超声导波检测技术的研究进展

　　相对于传统的超声波检测技术,超声导波具有传播距离远、速度快的特点,因此,在大型构件(如在役管道)和复合材料板壳的无损检测中有良好的应用前景。但目前,导波的一些机理和特性仍然不很清楚,导波的理论研究成为近年来无损检测界的热点。随着理论研究的深入,产生了很多有关导波的新技术,促使其应用于更广泛的领域。

　　1　导波的分类

　　导波是由于声波在介质中的不连续交界面间产生多次往复反射,并进一步产生复杂的干涉和几何弥散而形成的。主要分为圆柱体中的导波以及板中的SH波、SV波、兰姆波(Lamb)和漏兰姆波[1]等。

　　根据Silk和Bainton的理论[2],圆柱体中的导波分为①轴对称纵向模式L(0,m)(m=1, 2, 3,…)。②轴对称扭转模式T(0,m)(m=1, 2, 3,…)。③非轴对称弯曲模式F(n, m)(n,m=1,2,3,…)。各模式中整数m是计数变量,反映该模式在管壁厚方向上的振动形态;整数n反映该模式绕管壁螺旋式传播形态。其中,L(0,m)和T(0,m)模式是F(n, m)模式中n=0的特例。

　　虽然上述定义已被广泛接受,但是针对某些具体问题,研究人员也提出了不同的导波分类方法,以利于分析在具体问题中表现出来相似特征的导波模式。如Vogt T等[3]在研究部分埋地圆柱体结构中的导波散射问题时提出了单一(v, n)模式,其中v≥1对应原弯曲模式;v=0对应原纵波和扭转模式。

　　两种模式用计数变量n区别。两种定义方式的模式,(0,1)对应L(0,1),(0,2)对应T(0,1),(0,3)对应L(0,2),(0,4)对应T(0,2)等。

　　2　频散特性与频散方程

　　频散是导波的主要特性之一,即导波的相速度随着频率的不同而不同。频散特性是导波应用于复合材料无损检测的主要依据。对导波频散特性的研究是深入研究导波本质的重要方面。导波的频散方程反映了导波的频散特性。

　　2.1　波导材料

　　导波在介质中的传播特性与介质特性有很大关系。目前的研究已经不仅仅局限于导波在各向同性弹性介质中的传播特性,还涉及到各向异性和具有黏弹性的材料。

　　由广义虎克定律可知,固体媒质的弹性性质可以由36个弹性系数Cij(i, j=1~6)表示。具有对称性的介质,相应的弹性系数减少。对于各向同性固体,弹性系数的值只有拉密常数λ和μ不为零。

　　对于各向同性的材料,其相速度面是球面,而对于各向异性的材料,其相速度面是非球面[4]。Lowe MJS等[5]在对航空碳纤维蒙皮板进行检测时发现,导波在各向异性材料中传播时,其频散方程为F(s′, s″,φ,ω) =0(1)

式中　s′———慢度矢量(群速度的倒数)

　 　s″———衰减矢量

　　 φ———相位的方向