵(lì)頻率，此頻率小于某些模態(tài)的截止頻率。

圖1 厚度為2 mm的鋁板的頻散曲線

由圖1的頻散曲線可知：當(dāng)截止頻率小于900 kHz時(shí)，Lamb波只存在A0 和 S0 兩種模態(tài)。這是由于A0模態(tài)的離面位移較大，能使空氣耦合超聲探頭更好地接收由板中泄漏的Lamb波信號，此外，低頻的Lamb波頻散相較于高頻更為嚴(yán)重，靈敏度較低。因此選用中心頻率為0.4 MHz的空氣耦合超聲換能器來激勵(lì)Lamb波，為了獲取實(shí)驗(yàn)所需的A0模態(tài)Lamb波，采用斜入射法用以激勵(lì)相應(yīng)的A0模態(tài)Lamb波，由Snell定律可得：

(1)

式中：θ1、θ2分別為探頭的入射角、反射角；v1為超聲波在空氣中的傳播速度，值為340 m/s；v2為A0模態(tài)下中心頻率為0.4 MHz頻率的相速度，值為2236.8 m/s。

當(dāng)θ2=90°時(shí)，即在鋁板內(nèi)Lamb波發(fā)生全反射，此時(shí)為探頭的入射角的最佳激勵(lì)角度。由式(1)計(jì)算得到來激發(fā)A0模態(tài)Lamb波信號的最佳激勵(lì)角為8.8°。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

實(shí)驗(yàn)研究對象為長200 mm、寬200 mm、厚2 mm的鋁板，在鋁板中心有一直徑為10 mm的圓形通孔缺陷，圓孔中心距離鋁板左端及上端各100 mm。選用公稱頻率為0.4 MHz、晶片尺寸為14 mm×20 mm的空耦縱波直探頭。實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖2所示，包括高功率超聲信號發(fā)射接收器(JPR-600C)、數(shù)據(jù)采集器(PXT-1033)、60 dB增幅的前置放大器以及帶NUAT21軟件的計(jì)算機(jī)。

以通孔為中心，采用一發(fā)一收的檢測方式將兩個(gè)空耦縱波直探頭以入射角為8.8°相向擺放在待檢鋁板同側(cè)，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)行一定的微調(diào)來激勵(lì)和接收A0模態(tài)Lamb波信號?？諝怦詈咸筋^的中心距離鋁板表面都為5 mm，兩探頭中心之間的距離為106 mm。圖4為采用一發(fā)一收式Lamb波鋁板掃查損傷區(qū)域示意圖。將兩空氣耦合探頭沿著兩個(gè)互相正交的方向?qū)︿X板進(jìn)行全覆蓋掃描，并收集多組Lamb波信號進(jìn)行分析。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖3 探頭擺放方式示意圖

圖4 一發(fā)一收式Lamb波掃查鋁板損傷區(qū)域

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

利用空氣耦合Lamb波方法對鋁板進(jìn)行全覆蓋掃描時(shí)，由于鋁板中心通孔區(qū)域的存在，導(dǎo)致板內(nèi)聲場分布無規(guī)律，在接收信號上有一定的體現(xiàn)。對比鋁板有缺陷與無缺陷處的接收波信號的幅值大小如圖5所示?？梢钥闯?，在無損傷區(qū)域處接收的聲波信號高于有損傷區(qū)域的信號幅值，這是因?yàn)橥ㄟ^通孔區(qū)域時(shí)聲阻抗變大，Lamb波衰減較大，幅值明顯降低。同時(shí)也驗(yàn)證了同側(cè)相向檢測法對鋁板缺陷進(jìn)行檢測的可能性。

為了對鋁板實(shí)驗(yàn)對象中的缺陷進(jìn)行圖像重現(xiàn)，兩探頭距離為106 mm，將探頭沿鋁板的x和y方向(即沿鋁板的水平方向和垂直方向)間隔1 mm 為步進(jìn)距離采集106組信號，得到一個(gè)采樣范圍為106 mm×106 mm的Lamb波掃描號，如圖6所示，兩條曲線分別為鋁板x和y方向上的各個(gè)位置信號的幅值對比。從圖6中可以看出，當(dāng)空氣耦合超聲探頭在無損傷區(qū)域掃查時(shí)幅值較大且基本保持一致；隨著掃查距離的增大，在靠近中心損傷區(qū)域時(shí)幅值驟降且達(dá)到最低，但當(dāng)掃查距離不斷增加直至遠(yuǎn)離損傷區(qū)域時(shí)，接收信號幅值逐步增加并趨于恒定。結(jié)果表明，空氣耦合超聲Lamb波可有效識別鋁板的損傷情況。

圖5 有/無缺陷區(qū)域接收的Lamb波信號

圖6 鋁板x、y方向上接收的Lamb波信號

選用接收的Lamb波信號幅值為特征對鋁板進(jìn)行 B 掃描成像，掃描區(qū)域范圍為0～100 mm，鋁板B成像結(jié)果如圖7所示。圖7清晰反映出了缺陷在掃描方向上的位置和大小，且范圍為40～60 mm 時(shí)，幅值顯著減小，這一區(qū)域正是試樣中通孔。

圖7 鋁板B掃描成像

采用空氣耦合超聲Lamb波對鋁板的特征成像進(jìn)行檢測，選取無缺陷處的信號幅值能量作為基準(zhǔn)，定義信號的能量差異系數(shù)(Signal Difference Coefficient，SDC)為特征值，作為掃查成像的依據(jù)。其計(jì)算公式為

(2)

式中:Fm為在鋁板通孔損傷處的頻域信號;Fn為鋁板無損傷處的頻域信號;f為頻率;f1為截?cái)囝l率的最小值;f2為截?cái)囝l率的最大值。借助矩形窗截取損傷處及非損傷處Lamb信號，并對該信號進(jìn)行快速傅里葉變換得到如圖8所示的頻譜圖。通過對比直達(dá)Lamb波信號的頻域能量，可對缺陷進(jìn)行識別。

圖8 A0模態(tài)Lamb波無缺陷與有缺陷信號的頻譜圖

對鋁板Lamb波0°和 90°兩個(gè)掃描方向上不同位置處的SDC值的變化規(guī)律進(jìn)行比較分析，如圖9所示。可以粗略確定鋁板缺陷的位置，其中SDC值變化差異較大的部位通常是在鋁板通孔缺口的中間部位，根據(jù)這一原理能更直觀地對鋁板缺陷進(jìn)行Lamb波成像，缺陷可視化更明顯。因此，可以將其作為判斷鋁板損傷情況的特征值。將鋁板中沒有缺陷的位置處的幅值能量作為基準(zhǔn)值，SDC值的變化差異作為特征值，在不同掃查方向上通過全加和全乘進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，從而得到空耦Lamb波下的損傷重構(gòu)圖像，進(jìn)而從重構(gòu)圖像中獲取二維空間的信息。

s=s1(x,y)+s2(x,y)
s=s1(x,y)×s2(x,y)

(3)

式中:s(x,y)為相應(yīng)的檢測區(qū)域范圍區(qū)間對應(yīng)的像素點(diǎn)群。

圖9 鋁板Lamb波掃描信號SDC值

以SDC為特征值，通過全加與全乘的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合掃描成像結(jié)果如圖10和圖11所示。其掃描范圍為106 mm×106 mm，幅值變化最明顯的部位在圖像中心區(qū)域，即鋁板的通孔缺陷區(qū)域。比較全加和全乘兩種融合方式，可以清楚看出，全乘法具有更高的缺陷分辨率和缺陷定位精度以及確定缺陷尺寸的準(zhǔn)確性。

圖10 特征值全加融合成像結(jié)果

圖11 特征值全乘融合成像結(jié)果

3 結(jié)論

采用空氣耦合Lamb波和基于損傷指數(shù)的成像方法，對鋁板中的損傷開展了成像研究，得出以下結(jié)論。

① 通過空氣耦合Lamb波檢測方法可以激勵(lì)出單一A0模態(tài)下的Lamb波，但必須滿足Snell 定律。

② 在損傷范圍內(nèi)，Lamb波信號幅值呈衰減趨勢，在通孔缺陷的中心處衰減到最小，以此為中心，兩側(cè)信號幅值變化呈對稱分布。

③ 利用SDC這一特征值能夠在數(shù)值上判斷是否存在缺陷，可以用作鋁板缺陷成像檢測的參考依據(jù)。

④ 采取全加和全乘的方式將不同掃查方向上特征值進(jìn)行數(shù)據(jù)融合能夠較好地對鋁板中的損傷進(jìn)行重構(gòu)和定位,通過對比全乘法和全加法的成像結(jié)果，表明全乘法的成像效果優(yōu)于全加法。