基于Lamb波的点扫描无损检测的一种新型互补方法

摘要

提出了一种基于兰姆波的区域扫描损伤识别方法，可作为点扫描无损检测技术的补充。该技术能够在点扫描检测前识别出最可能的损伤位置，从而减少了检测时间和成本。将试件表面划分为若干较小的区域，并对每个区域存在的损伤概率进行了评估。兰姆波模式的产生和收集使用一个移动的手工传感器设置在每个区域。在此基础上，定义了基于捕获响应能量的损伤存在概率指数(DPPI)。DPPI值最高的区域表示试件中最可能发生损伤的位置。一旦发现这些区域，就可以使用点扫描非破坏性方法来详细识别损伤。通过预测铝板穿透孔和裂纹等典型损伤最可能发生的位置，验证了该方法的有效性。所获得的实验结果表明，所开发的方法在确定结构中最可能的损伤位置方面具有很高的潜力。

1.介绍

结构的无损检测，以识别可能发生的隐藏缺陷，在其运行过程中，由于突然的冲击或疲劳载荷下的连续累积缺陷，一直是巨大的工业利益。这些缺陷对结构的可靠性是一个真正的威胁，因为它们可以迅速增长，导致整个系统的灾难性故障。因此，为了确定结构缺陷的位置和尺寸，已经进行了大量的工作，这对进一步研究损伤结构的剩余寿命或剩余强度是至关重要的。这项工作总是与无损技术的发展并行进行的[1］．目前正在努力寻找最可靠的无损探伤方法来完成这项任务。

点扫描无损检测，如超声波，提供试样的诊断图像，详细地突出损伤[2］．然而，由于需要对试件进行二维扫描，因此超声波检测是一个耗时的过程。

即使在具有高衰减比的材料(如CF/EP复合材料)中，兰姆波也具有良好的传播能力，并且对结构损伤非常敏感，因此，兰姆波最近被研究为建立新型NDE工具的一种手段[3.］．当促动器产生兰姆波并与损伤发生碰撞时，会发生四面八方的散射。这种由传感器收集的散射波可以用来研究损伤。这样，兰姆波可以对试件进行区域扫描检测，可以作为点扫描无损检测的补充方法，最大限度地缩短检测时间。

兰姆波最早是由兰姆于1917年在理论上描述的[4］．它们是指在具有自由边界的固体板中产生的弹性波，其位移对应于不同的基本传播模式:对称和反对称。在霍勒斯·兰姆关于兰姆波存在的理论很久之后，Firestone和Ling 1951首次成功地在实验上在板上产生了兰姆波[5］．如今，兰姆波可以通过多种方法主动产生和收集，如超声探头与角度可调的有机玻璃楔相结合[6];赫兹接触式传感器[7];激光超声(LBU)产生兰姆波和激光干涉仪采集兰姆波[8];压电锆钛酸铅(PZT)元件[9];和数字间换能器，如聚偏氟乙烯(PVDF)压电聚合物膜[10］．

Worlton [11是第一个证明兰姆波在无损检测中的几个应用的人。他展示了兰姆波识别水中金属表面附近多种类型缺陷的能力。稍后Lehfeldt和Höller [12]利用大面积探头和长声脉冲实验在16毫米厚的热轧钢板上产生兰姆波。他们研究了不同的兰姆模态在板边缘的反射，用于厚板层合检测。迪特里等人[13研究了不同的兰姆波模态(对称和反对称)在板内的能量分布，并试图预测模态是否对给定深度的裂纹敏感。Ghosh等人[14研究了兰姆波在大板中的传播及其在内部缺陷识别中的应用。他们确定了兰姆模式，这是最有效的检测不同类型的内部缺陷。Silva等人[15研究了基于激光的非接触超声技术在飞机铝结构中的隐藏腐蚀检测。他们通过记录涂层的损失来确定是否存在背表面腐蚀接近截止频率的模式。

Wilcox等[16[发展了一种快速预测色散波包传播速度的方法。结果表明，波包的持续时间随传播距离的增加而线性增加。Pruell等人[17[发展了一种用非线性导波表征金属板疲劳损伤的实验方法。在这项研究中，他们已经表明兰姆波可以使用建立的高谐波产生技术来定量评估塑性驱动疲劳损伤。

本研究提出了一种基于兰姆波的区域扫描无损检测方法，可作为点扫描方法(如超声检测)的补充方法。将试件表面划分成大小相同的区域，通过定义损伤存在概率指数(DPPI)对每个区域的损伤存在概率进行评估。DPPI值最高的区域突出了试件中最可能发生损伤的位置。一旦发现这些区域，就可以使用点扫描非破坏性方法来详细识别损伤。通过预测铝板穿透孔和裂纹等典型损伤的最可能位置，验证了该方法的有效性。

2.区域扫描无损检测方法

当兰姆波入射到损伤或结构边界时，就会发生波散射。因此，捕获的信号在时域上可以由三个部分组成，分别是直接来自驱动器的波、损伤散射波和来自结构边界的反射波。损伤散射波可以用来研究损伤，通常是通过将当前信号与基线进行比较得到的。然而，这种过程很容易受到环境和操作变化的影响，特别是当信号通过移动传感器采集时。为了克服这一困难，本研究提出了一种无基线的方法。因此，传感器放置在非常接近驱动器的传感器设置，以捕捉从损伤反射回来的波。这样，执行器和传感器之间的距离很短，直接来自执行器的波只传播了很短的时间，几乎出现在捕获信号的最开始，如图所示1．该结构的表面被分割成一些相同大小的半径的全圆形区域(区域可以互相覆盖)如图所示2．圆形面积的大小取决于所需的精度。选择较小的区域可以提高精度，但增加了NDE过程的时间。由于传感器组可以在结构上轻松移动，因此可以将其放置在圆形区域的中心，以检查每个区域存在损伤的概率。为此，对于每个区域，将当前信号作为时间窗口(和为所选模态速度)。这种信号不包括边界反射。在没有损坏的区域捕获的信号只包括直接来自驱动器的波(见图)3(一个))，而，如图所示3 (b)，在受损区域捕捉到的声波除了来自驱动器的直接声波外，还包括受损散射波。可见，损伤区域采集到的信号能量高于未损伤区域采集到的信号能量。由于损伤越严重，损伤散射越强，因此损伤越严重的区域采集到的信号能量要高于没有损伤或微小损伤的区域。因此，可以根据在该区域捕获的电流信号的能量为每个区域引入损伤概率存在指数(DPPI)。由于信号的均方根(RMS)与信号的能量有关，因此可以将DPPI引入为电流响应的均方根，如下所示: 在哪里是否该区域的损害概率存在指数，是捕获信号的数量，和是信号的均方根吗在该地区获得，可计算为: 在哪里信号的振幅是在 和为数据点的个数。

如图所示2在美国，靠近建筑边缘的一些部分并没有被这些完整的圆形区域覆盖。为了对这些零件进行检查，我们将结构边缘附近的区域用一些相同大小的半圆形区域进行了分割，如图所示4．如果换能器组被放置在靠近结构边界的半圆弦杆中间，捕获的信号包括直接来自执行器的波和第一次结构边界反射。如果在这些半圆形区域存在任何损伤，捕获的信号除了直接来自驱动器和第一个结构边界反射的波外，还将包括损伤散射波。因此，损伤区域采集到的信号能量高于未损伤区域。与全圆形区域一样，对于每个半圆形区域，DPPI可以使用(1)．需要注意的是，由于半圆形区域的捕获信号与全圆形区域的捕获信号不同，因此必须相互比较这些区域的DPPI，以突出靠近结构边界的最可能的损伤位置。

当DPPI值最高的区域确定后，将使用点扫描无损技术来详细识别损伤。这个过程从DPPI值最大的区域开始。一旦该区域的损伤被量化，NDE工程师根据定义的损伤的严重程度以及结构的应用，可以决定是否有必要监测其他DPPI值较低的区域。

3.实验装置

为了在结构中产生和采集兰姆波，设计了一套移动式手工换能器。在设计这种换能器时，必须考虑其灵活性，因为换能器在结构上可以很容易地移动，在结构的不同位置激发和收集兰姆波。在换能器中，一个传感器与驱动器相结合，捕捉从损伤中反射回来的波。该换能器采用压电片(APC 851)，其直径和厚度分别为6.6 mm和0.24 mm。压电片的性能如表所示1．PZT传感器和执行器连接到底部的独立持有人。两个螺丝穿过顶部的方板，保持支架的平衡。数字5显示所设计的传感器组。为了方便信号的分离过程，只有结构中产生了兰姆波的模态。为了达到这个目的，一种润滑脂润滑剂被应用在执行器的底面下。这样，执行器就会对板产生强烈的垂直压力来激励板减小驱动器与板之间的剪切力，减小驱动器与板之间的剪切力模式。通过运用以上技巧，一个纯粹的模式可以被激发。

使用任意波形产生单元(Agilent 33220A)在中心频率为50 kHz的Hanning窗口中产生一个5周期的正弦波突发。使用线性放大器(T&C power conversion, Inc.， AG系列)将模拟信号放大到85 (V)，依次驱动每个PZT驱动器。使用示波器(Agilent DSO5032A)以10 MHz的采样率捕获波信号。采样信号传输到中央处理单元进行进一步分析。的本文假设模态速度为常数。

4.应用程序

在本节中，两个选定的实验研究将展示所开发的方法检测结构中最可能的损伤位置的能力。

一块铝板(1000mm × 1000mm × 3mm)沿其四边固定在测试台上。一个全厚度洞，如图6．结构的表面被分割成相同大小的圆形区域，半径为20厘米，如图所示2．传感器组放置在如下区域的中心(如图:A1, A2，…，A16区域)6)来产生和收集每个区域的兰姆波。信号采集位置如表所示2．的实验定义了铝板在50 KHz时的速度(米/秒)。因此，在每个区域，电流信号为时间窗收集。对采集到的信号进行归一化处理，以补偿不同位置传感器之间的性能差异。设置在A8和A10区域中心的传感器采集到的典型响应如图所示7．不同地区的DPPI是用(1)，如图所示8．如图所示8，当传感器组放置在区域A10的中心时，DPPI的最大值被定义。因此，如图所示9，最可能的损伤位置是A10区域，该区域包括真实的孔洞，表明了该方法在突出结构最可能的损伤位置方面的有效性。由于在A6和A11区域采集的信号也可以感知到损伤散射波，因此这些区域的DPPI值比在这些区域采集的信号不包括损伤散射波的其他区域要多。但由于A10区域与A6、A11区域中心的线性距离较低，因此A10区域的DPPI值大于A6、A11区域的DPPI值。

作为上述应用的延伸，使用该方法在与之前研究相同尺寸的铝板上识别穿厚裂纹(长25 mm，宽1.5 mm)，如图所示10．同样的过程被用于识别最有可能的损伤位置。数字11给出了含贯通裂纹铝板不同全圆区域的DPPI。从图中可以看出11，当传感器设置在A3区域的中心时，DPPI的最大值被定义。因此，如图所示12最可能的损伤位置是A3区域，其中包括真实的穿透层裂纹，再次证明了该方法在突出结构中最可能的损伤位置方面的有效性。

也是值得提到的事件虽然兰姆波在分层等内部损坏导致较低的散射振幅与表面损伤相比,仍然信号的能量收集地区的内部攻击高于地区没有伤害。因此，使用这种技术也可以检测到这种损伤。

5.结论

在本研究中，开发了一种基于兰姆波的区域扫描无损检测方法，在点扫描测试之前识别出最可能的损伤位置。将试件表面划分为若干较小的区域，并对每个区域存在的损伤概率进行了评估。为了这个目的在每个区域使用一个移动的手工传感器组生成和收集兰姆波的模态。随后，基于捕获的响应能量定义了每个区域的损伤存在概率指数(DPPI)。DPPI值最高的区域突出了试件中最可能发生损伤的位置。传统的点扫描无损检测方法，如超声波检测，可以用来详细描述损伤。通过对两种损伤案例的分析，包括结构板的穿厚孔和裂纹，已经证明了所开发的方法在确定结构中最可能的损伤位置方面的有效性，这使所提出的方法成为对其他传统点扫描NDE方法的适当补充，从而减少了无损评估的时间和成本。

利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

致谢

国家自然科学基金资助项目(no . 11172053, no . 91016024);教育部新世纪优秀人才资助项目(no . NCET-11-0055);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(no . DUT12LK33)。

参考文献

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