ae第7讲-模态ae

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1、实用标准文案模态声发射基本理论耿荣生沈功田*刘时风**（北京航空工程技术研究中心，北京100076）*（国家质量监督检验检疫总局锅炉压力容器检测研究中心，北京100013）**（清华大学机械系，北京100084）摘要论述了薄板中AE信号波形分析技术的主要手段-模态声发射技术的原理，介绍了这一技术在工程实践中的应用前景。关键词模态声发射（MAE）兰姆波波形分析信号处理StudiesonModalAcousticEmissionTheoryGengRongsheng*ShenGongtian**LiuShifeng(BeijingAeronauticalTec

2、hnologyResearchCentre,Beijing100076)*(CentreofBoiler&PressureVesselInspectionandResearch,Beijing100013)**(DepartmentofMechanicalEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084)AbstractDescriptionshavebeenmadeofthebasictheoryofmodalacousticemission(MAE)forthinplateanditsapplicationpro

3、spectiveforengineering.KeywordsModalAcousticemission(MAE);LambWave;WaveformAnalysis;Signalprocessing1前言兰姆（Lamb）波在超声检测中一直受到重视并得到广泛应用[1，2]，但很长时期以来，它并未在AE领域获得应用。在超声检测中，由于使用的频率较高（MHz频率段），板中可能存在模式较多，人们可以根据缺陷的性质选择合适的模式以达到最佳检测效果。例如，可通过改变工作频率、改变楔块角度即声波的入射角，或通过改变叉指式换能器的间距来选择所需模式。选择合适的模式对提高

4、检测可靠性和缺陷定量分析十分重要。例如，在厚度为2.5mm左右的钢板中，使用S0模式，缺陷上反射波的幅度与缺陷（在深度方向的）大小成比例，但使用A0模式，虽然也能获得反射波，反射波的幅度对缺陷大小并不很敏感。显然，为获得更多缺陷信息，应当使用S0模式，这可以通过采用30°楔块、800kHz工作频率加以实现[3]。对于从事AE检测的人员来说，由于AE是结构内缺陷动态变化过程产生的瞬态弹性波，人们无法做出上述选择。因此，虽然认识到兰姆波理论的重要性，但直到1991年，在美国学者Gorman发表了他的“板波声发射”论文后[4]，有关在声发射检测技术中使用Lamb

5、波理论的问题才逐步引起人们的重视。板波声发射（PWAE）后来又称为模态声发射（MAE），它是利用兰姆波理论研究板中AE波的特点，从而将AE波形与特定的物理过程相联系。精彩文档实用标准文案2基本理论毫无疑问，兰姆波的基本理论也适用于AE检测，但问题在于如何用好这一理论。工程中大量使用板状结构，例如，飞机机翼、隔框、复合材料舵面（平尾、垂尾和方向舵等）等。对于图1所示厚度方向尺寸远小于其它两个方向的板而言，相应于一定的激励条件，在其中主要形成的是板波（Lamb波）。设波沿x方向传播，板厚方向为z（两板平面分别为z=-b和z=+b），并设标量势为f，矢量势为y，

6、并认为它们都与坐标y无关，则f和y满足方程（1）。+bzx-by图1板结构坐标的示意图式中，kl和kt分别为相应于纵波和切变波的波矢量，而板中任一点的位移矢量V=gradf+roty。再设f和y都含有ej（kx-wt）项，即它们代表沿x方向传播的波。一般有[1，2]：+1相应于对称模式波，-1相应于反对称模式波。k是波数(k=w/c)、w是角频率、c是板波相速度、cl和cs分别为无限介质中纵波速度和横波速度。由此即可获得人所共知的板中不同模式Lamb波相速度c（或群速度cg）和频率-板厚乘积（或波数-板厚乘积）的关系曲线，见图2[4]。它告诉我们，当板厚从

7、很薄变到很厚（无限厚）时，最低阶对称波的相速度从ce变为cr，而最低阶反对称波的相速度从cf变为cr，cr是表面波速度。在垂线x=1的左边，即当频率-板厚积小于1时，仅有最低阶模式S0和A0存在，它们分别是零阶对称波和零阶反对称波。以上这些论述可以在文献1、2或一些经典教课书中找到。因此，问题的关键是如何将这一理论用到声发射检测的实践中。精彩文档实用标准文案相速度/(1000m/s)频率-厚度积/MHZ-mm(a)群速度/(1000m/s)频率-厚度积/MHZ-mm(b)图2钢板中不同模式声波的相速度(a)和和群速度(b)与频率-厚度乘积的关系曲线3薄板问

8、题以上是对板中一般问题的求解方法。实际上，就AE检测而言，工程中遇