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摘要：针对铝板中的缺陷，采用空耦超声法对铝板进行检测。以特定入射角、接收角在薄板中激励兰姆波，对接收信号进行二维傅里叶变换以识别信号模态。对薄板中存在的缺陷，利用缺陷反射信号进行B扫成像，结果显示，低阶兰姆波模态均可有效识别出铝板中的缺陷，但A0模态比S0模态更适合应用于空耦的检测。
关键词：空气耦合超声;兰姆波;铝板;缺陷检测
0 引言
铝合金薄板因其具有优秀的特性而被广泛应用于各工业领域，但薄板在役期间会受到各种外部条件的影响，诸如外部应力、化学腐蚀等，进而会在铝板表面和内部产生裂纹、缺陷，这不仅会影响构件的使用寿命，还会导致灾害发生，影响人们的生命、财产安全。因此，必须定期对薄板构件进行无损检测。
在各种无损检测方法中，超声法因其具有检测范围广、检测成本低、检测精度高等特点而受到广泛关注。传统的接触式超声法需要将换能器贴合被测样品，并在样品和探头间填充耦合液，受到耦合条件的限制，接触式超声法难以实现高效的薄板大面积检测。而空气耦合超声检测技术具有无须耦合剂、无须接触构件、可实现构件的快速扫描等特点，因而在铝合金薄板的检测中具有突出优势以及重要的应用价值[1-2]。
目前，在板形构件的大面积无损检测中，最常见的超声法是利用兰姆波进行检测[3]。兰姆波是在薄板中传播的一种导波形式，具有多个模态，其中又以低阶模态（S0、A0模态）应用较广，因此本文应用空耦探头激励低阶兰姆波模态对铝板进行检测，以验证空耦低阶兰姆波对缺陷的检测能力。
1 兰姆波的频散效应
在弹性薄板中传播的兰姆波的频散关系式被称为瑞利-兰姆方程，如下所示[4]：
对于兰姆波对称模态：
■=-■ （1）
对于兰姆波反对称模态：
■=-■ （2）
其中：
p2=■2-k2 （3）
q2=■2-k2 （4）
式中：h为1/2板厚;CL为纵波声速;CT为横波声速;k为波数;ω为角频率。
实验样品的材料为铝合金，取铝合金中纵波的传播速度为6 340 m/s，横波的传播速度为3 140 m/s。通过Matlab编程求解方程（1）和（2），可得到兰姆波的相速度频散曲线，如图1所示。
图1中An（n为正整数）代表反对称模态，Sn代表对称模态。从图1可以看到，当频厚积小于1.5 MHz·mm时，仅存在A0和S0两种模态，随着频厚积的增大，兰姆波模态数量也在增多。为了能在薄板中激励出良好的单一模态，实验采用斜入射的方法在薄板中激励目标兰姆波模态。声波从空气中传播进入薄板这一过程中的入射角满足斯涅耳定律：
sin θ=c/cp （5）
式中：θ为声波入射角度;c为空气中的声速;cp为相速度。
将兰姆波的相速度代入公式（5）中，取空气中的声速为340 m/s，可绘制出兰姆波的入射角频散曲线，如图2所示。由图2可知，当探头激励频率、板厚确定后，可以通过调整探头的入射角来激励出良好的目标模态。
2 实验方法
实验系统分为硬件和软件两部分。硬件部分由函数发生器、脉冲放大器、电动机、示波器、前置信号放大器、空气耦合探头以及计算机等组成，软件部分则为LabVIEW编写的自动控制程序。铝板尺寸为450 mm×350 mm×3 mm，在铝板中设置了3个直径均为10 mm的圆形人工缺陷，每个缺陷之间的间隔为100 mm。
空耦探头的中心频率为480 kHz，与薄板厚度相乘可得频厚积为1.44 MHz·mm。由图2可以确定，在这一频厚积下只存在兰姆波A0和S0模态，激励单一A0模态需要的入射角度为8°，而激励单一S0模态则需要4°，在本文中接收探头的接收角始终与发射探头的入射角保持一致。在缺陷检测前，首先应确定以特定入射角能否在薄板中激励出良好的目标模态，因此，将发射、接收探头正对放置，探头的入射角度调整为8°，以480 kHz、8个周期的正弦激励信号激励，得到如图3（a）所示的超声信号。以1 mm步距移动接收探头，采集120个点的信号，并对信号集做二维傅里叶变换，得到图3（b）。从图3（b）可以看出，实验采集的兰姆波信号与理论频散曲线中的A0模态曲线吻合良好，因此可以判断图3（a）中的信号为A0模态。同样的实验步骤下，将探头入射角调整为4°，得到的信号如图4（a）所示。而从图4（b）可看出，4°入射角下可激励出良好的兰姆波S0模态信号。比較图3、图4，发现在相同激励条件下，A0模态的振幅会大于S0模态，主要原因在于A0模态的离面位移大于S0模态[5]。
为了更好地对缺陷进行定位分析，本文利用缺陷反射信号进行成像。将两个空耦探头放在缺陷同一侧，激励信号同上，探头组以1 mm步距沿着薄板边界对铝板进行扫查。在不同入射角下激励A0和S0模态分别对铝板进行B扫成像，成像结果如图5、图6所示。图中的亮点代表缺陷，可以看出，无论是A0模态还是S0模态均能识别出铝板中的缺陷，证明了空气耦合低阶兰姆波对缺陷具有良好的敏感性。而从成像效果来看，A0模态的成像质量以及横向分辨率更高，因此A0模态比S0模态更适合应用于空耦的薄板检测。
3 结论
（1）对特定入射角、接收角在薄板中激励出的信号进行二维傅里叶变换并与理论频散曲线进行对比，确认通过调整空气耦合超声探头的斜入射角可以激励出单一的低阶兰姆波模态。
（2）利用低阶兰姆波对有缺陷的薄板进行B扫成像。结果表明，兰姆波低阶模态可以有效识别薄板中的缺陷，但A0模态比S0模态更适用于空耦兰姆波成像。
[参考文献]
[1] 孟翔震，李再帏，朱文发，等.基于空耦超声Lamb波的金属板状结构内部缺陷检测方法[J].应用声学，2020，39（2）：316-324.
[2] 张继敏，周晖，刘奎.航空复合材料多层蜂窝夹芯结构的空气耦合式超声检测技术研究[J].复合材料科学与工程，2020（9）：74-78.
[3] 周正干，冯占英，高翌飞，等.超声导波在大型薄铝板缺陷检测中的应用[J].航空学报，2008，29（4）：1044-1048.
[4] 郑祥明，赵玉珍，史耀武.兰姆波频散曲线的计算[J].无损检测，2003，25（2）：66-68.
[5] 万陶磊，常俊杰.基于连续小波变换的薄板损伤空气耦合兰姆波成像检测[J].无损检测，2019，41（11）：43-47.
关键词：空气耦合超声;兰姆波;铝板;缺陷检测
0 引言
铝合金薄板因其具有优秀的特性而被广泛应用于各工业领域，但薄板在役期间会受到各种外部条件的影响，诸如外部应力、化学腐蚀等，进而会在铝板表面和内部产生裂纹、缺陷，这不仅会影响构件的使用寿命，还会导致灾害发生，影响人们的生命、财产安全。因此，必须定期对薄板构件进行无损检测。
在各种无损检测方法中，超声法因其具有检测范围广、检测成本低、检测精度高等特点而受到广泛关注。传统的接触式超声法需要将换能器贴合被测样品，并在样品和探头间填充耦合液，受到耦合条件的限制，接触式超声法难以实现高效的薄板大面积检测。而空气耦合超声检测技术具有无须耦合剂、无须接触构件、可实现构件的快速扫描等特点，因而在铝合金薄板的检测中具有突出优势以及重要的应用价值[1-2]。
目前，在板形构件的大面积无损检测中，最常见的超声法是利用兰姆波进行检测[3]。兰姆波是在薄板中传播的一种导波形式，具有多个模态，其中又以低阶模态（S0、A0模态）应用较广，因此本文应用空耦探头激励低阶兰姆波模态对铝板进行检测，以验证空耦低阶兰姆波对缺陷的检测能力。
1 兰姆波的频散效应
在弹性薄板中传播的兰姆波的频散关系式被称为瑞利-兰姆方程，如下所示[4]：
对于兰姆波对称模态：
■=-■ （1）
对于兰姆波反对称模态：
■=-■ （2）
其中：
p2=■2-k2 （3）
q2=■2-k2 （4）
式中：h为1/2板厚;CL为纵波声速;CT为横波声速;k为波数;ω为角频率。
实验样品的材料为铝合金，取铝合金中纵波的传播速度为6 340 m/s，横波的传播速度为3 140 m/s。通过Matlab编程求解方程（1）和（2），可得到兰姆波的相速度频散曲线，如图1所示。
图1中An（n为正整数）代表反对称模态，Sn代表对称模态。从图1可以看到，当频厚积小于1.5 MHz·mm时，仅存在A0和S0两种模态，随着频厚积的增大，兰姆波模态数量也在增多。为了能在薄板中激励出良好的单一模态，实验采用斜入射的方法在薄板中激励目标兰姆波模态。声波从空气中传播进入薄板这一过程中的入射角满足斯涅耳定律：
sin θ=c/cp （5）
式中：θ为声波入射角度;c为空气中的声速;cp为相速度。
将兰姆波的相速度代入公式（5）中，取空气中的声速为340 m/s，可绘制出兰姆波的入射角频散曲线，如图2所示。由图2可知，当探头激励频率、板厚确定后，可以通过调整探头的入射角来激励出良好的目标模态。
2 实验方法
实验系统分为硬件和软件两部分。硬件部分由函数发生器、脉冲放大器、电动机、示波器、前置信号放大器、空气耦合探头以及计算机等组成，软件部分则为LabVIEW编写的自动控制程序。铝板尺寸为450 mm×350 mm×3 mm，在铝板中设置了3个直径均为10 mm的圆形人工缺陷，每个缺陷之间的间隔为100 mm。
空耦探头的中心频率为480 kHz，与薄板厚度相乘可得频厚积为1.44 MHz·mm。由图2可以确定，在这一频厚积下只存在兰姆波A0和S0模态，激励单一A0模态需要的入射角度为8°，而激励单一S0模态则需要4°，在本文中接收探头的接收角始终与发射探头的入射角保持一致。在缺陷检测前，首先应确定以特定入射角能否在薄板中激励出良好的目标模态，因此，将发射、接收探头正对放置，探头的入射角度调整为8°，以480 kHz、8个周期的正弦激励信号激励，得到如图3（a）所示的超声信号。以1 mm步距移动接收探头，采集120个点的信号，并对信号集做二维傅里叶变换，得到图3（b）。从图3（b）可以看出，实验采集的兰姆波信号与理论频散曲线中的A0模态曲线吻合良好，因此可以判断图3（a）中的信号为A0模态。同样的实验步骤下，将探头入射角调整为4°，得到的信号如图4（a）所示。而从图4（b）可看出，4°入射角下可激励出良好的兰姆波S0模态信号。比較图3、图4，发现在相同激励条件下，A0模态的振幅会大于S0模态，主要原因在于A0模态的离面位移大于S0模态[5]。
为了更好地对缺陷进行定位分析，本文利用缺陷反射信号进行成像。将两个空耦探头放在缺陷同一侧，激励信号同上，探头组以1 mm步距沿着薄板边界对铝板进行扫查。在不同入射角下激励A0和S0模态分别对铝板进行B扫成像，成像结果如图5、图6所示。图中的亮点代表缺陷，可以看出，无论是A0模态还是S0模态均能识别出铝板中的缺陷，证明了空气耦合低阶兰姆波对缺陷具有良好的敏感性。而从成像效果来看，A0模态的成像质量以及横向分辨率更高，因此A0模态比S0模态更适合应用于空耦的薄板检测。
3 结论
（1）对特定入射角、接收角在薄板中激励出的信号进行二维傅里叶变换并与理论频散曲线进行对比，确认通过调整空气耦合超声探头的斜入射角可以激励出单一的低阶兰姆波模态。
（2）利用低阶兰姆波对有缺陷的薄板进行B扫成像。结果表明，兰姆波低阶模态可以有效识别薄板中的缺陷，但A0模态比S0模态更适用于空耦兰姆波成像。
[参考文献]
[1] 孟翔震，李再帏，朱文发，等.基于空耦超声Lamb波的金属板状结构内部缺陷检测方法[J].应用声学，2020，39（2）：316-324.
[2] 张继敏，周晖，刘奎.航空复合材料多层蜂窝夹芯结构的空气耦合式超声检测技术研究[J].复合材料科学与工程，2020（9）：74-78.
[3] 周正干，冯占英，高翌飞，等.超声导波在大型薄铝板缺陷检测中的应用[J].航空学报，2008，29（4）：1044-1048.
[4] 郑祥明，赵玉珍，史耀武.兰姆波频散曲线的计算[J].无损检测，2003，25（2）：66-68.
[5] 万陶磊，常俊杰.基于连续小波变换的薄板损伤空气耦合兰姆波成像检测[J].无损检测，2019，41（11）：43-47.