金属薄板的超声兰姆波无损检测.docx

1、金属薄板的超声兰姆波无损检测金属薄板的超声兰姆波无损检测LT1 绪论1.1研究的背景和意义 板形构件尤其是厚度在6mm以下的薄板件，无论是在航空航天工业、汽车工业、船舶工业，还是在压力锅炉，大型化工容器方面均有广泛的应用。但是由于板件在成形过程中所带入的缺陷，如分层，夹杂，孔形缺陷，裂纹等，都会对制件的使用安全造成威胁。同时板件由于外部加载以及使用环境的变化，都可能引起其内部细小缺陷源的扩展，进而造成疲劳破坏事故。因此需要对这类板形构件进行无损检测。作为五大常规无损检测技术之一的超声波无损检测技术常用来检测制件内部的缺陷，由于它的检测能力强，甚至可以深入几米深的金属内部，同时作用于材料的超声强

2、度有足够的低，最大作用应力远低于材料的弹性极限，此外所需的设备简单，对制件以及周围环境没有危害和污染，所以在无损检测中应用得非常广泛。超声检测是使超声波进入待测试件，通过超声波与试件的相互作用，就反射、透射和散射的波进行研究，从而对试件进行宏观缺陷检测。超声无损检测常用的是纵波(压缩波)和横波(切变波)检测，可是对于薄板(尤其是厚度2mm以下的薄板)无论是横波探伤还是纵波探伤都很困难。事实上无论是横波斜入射还是纵波垂直入射进薄板中，当超声波传播一定距离之后由于薄板上下表面的不断反射使得此时的超声波已不再是普通的横波或者纵波了，而是一种新的超声波形式即兰姆波(LAMB wave)。LAMB波是超

3、声波无损检测中最常见的一种导波形式，与常规超声的逐点扫查不同，LAMB波检测一次扫查一条线，并且收发探头可置于试件的同一侧，这在很多场合下是方便的，所以LAMB波检测对于薄板无损检测具有纵波和横波难以比拟的快捷、高效的特点，非常适合于板形结构的大面积无损检测。尽管金属薄板的无损检测是LAMB波技术的最早应用领域。但是由于LAMB波理论及检测机理的复杂性，此项技术至今仍未取得重大突破，还存在许多不一致的观点和未解决的问题，如分层对LAMB波的散射机理，如何选择最佳探伤参数，如何克服有时可能发生的分层漏检，如何对缺陷进行定性、定量分析以及人工缺陷的选型等，这些都大大地限制了它在工业生产中的应用。国

4、外有些大型钢铁公司曾在板材生产线上采用LAMB波自动探伤，但是效果不明显。美国材料试验学会标准(ASTM)及宇航材料规范(AMS)均提出对金属薄板探伤可采用LAMB波，但是对其具体实施方法却未涉及1。JKrautkramer在他的著名“超声检测技术”中也未提出具体的办法，只是指出：“最佳角度与波型往往是用缺陷已知的试件试验时凭经验求出”4。由于LAMB波传播和反射机理的复杂性，国外对LAMB波无损检测至今尚未制订相关标准，国内虽已先后制订了两项国标和一项专业标准2-4，但是这并不能说明这些问题都已得到妥善解决。LAMB波不仅可以用于薄板检测，还可以用于各种复合材料的检测与健康评价、用于大型桥梁

5、、压力容器和输油汽管道的在线无损检测及安全监控，以及用于设计成全新概念的超声延迟线等。对金属薄板中LAMB波无损检测技术的研究是基础，对于LAMB波更深入的应用有着十分重要的意义。1.2金属薄板LAMB波无损检测概况及国内外研究现状分析LAMB波的发现是在1917年。当时英国力学家兰姆(H.LAMB)按平板自由边界条件解波动方程，得到了一种特殊的波动解5。后人把这种波动命名为LAMB波以纪念它的发现者。超声LAMB波是一种在厚度与激励声波波长为相同数量级的声波导中(如金属薄板)由纵波和横波合成的特殊形式的应力波，它在不同厚度及不同激发频率下会产生不同的传播模式。LAMB波有对称LAMB和反对称

6、LAMB两种类型，而对应每种类型又有多种模态。它是板中的导波，通常也称“板波”。当板的上下界面在力学上自由时，这种特殊的波就叫LAMB波。LAMB波进行无损检测和无损评价的早期研究主要集中于均质、各向同性的介质中，目前主要用于复合材料、胶接结构等的无损检测和评价。但是由于LAMB波在激励、传播、接收以及信号处理方面的复杂性，大大限制了它在工业生产中的广泛应用，而所有这些特点都是由于LAMB波的多模式和频散特性所决定的6。20世纪40年代末，美国人FAFirestone(此人也是超声探伤的发明者)首先将LAMB波应用于薄板探伤。后来美国通用电器公司的工程师D.C.Worlton首先指出了铝和锆的

7、频散曲线的模式特征可以应用于材料无损检测。随后的十年中，许多的研究机构和学者，如日本无损检测学会、日本科学家尾上守夫，德国科学家PHoller等都对LAMB波进行较为深入的研究，证实了LAMB波技术作为无损检测方法有效性。60年代，俄罗斯科学家IA.Victorov出版了一本关于瑞利波与LAMB波的专著。1967年这本书被译为英文在美国出版，这是一本关于瑞利波和LAMB波的经典著作19。20世纪80年代到90年代初期，人们开始将LAMB波技术应用于复合材料的缺陷检测。美国航空航天局(NASA)的Saravanos等人从理论及实验上证实了利用LAMB波检测复合材料梁结构的分层缺陷12。英国国防与

8、评估研究机构的Percibval和Birt则研究使用两种基本的LAMB波传播模式来检测材料缺陷。20世纪90年代末，美国橡树岭国家实验室的Stephen W.Kercel等采用贝叶斯参数估计对传播的多模式LAMB波进行了有效的分离，并对缺陷信号进行了成功识别18。最近一些年，LAMB波被广泛应用于各向同性和各向异性材料的机构安全检测中。在2005年，美国阿拉莫斯国家实验室已经把LAMB波应用在大型管道的结构安全监控系统SHMS(Structal Healthy Monitor System)中，通过采用更为先进且廉价的超声换能器材料MFC(Macro-Fiber Composite)代替传统的

9、PZT(压电陶瓷晶片)材料，大幅地降低了成本，并且极大地提高了检测精度与效率17。 在国内，我国航空材料研究所李家伟等也对LAMB波探伤进行了广泛地研究11。尤其是中国科学院声学研究所应崇福、张守玉和沈建中用光弹方法对LAMB波的应力分布进行了直接观察，这是世界上首次对LAMB波的应力分布进行直接观察，他们还对LAMB波传播与散射进行了观察和研究10。同济大学声学研究所的刘镇清对LAMB波模式的识别和相速度检测进行了研究，在一定程度上识别出传播的LAMB波模式8。 北京工业大学的郑祥明等对垂直耦合方式下单层铝板中的声超声信号及多模式兰姆波的时频表示进行了研究，他们采用Cohen类等几种主要的时

10、频分布对多模式LAMB波进行了对比研究，也在一定程度上识别出传播的LAMB波模式13。南京航空航天大学智能材料与结构研究所的袁慎芳教授研究小组研究了主动结构健康监控在航空领域的应用，并取得很大突破14-16。1.3超声波检测信号的研究通过超声波与试件相互作用，就反射、透射和散射的波进行研究，对试件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征，并进而对其特定应用性进行评价的技术。1.3.1 超声检测的原理超声波是频率高于20千赫的机械波。在超声探伤中常用的频率为0.55兆赫。这种机械波在材料中能以原一定的速度和方向传播，遇到声阻抗不同的异质界面（如缺陷或被测物件的底面等）就

11、会产生反射。这种反射现象可被用来进行超声波探伤，最常用的是脉冲回波探伤法探伤时，脉冲振荡器发出的电压加在探头上（用压电陶瓷或石英晶片制成的探测元件），探头发出的超声波脉冲通过声耦合介质（如机油或水等）进入材料并在其中传播，遇到缺陷后，部分反射能量沿原途径返回探头，探头又将其转变为电脉冲，经仪器放大而显示在示波管的荧光屏上。根据缺陷反射波在荧光屏上的位置和幅度（与参考试块中人工缺陷的反射波幅度作比较），即可测定缺陷的位置和大致尺寸。除回波法外，还有用另一探头在工件另一侧接受信号的穿透法。利用超声法检测材料的物理特性时，还经常利用超声波在工件中的声速、衰减和共振等特性。声速是衡量材料声学性质的重要

12、参量。超声波在固体介质中的传播速度与介质的弹性模量和密度有关。不同的材料介质有不同的声速。超声波波形不同时，介质弹性变形形式不同，声速也不同。1.3.2 超声检测的特点a.穿透能力较大，例如在钢中的有效探测深度可达1米以上。b.对平面型缺陷如裂纹、夹层等探伤灵敏度较高，并可测定缺陷的深度和相对大小。c.设备轻便，操作安全，易于实现自动化检验d.不易检查形状复杂的工件，要求被检查表面有一定的光洁度，并需有耦合剂充填满探头和被检查表面之间的空隙，以保证充分的声耦合。 e.对于有些粗晶粒的铸件和焊缝，因易产生杂乱反射波而较难应用。f.超声检测还要求有一定经验的检验人员来进行操作和判断检测结果。1.4

13、全文的主要工作内容本文旨在对金属薄板LAMB波无损检测系统进行研究，对LAMB波检测信号用Matlab进行分析和处理，从而对薄板中的模拟缺陷进行无损检测。本文主要工作内容如下：1.进行LAMB波的理论研究，探讨LAMB波在结构中的传播特性以及检测原理。通过Matlab对信号进行分析处理。2.对LAMB波检测方案进行研究。制作出人工缺陷,采用普通横波斜探头做为LAMB波激励和接收换能器，在薄铝板板中激发出LAMB波。3.通过对比不同缺陷形态下的信号特征，得出不同形态的缺陷对LAMB波检测结果的影响。从而对铝板结构中的模拟缺陷进行检测，对一发一收缺陷波波形指数线性回归跟自发自收端面回波波形指数线性

14、回归进行对比与研究。2 LAMB波理论及其无损检测原理2.1 LAMB波概述LAMB波是1917年英国力学家兰姆按平板自由边界条件求解波动方程时得到了一种特殊的波动解而发现的9。兰姆波是超声波的一种，是板材厚度与透入的声波波长相当时在板材中激励而成的应力波，当板的上下界面在力学上自由时，这种特殊的超声波就叫LAMB波10。LAMB波定义为弹性扰动在自由边界板中的传播，是在具有两个平行表面的结构中由横波和纵波相互耦合而成的一种应力波。它的位移不仅发生在波的传播方向，垂直板的方向上也有。在无限均匀各向同性弹性介质中，横波和纵波分别以各自的特征速度传播而无波形耦合，而在板中则不然。在板的某一点上激励

15、超声波，由于超声波传播到板的上、下界面时，会发生波形转换。经过在板内一段时间的传播之后，因叠加而产生“波包”，即所谓的板中LAMB波模态。LAMB波在板中传播时，存在不同的模态，各种模态的叠加效果即为LAMB波。根据板内质点振动位移的分布形态不同，LAMB波被分为对称型LAMB波和反对称型LAMB波，他们的传播形式如图1所示。同时对于不同类型的LAMB波，还有不同的阶次，通常用S0，S1，S2表示不同的对称型LAMB波模式，A0，A1，A2表示不同的反对称型LAMB波模式。LAMB波在板中传播时，板中质点的振动轨迹是椭圆形的，质点的振动可以分解为水平分量Uz和垂直分量Ux。对称型LAMB波的特

16、点是薄板中质点的振动对称于板的中心面，上下两面相应质点振动的水平分量方向相同，而在垂直分量方向相反，且在薄板的中心面上质点是以纵波形式振动的。反对称型LAMB波的特点是薄板中质点的振动不对称于板的中心面，上下两面相应质点振动的垂直分量方向相同，水平分量方向相反，且在薄板的中心面上质点是以横波形式振动的。图2.1 对称型LAMB波（a）和反对称型LAMB波（b）LAMB波是超声无损检测中最常见的一种导波形式，与常规超声的逐点扫查不同，LAMB波检测时一次扫查一条线，并且收发探头可置于试件的同一侧，这在很多场合下是方便的，所以，LAMB波检测对于薄板检验具有纵波和横波难以比拟的快捷、高效的特点，非

17、常适合于大面积板形结构的无损检测8。2.2 LAMB波检测原理LAMB波在板中传播时，在如遇到基体组织发生显著变化的情况，类似分层、孔洞等缺陷时，会发生反射和散射现象，使得接收到的响应信号的波包幅值、频率成分以及模式可能会发生变化。这时基体组织中的缺陷信息就会包含在响应信号之中，通过对响应信号进行采集，分析提取出其中所包含的缺陷信息，就可以对缺陷的存在、当量大小、类型以及位置等进行判别，从而实现对基体材料的无损检测与评价。 3 LAMB波无损检测系统的组建3.1 LAMB波的激发与接收一般采用超声波换能器耦合在板的表面来充当驱动器和传感器。通过信号发生器来产生电激励信号，然后通过换能器底部压电

18、晶片的逆压电效应把电激励信号转化为超声波信号，之后通过耦合剂进入被测薄板中，由于薄板自由边界的约束，此时在板中传播的就已经是LAMB波了，最后通过接收换能器底部压电晶片的正压电效应把超声波信号转化为电信号供我们进一步分析。LAMB波信号的激发与接收主要有两种分类方式：(1)单探头式和双探头式。所谓单探头式也叫自发自收方式，即用一个探头既承担信号的发射任务，同时也要完成信号的接收任务。而所谓双探头式也叫一发一收方式，即用一个探头完成信号的发射任务，用另一探头完成信号的接收任务。现在还有采用多个换能器组成探头阵列来激发和接收LAMB波，即采用一个压电传感器作为激励传感器，用多个压电传感器作为接收传

19、感器，组成多通道LAMB波检测系统。(2)纵波斜射法和垂直耦合法。所谓纵波斜射法即采用一定角度的透声锲(一般为有机玻璃)使纵波直探头以一定入射角度射入被测板中，这种激发方式与普通的横波检测方式相同。不同的LAMB波波型是通过选择不同的探头入射角来实现的。而所谓的垂直耦合法即用超声纵波直探头垂直耦合在被测板形件表面发射超声波，这种方法也被称为声超声方法。垂直耦合时板中传播的超声波模式主要是多模式的LAMB波7。目前还没有一种在结构中激发LAMB波的标准或最优方法。本论文中采用Ultra-NDT超声发射/接收卡作为超声发生和接收设备，该仪器为一台通用数字化超声无损探伤仪；鼠标操作，全数字化调节，使

20、用方便，而且检测结果可以存盘分析。本文分别采用中心频率为2.5MHz的斜探头以自发自收、一发一收的方式进行检测，其中斜探头一发一收方式，其它方法实验原理框图（图3.1）类似。Ultra-NDT超声发射/接收卡所采用的激励信号为矩形尖脉冲，即采用的是宽带激发，因此产生的是宽带超声波，通过探头的逆压电效应作用于平板结构产生LAMB波。 图3.1 斜探头一发一收方式的实验装置示意图3.2 LAMB波无损检测实验系统LAMB波金属薄板无损检测实验系统由硬件系统和软件系统组成。其中硬件系统包括试验基体材料、探头、Ultra-NDT超声发射/接收卡、各种传输线以及耦合剂等。实验的硬件系统组成如图3.2所示

21、。图3.2 实验的硬件系统组成软件系统是利用通用数字化超声检测系统，如图3.3所示，该软件包括信号采集设置，信号显示、存储以及数据处理等几个部分。图3.3 软件系统面板 4 铝板中模拟缺陷的分析与处理4.1 一发一收测缺陷采用一发一收的方式，采集各个孔径时的时域信号。选用1000mm*600mm*3mm铝板，分别在铝板的中心钻1.5mm,2.0mm,2.5mm,3.0mm,3.5mm,4.0mm的圆孔，探头采用中心频率为2.5MHz的K2斜探头，采用一发一收的方式通过耦合剂耦合在铝板上，探头间距100mm，探头在铝板上的位置如图4.1所示(实验过程中，探头位置不能移动）。图4.1探头布置示意图

22、采样率为50MHz，改变孔径大小，通过数字采样得的时域信号如图4.2所示。 板材无缺陷时时域信号图 板材缺陷1.5mm时域信号图 板材缺陷2.0mm时域信号图 板材缺陷2.5mm时域信号图 板材缺陷3.0mm时域信号图 板材缺陷3.5mm时域信号图 板材缺陷4.0mm时域信号图图4.2 板材各缺陷下时域信号图4.2 自发自收测缺陷采用自发自收的方式，采集各个孔径时的时域信号。选用1000mm*600mm*3mm铝板，在离铝板端面50mm位置分别钻1.5mm,2.0mm,2.5mm,3.0mm,3.5mm,4.0mm的圆孔，采用中心频率为2.5MHz的K2斜探头一只，探头距端面140mm，通过耦

23、合剂耦合在3mm的铝板上，探头在铝板上的位置如图4.4所示(实验过程中，探头位置不能移动）。 图4.4 探头布置示意图采样率为50MHz，改变孔径大小，通过数字采样得的时域信号如图4.5所示。 板材无缺陷时时域信号图 板材缺陷1.5mm时域信号图 板材缺陷2.0mm时域信号图 板材缺陷2.5mm时域信号图 板材缺陷3.0mm时域信号图 板材缺陷3.5mm时域信号图 板材缺陷4.0mm时域信号图 图4.2 板材各缺陷下时域信号图4.3 实验数据分析 Lamb 波检测中信号幅值是一个对耦合条件敏感的量,为了减小耦合条件带来的影响, 人们往往对信号进行幅值归一化处理, 然而时域信号的幅值不满足可加性

24、,从理论上讲,对多分量信号进行幅值归一化不一定是合理的。在信号波形处理技术中, 对于采样频率一定的信号ai ( i = 1, 2, 3,., N ) ,其波形指数F SHA定义为： （1） 波形指数的物理意义是对每组数据的波动程度进行衡量。式( 1) 中分子部分表示信号的有效能量,分母表示信号幅值的均值, F SHA 是一个无量纲的量。 波形指数FSHA 的特点是稳定性较好,从公式( 1)可以看出 FSHA 与信号幅值的大小无关,避免了实际测试中因耦合条件改变而引起的误差, 这为定征结构中缺陷的状态和研究 Lamb 波提供了途径20。 将试件在缺陷为1.5mm、2.0m m、2.5m m、3.

25、0 mm、3.5mm、4.0mm时采集的实验数据进行时间域截断处理后由公式( 1) ,通过Matlab 编程,可得到波形指数结果( 表1，表2) ,将不同缺陷状态下Lamb波波形指数的变化量做为定征缺陷的数字参量,图4.6是波形指数变化量与缺陷深度之间的关系。通过对各缺陷采集信号波形指数变化量进行直线回归,结果表明Lamb波波形指数变化量与缺陷深度之间有较好的线性关系,所以,在Lamb波检测中,可以用信号波形指数变化量来定征缺陷程度。表1 一发一收波形指数与孔径大小的对应关系孔径（mm） 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0波形指数 1.82 1.80 1.79 1.80 1.78

26、1.67表2 自发自收波形指数与孔径大小的对应关系孔径（mm） 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0波形指数 1.53 1.47 1.49 1.51 1.37 1.32 （a） （b）图4.6 一发一收（a）、自发自收（b）波形指数变化量的直线回归 通过对各缺陷采集信号波形指数变化量进行直线回归, 结果表明Lamb 波波形指数变化量与缺陷大小之间有较好的线性关系, 所以, 在Lamb波检测中, 可以用信号波形指数变化量来定征缺陷程度。实验中，自发自收波形指数的回归系数为R=0.766689。一发一收方式的回归系数R=0.81597。5 结论 通过改变铝板人工缺陷的尺寸，分别采用一收一

27、发与自发自收的方式使用兰姆波进行无损检测，测的各个尺寸下的时域信号，使用Matlab对信号进行分析处理，可得到波形指数，通过对各缺陷采集信号波形指数变化量进行直线回归，可得到回归系数，发现一发一收缺陷波回归效果比自发自收端面回波回归效果好。参考文献1蒋福棠，何双起，沈建中.兰姆波探伤中一些问题的探讨J.材料工程，1996 2GB2108-80薄钢板兰姆波探伤法.3GB8651-88金属板材超声板波探伤方法.4QJ1269-87金属薄板兰姆波探伤方法.5 H.LAMB. On the Waves in an Elastic Plate. Proceedings of the Royal Soci

28、ety of London6超声波探伤编写组.超声波探伤M.北京：电力工业出版社，19807 刘镇清,黄瑞菊. 薄板声超声检测超声传播模式的实验研究. 声学学报. 20008 刘镇清，刘骁. 超声无损检测的若干新进展.无损检测，20009美阿肯巴赫著.徐植信，洪锦如译.弹性固体中波的传播.上海：同济大学出版社，1992.10应崇福，张守玉，沈建中.超声在固体中的散射.北京：国防工业出版社，1994.11李家伟，云庆华等主编.兰姆波及其在薄板探伤中的应用.锅炉压力容器无损检测技术.天津科学出版社，1985.12Demma,A.,Cawley,P.,Lowe,M.,Roosenbrand.The

29、Reflection of Guided Waves fromNotches in Pipes:a Guide for Interpreting Corrosion Measurements,NDT&E International,200413郑祥明,顾向华等.超声兰姆波的时频分析J.声学学报,2003 14袁慎芳，陶宝祺，朱晓荣.应用小波分析及主动监测技术的复合材料损伤监测.材料工程，200115Shenfang Yuan，Lei Wang，Ge Peng.Neural network method based on a new damage signaturefor structural

30、health monitoring.Thin-Walled Structures，200516徐颖娣，袁慎芳，彭鸽.二维结构损伤的主动LAMB波定位技术研究.航空学报，200417AlanV.OppenheimRonaldW.Schafer.Discrete-timeSignalProcessing.London：PrenticeHall，200518Farrar C.R.and K.M.Cone.Vibration Testing of the I-40 Bridge Before and After theIntroduction of Damage,Proceeding of the 1

31、3th International Modal AnalysisConference,199519West W.M.Single Point Random Model Test Technique Application to Failure Detection.TheShock and Vibration Bulletin,198220杨智春,于哲峰, 孙浩.一种基于经验模分解的结构微小损伤检测方法 J . 西北工业大学学报, 2005致 谢 历时将近两个月的时间终于将这篇论文写完，在论文的写作过程中遇到了很多的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。尤其要强烈感谢我的论文指导老师陈振华老师，他对我进行了无私的指导和帮助，耐心的介绍实验器材，不厌其烦的帮助进行实验。感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。特别感谢研究生学长给予的悉心指导与关照。感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我很多素材，还在论文的撰写和排版过程中提供热情的帮助。总之少了任何一环节，我