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)用廣泛的無損檢測方法之一。但是對于小尺寸試件的超聲檢測存在諸如近場盲區(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)定運行，如何實現(xiàn)小尺寸試件的缺陷可靠檢測尚有待進(jìn)一步研究。

超聲蘭姆波因其對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。然而蘭姆波的頻散特性使得其在薄板中傳播時存在對稱和反對稱多種模態(tài)，導(dǎo)致信號的處理和解析較為復(fù)雜，限制了它在識別結(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試件之間的接觸面上涂抹耦合劑，會對蘭姆波的傳播產(chǎn)生影響，降低了檢測準(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超聲特性的影響，同時在高溫、高腐蝕等測試環(huán)境下EMAT比壓電超聲換能器更具優(yōu)勢。

• 有學(xué)者通過兩個螺旋線圈彼此相反方向纏繞，分別作為信號發(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設(shè)計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、下對稱的兩個曲折線圈對蘭姆波的模態(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際應(yīng)用中需要考慮到端面反射回波對信號的影響，尤其在小尺寸試件的檢測中，由于端面距離換能器和缺陷較近，接收器會接收到多模態(tài)多方向蘭姆波的反射回波，極大地增加了后期信號分析難度。

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

圖12 實驗系統(tǒng)平臺

結(jié)論

針對現(xiàn)有EMAT檢測小尺寸薄板缺陷時波形復(fù)雜、難于解釋、檢測失效等問題，本文提出一種利用4個線圈激發(fā)單方向單模態(tài)的電磁超聲蘭姆波激勵方法，該方法可以通過設(shè)置線圈線間距、激勵電流方向和延遲時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中，并對其可檢測的最小試件長度進(jìn)行了定量分析。通過仿真和實驗對比研究，說明了新型EMAT在小尺寸試件缺陷檢測中可以簡化接收回波波形，為后續(xù)信號處理分析減小難度，提高蘭姆波在小尺寸試件應(yīng)用中的缺陷檢測效率。