基于Lamb波频率调谐和相控阵的金属板损伤检测研究

作     者：崔媛智 

作者单位：江苏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：骆英

授予年度：2016年

学科分类：07[理学] 082403[工学-水声工程] 08[工学] 070206[理学-声学] 0824[工学-船舶与海洋工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：超声Lamb波 S0模态 线性超声相控阵 阵列参数优化 损伤成像 

摘      要：薄壁结构(飞机机壳、工业容器等)是工程应用中最常见的结构形式之一,由于其在生产制造过程中不可避免会产生内部缺陷,及使用过程中受到外界载荷与环境侵蚀都会危害结构安全性,从而给生产安全和国民经济带来危害。因此板状结构的无损检测技术研究具有重要的工程实际意义。相比于其他各类常规检测方法,基于超声Lamb波的结构无损检测方法具有检测范围大、对各类微小损伤敏感等优势,得到较为广泛的应用。但是由于Lamb波的多模态以及频散特性,会对损伤检测结果的精度造成一定影响。因此本文将超声Lamb波应用于线性相控阵列损伤检测研究中,采用频率调谐理论,获得频散效应弱的S模态超声Lamb波,针对金属板中不同位置和不同形状的损伤,进行直观的成像定位,得到了较准确的损伤评估信息。本文所研究的基于线性相控阵列的超声无损检测方法可以应用于板状结构的实际检测中,为各类大型板状结构长期稳定工作提供理论指导和实验支持。本文主要研究工作包括:首先,对板中超声Lamb波的基本理论进行推导,明晰了超声Lamb波的传播特征。对超声Lamb波的频散效应和多模态特征进行理论研究,得出超声Lamb波的频散曲线。研究压电晶片换能器与板结构耦合激励超声Lamb波的机制,使用频率调谐理论,通过解析计算获得激励频率与超声Lamb波各模态幅值分布之间的关系,并进行了实验测试验证,建立超声Lamb波中频散效应较弱的S模态的选择依据及选择方法。其次,基于超声Lamb波传播速度快、距离远、能量衰减小等特性,研究相适应的一维线性相控阵阵列,对阵列参数进行优化设计,通过探究阵列中阵元数量、阵元类型、阵元间距及阵元尺寸等线阵参数对线性阵列空间指向性的影响,优化设计出最佳的线性相控阵结构参数,提升声束主瓣能量,抑制声束旁瓣和栅瓣,提高损伤检测的精度和相控阵成像质量。对超声相控阵驱动原理和延时计算进行了数学推导,对超声相控阵检测原理和成像原理也进行了介绍和解释。建立了基于超声Lamb波的线性相控阵逐点聚焦扫描损伤成像算法。最后,基于COMSOL仿真平台,建立仿真数值模型对预置损伤进行损伤定位并成像,验证逐点扫描损伤成像算法的有效性。基于仿真数值模拟的研究结果,构建实验检测平台,采用一维线性相控阵结合超声Lamb波频率调谐技术对薄铝板内部不同位置及不同形状的损伤进行检测,并对预置损伤实现定位和成像分析,与仿真数值模拟结果进行对比,总结分析出实验与仿真模型的差异,探究偏差产生的影响因素。