導波結冰探測介紹_南京航空航天大學

2024年3月7日發(fā)(作者：陽光分班)

1. 超聲導波檢測介紹

超聲波檢測一般是指利用超聲波對試件的作用，對反射、透射和散射的波形進行研究，從而對試件進行檢測。由于其適應性廣、設備輕便，在工業(yè)領域應用廣泛。

通常在檢測一些大型結構時，由于探頭需對所檢結構逐點掃描，因此使用傳統(tǒng)的超聲波檢測方法耗時長，檢測效率較慢。超聲導波檢測技術是一種新型的無損檢測技術，其檢測原理是在結構表面某處激勵超聲波，超聲波在結構邊界之內沿著長度方向傳播形成超聲導波，導波遇到結構中的缺陷發(fā)生反射，反射波被傳感器接收便可判斷缺陷的位置。超聲導波與傳統(tǒng)檢測方法的對比見圖1。

圖1 傳統(tǒng)超聲波檢測與超聲導波檢測示意圖

Lamb波是一種厚度和波長同一數量級的由縱波和橫波疊加而成的應力波，由于其經常應用在板狀結構中，也稱為“板波”，是超聲導波中常用的一類。Lamb波能在板結構中遠距離傳播，這為大面積結構的損傷檢測提供了快速、便捷的途徑。Lamb波對結構的檢測方法可分為四個過程：信號激發(fā)、信號傳播、信號采集以及信號分析。

當結構出現不連續(xù)時，如表面損傷、內部分層、厚度變化、邊界等，會引起板結構中的主動檢測信號發(fā)生反射、散射和模式改變等現象。Lamb 波在不同的頻厚積下對應不同的傳播模式。基于 Lamb 波的主動檢測技術就是選擇合適的激勵信號，激勵出對結構損傷最為敏感的Lamb波主動檢測信號，通過對檢測信號的分析及模式處理達到檢測目的。這種損傷檢測方法具有探測距離遠、探傷效率高、速度快以及適用類型多等優(yōu)點。

PZT壓電傳感器具有價廉、靈敏度高、使用方便、技術成熟等優(yōu)點，目前廣泛地用于實驗研究與工業(yè)檢測之中。常見的使用類型是一種基于主動正逆壓電效應的結構損傷檢測方法。該方法就是采用粘貼在結構表面的壓電片(PZT)來檢測結構中的缺陷和損傷。由于PZT壓電片具有正逆壓電效應，所以其在結構中即充當激勵器又充當傳感器。在PZT激勵器上加載Lamb 波信號，信號遇到缺陷和損傷會發(fā)生反射和散射現象；通過傳感器采集到響應信號，對信號進行分析，可以判斷損傷的位置和大小。

2． Lamb波結冰探測

Lamb波的主要特點在于它的多模式和頻散，對特定類型缺陷和特定位置缺陷，用不同模式Lamb波檢測的敏感性是不同的，所以在檢測時選擇合適的模式十分必要。此外，Lamb 波在傳播過程中遇到缺陷和端面時會發(fā)生模式轉換，因此進行準確的Lamb波模式識別是十分重要的。

使用PZT壓電片在鋁板上激發(fā)Lamb波，研究結冰前后的波信號變化。鋁板厚度2mm，壓電片工作頻率為340KHz，在這個頻率上工作的壓電片可以在鋁板中激發(fā)出S0和A0兩種工作模式的Lamb波。首先使用有限元分析方法模擬計算出激發(fā)出的波形，如圖2所示。圖2顯示出沒有干擾信號的較純粹的兩種Lamb波模式，其中黑色的為無結冰情況下的信號，黑色為結冰發(fā)生后的Lamb波信號變化。當沒有結冰發(fā)生時，采集到的信號只有S0和A0模式的兩個波包，當有結冰發(fā)生時會多出幾個小波包，同時原有波包的幅值出現衰減，波包的到達時間也有微小變化。出現更多波包的原因是Lamb波信號經過結冰位置處時發(fā)生模式轉換，由于不同模式具有不同的群速度，因此出現新的波包分離出來。而波包幅值的衰減則是由結冰對波的吸收等作用造成的。此外通過對波包的傳播時間的分析，還可以定位出結冰發(fā)生的位置。圖2表示在理論上Lamb波對結冰的探測是有效的，可以反映出結冰的發(fā)生以及結冰位置。

圖2 結冰前后的Lamb波變化

3．結冰探測的實驗驗證

通過實驗進行結冰探測驗證時，需要的實驗設備有任意函數發(fā)生器，功率放大器，數字示波器，信號采集卡，計算機，PZT傳感器等。實驗裝置示意圖見圖3。

圖3 Lamb波結冰探測實驗裝置示意圖

在實驗中，將編輯好的激勵波形輸入任意函數發(fā)生器，由發(fā)生器將波形信號輸入功率放大器，經過能量放大并功率放大后的激勵信號輸入至激勵用的PZT傳感器，傳感器在結構中激勵出Lamb波；回波信號或傳輸信號由接收用PZT傳感器接收，進入信號采集設備收集并保存，之后導入計算機中專用的分析軟件進一步處理并分析實驗獲得的信號波形圖。實驗設備的實物圖見圖4。

圖4 主要實驗設備實物圖

使用示波器采集結冰前后S0模式的波包，結果見圖5。圖中黑線為沒有發(fā)生結冰時的導波模式，前后兩個波包均為S0；紅色線為發(fā)生結冰后的Lamb波信號，可見對于S0模式而言，結冰造成的變化主要表現為信號幅值的衰減。這與理論計算的結果相符。

圖5 結冰前后S0模式的波包

4. Lamb波成像監(jiān)測技術

在實際應用中，由于結構比較復雜，可能無法獲得純粹的某種導波模式，信號往往會發(fā)生多種反射或散射，因此在信號的后處理中通

常需要特征參數提取及缺陷定征的環(huán)節(jié)。分析結冰對Lamb波傳播特性的影響，采用信號處理方法，對有無結冰時采集的Lamb波信號進行分析，提取有意義的特征參數，評價結構表面結冰的嚴重程度。

圖6所示為一較復雜結構在結冰前后的Lamb波檢測信號，當信號過于混疊，以至于較難通過肉眼分析提取其中的特征參數時，可以使用信號處理技術，研究并提取信號的某些特

圖6 實際復雜結構的Lamb波結冰檢測信號

征值用于判定最終結冰情況。此類方法較為常見的應用為結構健康監(jiān)測技術，以結冰探測為例，該技術致力于對結構結冰狀態(tài)的實時監(jiān)測。

圖7所示為在鋁板上進行Lamb波監(jiān)測技術應用的結構示意圖。PZT傳感器圍成一圈監(jiān)測內部結構的結冰狀況，傳感器依次發(fā)射、接收采集信號，并與原始信號進行對比，提取特征參數，用于判斷結構上是否有結冰發(fā)生。當內部出現結冰時，不同傳感器對之間的信號變化不同，與結冰位置有關，根據這個特點可以定位出結冰位置和大致范圍。對Lamb波信號進行采集和處理，得到最終的結冰概率圖，如圖8所示。

圖7 結冰狀態(tài)監(jiān)測的實驗示意圖

圖8 結冰監(jiān)測實驗結果的結冰概率圖

從圖8的數學分析中可以看到結冰最可能發(fā)生的部位，即圖中紅色區(qū)域，這與圖7中的結冰位置大體一致。這種方法的檢測時間和結構上布置的傳感器數量以及檢測設備有關，圖7-8所示的監(jiān)測實例可以在1分鐘以內完成，如果不需要對結冰進行定位，則耗時更短。使用這種方法可以實現對結構結冰較為準確的判斷以及實時監(jiān)測，是一種前景廣闊的新型探測技術。