板中孔状缺陷的超声导波检测试验研究

　　飞机机翼、桥梁以及储罐等大型板件结构，易受到化学腐蚀、应力作用、热疲劳及外部冲击等诸多因素的影响，产生局部结构损伤，从而影响结构的安全运行，甚至使结构失效. Lamb 波作为板中的超声导波，具有传播距离远、检测范围大的优点，常用于板中的缺陷检测和结构状态评估[1-6].随着传感器材料的发展，传感器的几何尺寸逐渐变小，可以粘贴在被测结构表面或埋在内部，用于结构健康状况的实时监测，该方法即是嵌入式主动监测技术. 压电陶瓷晶片因体积小，质量轻，价格便宜，便于大量分布于结构中，能提高检测精度，在板类结构健康监测方面得到了一定的应用[7-12]，从而使常规超声导波无损检测方法逐渐过渡到嵌入式结构健康监测，使结构的健康状况评估实时而有效.

　　在此，利用压电陶瓷晶体在薄铝板中激励和接收超声导波Lamb 波，优化选取适合缺陷检测的Lamb波模态，选取合适的模态用于板中孔状缺陷的检测，并分析缺陷尺寸对检测信号的影响.

　　1 薄板中的超声导波

　　在薄板中传播的Lamb 波为超声导波的类型之一. 由于受到板厚的影响，超声波在板中传播时速度受频率的影响产生几何弥散，即超声导波的相速度( cp) 随频率的不同而改变，这种现象就是导波的频散现象[13]. 导波的频散特性取决于加载条件和波导的形状. 在板中传播的超声导波Lamb 波存在2 种模态，即对称模态( S0、S1……) 和反对称模态( A0、A1……) .经数值计算得到，1mm 厚的铝板中的Lamb 波的相速度和群速度频散曲线如图1 所示. 其中板的密度为2 700 kg /m3，纵波波速为6 320 m/s，横波波速为3 130 m/s. 图2 给出了频率300 kHz 的Lamb 波包括S0模态和A0模态的位移分布.

　　从图1 和2 中可以看出:

　　1) 在任意频率下至少存在2 个以上的导波模态，并且随着频率增加模态数迅速增加，这就是超声导波Lamb 波的多模态现象，多模态的存在使得导波检测更加复杂;

　　2) 当频率低于A1模态的截止频率1. 565 MHz 时，只出现S0模态和A0模态，在低于该频率下激励Lamb 波，模态更易于控制，得到的检测信号中模态较少，波形更简单，更易处理和分析，便于对板中缺陷的识别和定位;

　　3) 在频带0 ～ 1. 565 MHz，A0模态频散较大，并且传播时主要以离面位移为主，传播时能量易被周围介质所吸收，传播距离短，检测能力有限，而S0模态频散较小，并且传播时主要以面内位移为主，能量主要在板内传播，传播距离远，可用于板中缺陷的长距离检测;

　　4) 对图1( b) 的数据分析可以得到频率300 kHz 的S0模态和A0模态导波的理论群速度( cg) 分别为5. 42 m/ms 和2. 63 m/ms，S0模态的传播速度远大于A0模态的传播速度.通过以上分析可知，在低频段，相对于A0模态，S0模态更适合于铝板的缺陷检测.