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电磁超声加载方式对Lamb波模态的影响

Lamb波因其指向性好、传播距离远、检测效率高等优点而被广泛应用于构件的无损检测中。但是,Lamb波在激发过程中往往是两个或多个模态同时被激发,而且通常每个模态波包的传播速度不尽相同,这就导致不同模态的Lamb波在后续信号分析中相互干扰,尤其是在缺陷信号的识别中。本文研究了电磁超声激发方式对Lamb波模态的影响,通过对EMAT加载方式的选择实现了对激发Lamb波模态的控制。 

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研究背景
Lamb波是一种激发便捷、检测效率高的超声导波,其已被广泛应用于各种结构件的无损检测和健康监测中。电磁超声Lamb波检测结合了电磁超声检测和Lamb波检测的特点,具有很好的应用前景。Lamb波在激发过程中往往伴随着多种模态的出现,而且每种模态的Lamb波传播速度都不相等,导致其在传播过程中会有多个波包出现。Lamb波多模态的产生,增加了Lamb波检测在回波信号分析、处理中的难度。

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论文所解决的问题及意义
本文根据电磁超声换能器的激发特点和低频段不同模态Lamb波的结构特性,研究电磁超声激发方式对曲折线圈激发Lamb波模态的影响,通过对EMAT加载方式的选择实现对激发Lamb波模态的控制,解决Lamb波的多模态对缺陷检测及识别的影响问题。 

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论文的方法及创新点
本文在分析Lamb波多模态特性的基础上,研究了电磁超声激发方式对Lamb波模态的影响,通过对EMAT加载方式的选择实现了对激发Lamb波模态的控制,增加了对应模态Lamb波的激发效率,并且提高了对非主模态Lamb波的抑制效果,从而减小了后续信号处理的难度,为实际检测中缺陷的识别、定位提供有效信息。 

仿真结果及分析:以激发A0模态为例,对水平加载和垂直加载进行仿真分析。为研究加载方式对Lamb波激发模态的影响,选取接收EMAT正下方距导体表面0.01mm处A点作为观察点,提取该点的面内、面外位移u和v,如图1所示。

图1(a)和图1(b)分别为水平加载情况下,观察点A的面内、面外位移;图1(c)和图1(d)为垂直加载情况下,观察点A的面内、面外位移。图2所示为不同加载方式下的面内、面外位移的幅值。对比不同加载方式下的面内位移或面外位移,可以看出,在两种加载方式下,A0模态Lamb波面外位移均大于面内位移,但是垂直加载方式下对S0模态的抑制效果要比水平加载方式的抑制效果更明显。
电磁超声加载方式对Lamb波模态的影响
(a)水平加载方式下面内位移
电磁超声加载方式对Lamb波模态的影响
(b)水平加载方式下面外位移
电磁超声加载方式对Lamb波模态的影响
(c)垂直加载方式下面内位移
电磁超声加载方式对Lamb波模态的影响
(d)垂直加载方式下面外位移

图1  不同加载方式激发A0模态Lamb波,A点面内、面外位移分布
电磁超声加载方式对Lamb波模态的影响
图2  不同加载方式激发A0模态Lamb波,A点下的面内、面外位移幅值

实验结果及分析:对电磁超声加载方式对Lamb波模态的影响进行相关实验研究。铝板尺寸为300mm×60mm×1mm;激发换能器和接收换能器的中心距离为200mm;脉冲周期数为5,激发频率为1MHz。加载方式对Lamb波模态影响的实验连接图如图3所示。

电磁超声加载方式对Lamb波模态的影响
图3  Lamb波检测实验连接图

对水平加载和垂直加载方式对A0模态Lamb波的影响进行相关实验研究。水平加载方式和垂直加载方式激发A0模态Lamb波的实验结果如图4所示。图4(a)中,S0模态电压峰值为0.002V,A0模态电压峰值为0.024V,S0模态抑制比为21.5 dB;图4(b)中,S0模态电压峰值为0.0086 V,A0模态电压峰值为0.188V,S0模态抑制比为26.79dB。

可以看出,垂直加载方式激发A0模态Lamb波要比水平加载方式下激发A0模态Lamb波效率要高,而且垂直加载方式下S0模态抑制比也较高,这是因为水平加载EMAT结构在非铁磁材料中主要产生水平方向的洛仑兹力;垂直加载EMAT结构在非铁磁材料中主要产生垂直方向的洛仑兹力;由低频段S0、A0波结构分析可知A0模态波的质点振动则以面外位移v为主,所以当采用垂直加载方式时,试件将会产生以面外位移v为主的质点振动,进而更有利于A0模态Lamb波的激发。接收信号经过降噪处理后S0模态Lamb波的幅值很小,实验结果和仿真结果相吻合。

电磁超声加载方式对Lamb波模态的影响
(a)水平加载方式激发A0模态Lamb波实验结果
电磁超声加载方式对Lamb波模态的影响
(b)垂直加载方式激发A0模态Lamb波实验结果
图4 不同加载方式激发A0模态Lamb波实验结果

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结论

本文根据Lamb波对称模式和反对称模式的波结构特点,研究了电磁加载方式对Lamb波模态的影响。仿真和实验结果表明,低频段S0模态以面内位移为主,A0模态以面外位移为主;垂直加载方式有利于A0模态Lamb波的激发,水平加载方式有利于S0模态Lamb波的激发,并且两种加载方式都能更好地抑制非主模态波。
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