基于超声导波的结构健康状态无损检测及在线监测

号中不同频率的成分随传播距离的增加逐渐分散，导致激发信号时域延长，幅值降低。图2为中心频率为200kHz的A0模态在2mm厚钢板中激发波包随传播距离的变化过程，从中可以看出，随着传播距离的增加，导波的频散特性将会导致波包在时域上的延长，同时波包幅值也将严重降低。这种现象将造成检测信号的叠混和减弱，使得缺陷特征无法识别。

(a)频率-波数曲线

(b)频率-相速度曲线

(c)频率-群速度曲线

图1. 2mm厚钢板的频散曲线

(弹性模量216.9GPa，泊松比0.28，密度7.9×10³kg/m³)

(a) (b)

(c) (d)

图2 中心频率为200kHz的A0模态在2mm钢板中的频散现象

(a为激发信号；b为传播1000mm厚波形；c为传播1500mm后波形；d为传播2000mm后波形)

导波的多模态和频散特点使其在信号激励、质点振动、传播、接收和信息提取等方面均比常规超声波检测复杂。为了利用超声导波进行检测需要从信号的激发、传播、接收和信号提取等方面发展适用于超声导波的方法和技术。

3 解决方案

3.1 单模态超声导波激发

超声导波具有多模态的特点，随着激发频率的增加导波模态数不断增加。导波的多模态特点会增加信号复杂性，使缺陷特征信号难以识别。因此为了适用于检测应用，需要激发单一导波模态。

根据导波频散特性曲线，在高阶导波模态截止频率以下(对于2mm厚钢板为810kHz)，仅存在三种0阶导波，包扩对称模态S0、非对称模态A0、水平剪切模态SH0。因此控制激发信号频率在高阶导波截止频率以下可以将导波模态数降至三种。

对于S0、A0和SH0模态，其模态形状存在区别。A0模态主要以离面位移为主，如图3(a)所示，S0模态和SH0模态主要以面内位移为主，其中S0的位移方向于波传播方向平行，如图3(b)所示，SH0模态的位移方向与波传播方向垂直，如图3(c)所示。

(a) A0模态激发示意 (b)S0模态激发示意

(c)SH0模态激发示意

图3 不同导波模态激发施力图

超声导波激发的实质上就是在被检测对象中耦合进模态所对应的应力波，为了获得单一的导波模态，需要通过传感器优化来增强所需模态对应的表面应力分布，同时抑制其他模态对应的表面应力分布。

目前可以用于在被检测结构中耦合进导波应力场的传感器可分为如下几类：压电式换能器，电磁声换能器(EMAT)，磁致伸缩换能器，激光超声换能器。压电式换能器主要利用晶体材料的压电效应和逆压电效应作为导波激发和检测传感器，目前常用的压电材料主要有PZT和柔性的PVDF。其中PZT材料的压电转换效率较高，成本较低，但是材料无法弯曲；PVDF材料也具有压电效应，但是其压电性相对于PZT材料要低，其优点在于材料具有柔性，可以弯曲。电磁声换能器(EMAT)主要通过改变金属结构中的电磁场，利用Lorenz力激励导波应力场。用于超声导波激发的磁致伸缩换能器(MT)最早由H.Kwun等人提出，其主要利用磁致伸缩效应实现导波应力场的激发。激光声换能器利用激光脉冲束在被检测构件表面产生热应力振动，实现超声导波的激发，激光声换能激发方式的仪器体积较大，成本较高，不适于现场检测应用，目前主要用于实验室研究工作。

上述导波换能器中，PZT压电晶片具有体积小、重量轻、成本低的优点，适用于结构健康状态监测应用，因此目前各国研究团队主要使用PZT压电晶片作为导波激发和接收换能器。

3.2 导波激发波形优化

超声导波具有频散特性，不同频率的波包成分的传播速度不同，成为频散现象。严重的频散现象会造成检测信号混淆、缺陷特征无法提取。为了避免此问题的发生，需要对导波激发频率和波形进行优化。

超声导波激发波形通常使用经汉宁窗调制的5周期正弦波。汉宁窗的作用是降低由于波形忽然开始和忽然结束造成的频率旁瓣，使得能量集中于激发频率。通过对激发信号的加窗调制可以减小激发信号的频带宽度，减小频散效应。图4为200kHz正弦波和加窗调制后的波形，以及其对应的频谱。

(a) (b)

(c) (d)

图4 5周期200kHz正弦波与加窗调制对比:

(a)原始信号，(b)原始信号频谱，(c)汉宁窗调制信号，(d)调制信号频谱

3.3 超声导波检测平台

超声导波检测方法不同于常规超声检测，它最突出的优点就是可以实现快速、大范围检测，而不是逐点检测，同时为较精确定位缺陷，必须在试验中确保检测数据的精度。因此在构建检测平台上，针对超声导波的特殊性(如所选激励信号的特殊性，压电陶瓷换能器选取的特殊性等)，建立了超声导波检测平台，如图5所示。

图5 超声导波检测平台

任意函数发生器输出的信号可以直接加在压电晶片换能器的两电极上，驱动压电陶瓷产生压电效应，将电压信号转变为相同频率的振动信号，在被检测结构中传播。但是，由