[2013]基于电磁声激励Lamb波的裂纹深度检测_朱振宇

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1、第２８卷第５期实验力学Ｖｏｌ．２８Ｎｏ．５２０１３年１０月ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＡＬＭＥＣＨＡＮＩＣＳＯｃｔ．２０１３文章编号：１００１－４８８８（２０１３）０５－０６４９－０８＊基于电磁声激励Ｌａｍｂ波的裂纹深度检测朱振宇１，郑阳２，陈迪１（１．中国航天空气动力技术研究院，北京１０００７４；２．中国特种设备检测研究院，北京１０００１３）摘要：本文采用电磁声传感器接收单一Ｓ０模态激励，测量Ｌａｍｂ波在板中不同深度的槽形裂纹处的反射与透射，用于对已知扩展长度的表面裂纹进行深度测量。然后分析了Ｌａｍｂ

2、波模态的频散与波动特性，由超声Ｌａｍｂ波的波结构，近似计算了Ｓ０模态入射到裂纹时的反射系数。计算结果与实验结果一致。结果表明，Ｌａｍｂ波在有限长裂纹处的反射系数可采用二维模型中的反射系数求解公式近似求解。采用电磁超声传感器接收单一Ｓ０模态激励，重复测量稳定性高，适用于Ｌａｍｂ波反射系数的测量。Ｌａｍｂ波的反射系数与裂纹深度有很好的对应关系，可用于板表面已知长度裂纹的深度测量。关键词：Ｌａｍｂ波；电磁声传感器；裂纹；无损检测；反射系数；透射系数中图分类号：Ｏ３４８．８文献标识码：ＡＤＯＩ：１０．７５２０／１００１－

3、４８８８－１２－１９１０引言裂纹是导致众多结构失效的主要原因之一，特别是对于飞行器，在其服役过程中，由疲劳萌生的裂纹如果不能及时检测到，在某些情况下会迅速增长，导致飞行事故。超声Ｌａｍｂ波技术是一种对飞行器进行结构健康监测和无损探伤的有效方法，可用于对结构中裂纹的探测与监测。［１］Ｌｏｗｅ等研究了Ｓ０模态Ｌａｍｂ波在不同宽度和深度裂纹处的反射和透射，文中的裂纹假设为无［２，３］限长。Ｉｈｎ和ＣｈａｎｇＦｕｋｕｏ采用压电晶片在特定频率激励产生单一Ｓ０模态，用裂纹尖端衍射波与［４］直达波的传播时间差来确定裂纹长度，监

4、测疲劳裂纹的扩展过程。Ｓｔａｓｚｅｗｓｋｉ等采用压电晶片在７５ｋＨｚ激励单一Ａ０模态，在３２５ｋＨｚ激励单一Ｓ０模态，并用３Ｄ激光测振仪解调裂纹处散射Ｌａｍｂ波［５，６］的面内和离面位移，实现了对结构表面裂纹的探测。袁慎芳等采用压电晶片激励Ｌａｍｂ波，实现了对疲劳裂纹的监测。采用Ｌａｍｂ波进行裂纹检测首要的问题是如何有效地激励接收单一模态Ｌａｍｂ波，特别是单一Ｓ０模态，以及如何对裂纹尺寸进行定量的评估。Ｌａｍｂ波的激励接收常用传感器有压电类传感器（如压电超声波探头、压电晶片和ＰＶＤＦ梳状传感器等）、ＥＭＡＴ（Ｅｌ

5、ｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＡｃｏｕｓｔｉｃＴｒａｎｓｄｕｃｅｒ，电磁声传感器）以及激光激振器和测振仪等。压电超声波探头固定于楔块上，通过调整入射角度激励特定模态，易于产生单一的反对称模态，难于产生单一的对称模态。压电晶片传感器粘结于结构表面，可在某［７］一些频率激励产生出单一的Ｓ０或Ａ０模态，但是难于保证耦合一致性，且多为一次性使用。激光激［８］振器是一种宽频激励，往往产生出众多的模态。电磁声传感器便于产生面内位移振动，非常适合激励［９］Ｓ０模态，且无需耦合剂，重复测量稳定性和一致性都较好，其缺点主要是转换效率较

6、低，因此在激励时需要采用大功率功放进行信号放大，同时接收信号需采用大增益的前置放大器放大，且在采集过程中＊收稿日期：２０１２－１２－０８；修订日期：２０１３－０１－２１基金项目：国家科技支撑计划（２０１１ＢＡＫ０６Ｂ０３）资助通讯作者：陈迪（１９８３－），男，硕士。研究领域为航空动力系统健康监测与无损检测。Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｈｅｎｄｉ３１３＠１６３．ｃｏｍ６５０实验力学（２０１３年）第２８卷需多次平均采样，以提高信噪比。因此，本文采用一种环形线圈ＥＭＡＴ激励接收单一Ｓ０模态Ｌａｍｂ波。在裂纹尺寸测量的过程中，主要参

7、数有扩展方向、长度和深度。ＬｕＹｅ等研究了采用Ｌａｍｂ波进行［１０］［１１］裂纹扩展方向测定及通透裂纹长度测量的方法。但采用Ｌａｍｂ波进行裂纹深度的测量仍需进一步研究。本文采用一种环形线圈ＥＭＡＴ，在３ｍｍ厚铝板上激励接收单一Ｓ０模态，测量了Ｌａｍｂ波垂直入射到长度一定、深度不同的裂纹（矩形刻槽）时的传播特性，得到了反射和透射系数与裂纹深度的关系，并利用Ｌａｍｂ波的波结构，计算了裂纹深度变化对反射和透射系数的影响。１Ｌａｍｂ波的波动特性超声Ｌａｍｂ波是存在于板类结构中的一种应力波，由于其传播方向与波动场的位移、应

8、力均位于同一平面内，故常取沿板厚的截面对其波动控制方程进行求解，以得到频散曲线及波结构图。求解方法和［１２］过程属于经典内容，可见于众多文献资料。最终得到的Ｌａｍｂ波频散方程具有以下形式：２ｔａｎ（ｑｈ）４ｋｐｔａｎ（ｐｈ）对称模态＋（ｑ２２）２＝０（１）ｑ－ｋ（ｑ２２）２－ｋｔａｎ（ｐｈ）反对称模态ｑｔａｎ（ｑｈ）＋２＝０（２）４ｋｐ式中ｐ＝ω２／ｃ２２，ｑ＝ω２／ｃ２