技術(shù)文章

　　實(shí)驗(yàn)名稱：基于Lamb波的合成孔徑無損探傷方法的研究

　　研究方向：在掌握了Lamb波在薄鋁板中的傳播模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)洛侖茲力的Lamb波的激發(fā)原理，設(shè)計(jì)出了能夠激發(fā)單一A0模態(tài)Lamb波的EMAT換能器，并結(jié)合Lamb波的傳播特點(diǎn)與被檢測的板材的結(jié)構(gòu)特征，提出了一種新的基于傅立葉域的合成孔徑聚焦成像算法，并利用此算法完成了鋁板中方形通孔的損傷成像實(shí)驗(yàn)。

　　實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/strong>設(shè)計(jì)專用EMAT換能器能激發(fā)單一模態(tài)Lamb波，并且本文提出的改進(jìn)的合成孔徑聚焦成像算法能顯著提高板狀材料損傷成像的分辨率。這為Lamb波的單一模態(tài)激發(fā)，為Lamb波在板中損傷成像的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。

　　測試設(shè)備：射頻功率放大器、前置放大器、示波器、換能器

　　實(shí)驗(yàn)過程：

　　先制作完成EMAT換能器，在進(jìn)行Lamb波激發(fā)實(shí)驗(yàn)之前，首先要完成實(shí)驗(yàn)環(huán)境的搭建。由于EMAT換能器換能效率較低，需要配備合理的模擬設(shè)備，處理接收到的回波，其中包括放大，濾波等過程。下圖表示的是Lamb波激發(fā)實(shí)驗(yàn)示意圖：

　　從圖中可以看出，實(shí)驗(yàn)的被測薄板是1mm厚的鋁板，通入EMAT換能器的激勵(lì)信號為周期為7的脈沖激發(fā)信號，由信號發(fā)生器產(chǎn)生，頻率為132kHz的脈沖激發(fā)信號。信號源產(chǎn)生的輸入信號沒有直接加載給發(fā)射EMAT換能器，中間由型號為ATA-8035射頻放大器進(jìn)行驅(qū)動，而后，輸入到曲折線圈的脈沖激發(fā)信號與被測金屬樣品中感應(yīng)出的渦流與永久磁鐵提供的磁場產(chǎn)生的洛侖茲力驅(qū)動板中的粒子振動，振動以波的形式向前傳播。傳播的信號被接收換能器捕捉，并經(jīng)由前置放大器進(jìn)行放大之后，以二進(jìn)制的形式存儲在示波器中。實(shí)驗(yàn)探頭由兩個(gè)EMAT換能器組成（發(fā)射EMAT換能器和接收EMAT換能器），實(shí)驗(yàn)采用的收發(fā)方式為Pitch-Catch類型。

　　1）選取三個(gè)激發(fā)頻率產(chǎn)生A0模態(tài)波，選擇的依據(jù)分別為130kHz（最佳激發(fā)頻率附近），110kHz（低于最佳激發(fā)頻率），150kHz（高于最佳激發(fā)頻率），進(jìn)行三組對照試驗(yàn)，驗(yàn)證最佳激發(fā)頻率的正確性。

　　2）為了使試驗(yàn)結(jié)果更具有說服力，本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行A0模態(tài)波的掃頻實(shí)驗(yàn)，并采集記錄A0模態(tài)Lamb波的峰值，完成對照試驗(yàn)，以保證每個(gè)波包的分析確認(rèn)。

　　圖：A0模態(tài)Lamb波在不同激發(fā)頻率下的波形圖

　　從上圖中可以看出，產(chǎn)生最大幅值A(chǔ)0模態(tài)Lamb波的中心頻率為132kHz。而低于最佳激發(fā)頻率或者高于最佳激發(fā)頻率的A0模態(tài)Lamb波信號都較弱，這進(jìn)一步驗(yàn)證了前面曲折線圈設(shè)計(jì)的正確性以及激發(fā)頻率計(jì)算的準(zhǔn)確性。

　　為了避免出現(xiàn)誤差，然后又進(jìn)行了掃頻實(shí)驗(yàn)。當(dāng)激發(fā)頻率從100kHz以1Hz的變化增長到150kHz是，接收EMAT換能器首次接收到的A0模態(tài)回波的峰值信息如下圖所示：

　　圖：首次接收到的A0模態(tài)波峰值隨頻率的變化關(guān)系

　　當(dāng)激發(fā)頻率以在100KHz-160KHz逐漸變化時(shí)，接收EMAT換能器首次接收到的A0模態(tài)峰值隨著頻率的增加先增加后減少，并在132kHz是達(dá)到峰值，其最大的幅值大小為0.0502mv，這進(jìn)一步驗(yàn)證了3.3小節(jié)理論分析最佳激發(fā)頻率的準(zhǔn)確性，為后面A0模態(tài)Lamb波做無損檢測實(shí)驗(yàn)提供了理論基礎(chǔ)。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

　　Lamb波模態(tài)識別常用的方法是利用群速度和頻厚積之間的關(guān)系，通過波形傳播的時(shí)間來計(jì)算對應(yīng)模態(tài)波的傳播速度，或者根據(jù)波包所在位置判斷該次波包是否為端面反射回波，然后，在對波形進(jìn)行頻域分析，計(jì)算A0模態(tài)波的中心頻率，并與實(shí)驗(yàn)設(shè)置的激發(fā)頻率進(jìn)行對比，進(jìn)而對波形的模態(tài)和每個(gè)出現(xiàn)在回波信號上的波包進(jìn)行識別。

　　下圖表示的是激發(fā)中心頻率為132kHz時(shí)接收到的回波信號：

　　圖：132kHz頻率下接收到的A0模態(tài)Lamb波回波信號

　　下圖表示的是激發(fā)中心頻率為132kHz時(shí)的回波頻譜信號分析圖：

　　圖：132khz下的A0模態(tài)Lamb波頻譜分析

　　實(shí)驗(yàn)所得的信號中心頻率為130kHz，與實(shí)驗(yàn)計(jì)算的最佳激發(fā)頻率132kHz相差無幾，誤差僅為1.5%，理論群速度和實(shí)驗(yàn)所得的群速度誤差為4.2%。因此，在誤差允許的范圍內(nèi)可以認(rèn)為，該實(shí)驗(yàn)接收到的回波信號為單一A0模態(tài)Lamb波信號。

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