超声导波在大型薄铝板缺陷检测中的应用

　　对于板壳结构,常规的超声检测方法是超声C扫描法,也就是用探头对被测工件进行逐点扫描,形成C扫描图像,从而检测工件是否存在缺陷。当被测工件较大时,C扫描方法很费时,效率较低。随着大型工件在工业中越来越广泛的应用,需要一种高效便捷的检测方法对其进行快速检测。相对于常规超声波而言,超声导波在薄板中传播距离较远,可用线扫描方法对工件进行快速检测,从而提高检测效率。目前导波已成为超声检测领域研究的热点,应用对象主要为大型板壳、管道和铁轨^[1-6]。本文将着重对薄铝板中导波的特性、理论模型和缺陷检测进行详细论述并验证。

　　1　导波的特性

　　导波是超声波的一种,是由于介质边界的存在而产生的波,导波在传播过程中以反射与折射的方式与边界发生作用,发生横波和纵波间的模态转换,所以导波就呈现出了超声体波所不具有的一些特点。最主要的特征就是频散现象、多模式和较远的传播距离。

　　频散现象是指导波中各频率成分的传播速度不同。对于板中的导波(兰姆波)而言,它的相速度是相同频率成分波的波前传播速度,其群速度是不同频率所组成的波包的传播速度两者都是板厚与频率乘积的函数。多模式是指导波以多种模式在波导内传播。薄板中的导波分为对称和反对称模式两大类,对称模式有S0,S1,…,反对称模式有A0,A1,…,利用导波检测工件缺陷时,回波信号不仅与缺陷有关,还与导波的模式有关。铝板内导波的频散曲线和模式如图1所示(计算条件:铝板中的纵波声速为6 370 m/s,横波声速为3 160 m/s)。另外,导波可以在波导中传播较远的距离,从接收点收到的信号包括了从激发点到接收点的全部信息,这样就可以采用线扫描的方法对工件进行检测,从而提高检测效率。

　　2　薄板内导波的理论分析

　　2·1　理论模型建立及求解

　　图2是在自由板内通过斜入射方法产生导波的示意图。板的上下两表面yu和yd为自由表面。在板的某点处激发超声波,当波传播到板的上、下界面时,会发生波型转换,距探头一定距离后,各种波不再清晰可辨而是叠加成“波包”。对某种特定情况,即给定入射角、厚度d及材料特性,超声波在板内将发生相长干涉,形成某种模式的导波在板内传播。根据弹性力学中的相关理论,此时板中质点的位移和应力满足式(1)表示的运动方程(采用笛卡儿张量符号表示)和式(2)表示的零应力边界条件:

　　式中:μ为剪切模量;λ为板的Lame常数;u为位移分量;ρ为密度;f为体力;σ为应力

　　铝板是各向同性板,对于平面应变问题,根据Helmoholtz分解原理,对式(1)和式(2)进行求解,得到铝板中导波的解[1],如式(3)和式(4),这也就是著名的Rayleigh-Lamb方程。采用二分迭代法求解式(3)和式(4),得出铝板中导波的相速度频散曲线,如图1。群速度cg由式(5)得出