在航空航天、軌道交通和重型裝備工程領(lǐng)域中，小型零部件的損壞將危及結(jié)構(gòu)的整體安全，超聲法是應(yīng)用廣泛的無損檢測(cè)方法之一。但是對(duì)于小尺寸試件的超聲檢測(cè)存在諸如近場(chǎng)盲區(qū)、邊界反射復(fù)雜等問題。為確保重大結(jié)構(gòu)和裝備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，如何實(shí)現(xiàn)小尺寸試件的缺陷可靠檢測(cè)尚有待進(jìn)一步研究。

超聲蘭姆波因其對(duì)表面和次表面缺陷具有一定的敏感性，被廣泛應(yīng)用于板材結(jié)構(gòu)中的損傷檢測(cè)。然而蘭姆波的頻散特性使得其在薄板中傳播時(shí)存在對(duì)稱和反對(duì)稱多種模態(tài)，導(dǎo)致信號(hào)的處理和解析較為復(fù)雜，限制了它在識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷方面的應(yīng)用效果。

為了獲得單一模態(tài)蘭姆波，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量的相關(guān)研究工作。采用壓電超聲換能器激發(fā)蘭姆波可以通過入射角控制蘭姆波的傳播方向，但壓電超聲換能器需要在與待測(cè)試件之間的接觸面上涂抹耦合劑，會(huì)對(duì)蘭姆波的傳播產(chǎn)生影響，降低了檢測(cè)準(zhǔn)確性。

通過電磁超聲換能器（Electromagnetic Acoustic Transducer,EMAT）激發(fā)蘭姆波可以避免耦合劑對(duì)超聲特性的影響，同時(shí)在高溫、高腐蝕等測(cè)試環(huán)境下EMAT比壓電超聲換能器更具優(yōu)勢(shì)。

• 有學(xué)者通過兩個(gè)螺旋線圈彼此相反方向纏繞，分別作為信號(hào)發(fā)生器和接收器來選擇性地激發(fā)S0模態(tài)并抑制A0模態(tài)，S0/A0振幅比可達(dá)44.7 dB。
• 有學(xué)者通過螺旋線圈和具有相反極性的同心永磁體對(duì)設(shè)計(jì)出一種全向的電磁換能器，可以激發(fā)和接收全向的單一A0模態(tài)。
• 有學(xué)者通過設(shè)置上、下對(duì)稱的兩個(gè)曲折線圈對(duì)蘭姆波的模態(tài)進(jìn)行選擇性的激發(fā)。

現(xiàn)有研究基于EMAT可以產(chǎn)生單一模態(tài)的蘭姆波，但無法實(shí)現(xiàn)單方向單模態(tài)蘭姆波的激發(fā)，而多方向蘭姆波在實(shí)際應(yīng)用中需要考慮到端面反射回波對(duì)信號(hào)的影響，尤其在小尺寸試件的檢測(cè)中，由于端面距離換能器和缺陷較近，接收器會(huì)接收到多模態(tài)多方向蘭姆波的反射回波，極大地增加了后期信號(hào)分析難度。

針對(duì)上述問題，本文提出了一種單向單模態(tài)電磁超聲蘭姆波激勵(lì)方法，可以根據(jù)需要向特定方向激發(fā)對(duì)稱或反對(duì)稱模態(tài)蘭姆波。在小尺寸試件檢測(cè)中，該方法可有效降低蘭姆波信號(hào)的復(fù)雜程度和信號(hào)處理難度，提高激勵(lì)和檢測(cè)效率。文中通過對(duì)該方法的激發(fā)過程進(jìn)行有限元分析，并仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的單方向單模態(tài)EMAT在小尺寸薄鋁板缺陷檢測(cè)中的可行性。

圖12 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)

結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)有EMAT檢測(cè)小尺寸薄板缺陷時(shí)波形復(fù)雜、難于解釋、檢測(cè)失效等問題，本文提出一種利用4個(gè)線圈激發(fā)單方向單模態(tài)的電磁超聲蘭姆波激勵(lì)方法，該方法可以通過設(shè)置線圈線間距、激勵(lì)電流方向和延遲時(shí)間來控制蘭姆波激發(fā)模態(tài)和發(fā)射方向，在一定程度上削弱不需要的模態(tài)和向測(cè)量側(cè)相反方向激發(fā)波的影響。

新型EMAT可以應(yīng)用到更小尺寸試件的缺陷檢測(cè)中，并對(duì)其可檢測(cè)的最小試件長(zhǎng)度進(jìn)行了定量分析。通過仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究，說明了新型EMAT在小尺寸試件缺陷檢測(cè)中可以簡(jiǎn)化接收回波波形，為后續(xù)信號(hào)處理分析減小難度，提高蘭姆波在小尺寸試件應(yīng)用中的缺陷檢測(cè)效率。