郭杜斌，沈希忠，王　磊

(上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 電氣與電子工程學(xué)院，上?！?01418)

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金屬薄板缺陷的超聲多途Lamb波檢測

郭杜斌，沈希忠，王磊

(上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 電氣與電子工程學(xué)院，上海201418)

金屬薄板在動車等現(xiàn)代化設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛，其是否存在缺陷等檢測具有很重要的意義；為此，利用超聲多途提供的額外數(shù)據(jù)來檢測金屬薄板的缺陷，提出相應(yīng)的算法，多途路徑在直接反射的路徑上是可以預(yù)測和識別的，直接反射路徑是相對比較容易識別的;同時(shí)利用ANSYS有限元建模不同的薄板缺陷模型，在不同的傳感器位置、缺陷位置、缺陷大小情況下分別進(jìn)行仿真;通過ANSYS仿真和實(shí)驗(yàn)檢測都得出了良好的結(jié)果，誤差在可控制范圍之內(nèi)，證明了超聲多途應(yīng)用與金屬薄板Lamb波檢測的是可行的；仿真和實(shí)驗(yàn)表明超聲多途通過實(shí)際和多途虛擬擴(kuò)展的傳感器數(shù)據(jù)的分析證明了超聲多途能夠?qū)Ρ“迦毕葸M(jìn)行定位并檢測其大小;提出的超聲多途檢測方法，通過單次測量即可檢測出薄板缺陷的位置和大小，具有良好的檢測性能。

超聲波；薄板；多途；ANSYS有限元仿真；缺陷；尺寸

0　引言

材料缺陷尺寸的檢測在超聲無損評價(jià)(NDE)中是個(gè)很重要的問題[1-2]。如果在鋁合金配件表面或內(nèi)部存在有缺陷(尤其是裂紋，容易在應(yīng)力作用下導(dǎo)致缺陷進(jìn)一步增大)，在外界載荷作用下材料上分布的集中應(yīng)力將會促使板中缺陷迅速擴(kuò)大，進(jìn)而影響鋁合金材料的使用壽命，給社會經(jīng)濟(jì)工作帶來安全隱患。超聲波檢測具有對人體無輻射、操作簡單、檢測效率高等優(yōu)點(diǎn)，在鋁合金材料的缺陷檢測中，由于鋁合金材料屬于小顆粒晶體，超聲波在傳播過程中的能量衰減小，對于較厚的鋁合金試件超聲波也能進(jìn)行有效的檢測，超聲波的上述特性，有利于對檢測結(jié)果的分析，從而促進(jìn)了超聲波在鋁合金材料探傷領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。檢測缺陷尺寸的一種直接方法是從不同的兩個(gè)側(cè)面進(jìn)行B型掃描成像[3]。在金屬薄板的探傷中，Lamb波因其自身在薄板檢測中的優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用，特別是在薄板表面的缺陷探傷[4-6]。

國外對于Lamb波應(yīng)用于板結(jié)構(gòu)的檢測由來已久，美國的F.A.Firestone等人于20世紀(jì)50年代首次將Lamb波用于薄板材料結(jié)構(gòu)的探傷檢測，R.J.Dewhurst[5]等利用激光發(fā)射Lamb波來對金屬薄板的厚度進(jìn)行檢測，D.A.Hutchins[6]采用激光產(chǎn)生的Lamb波對鋁板和金屬玻璃材料板進(jìn)行檢測，并研究了Lamb波在鋁和金屬玻璃材料板中傳播波形的頻散特性。J.R.Rose[7]一直在從事研究導(dǎo)波的特性，進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并取得了豐碩的研究成果。隨著超聲檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，各界學(xué)者對于Lamb的研究也越來越多，并開始引入一些先進(jìn)的算法對裂紋進(jìn)行識別，W.Ostachowicz與P.Kudela[8]利用Lamb在鋁合金薄板的傳播特性，提出了一種金屬薄板缺陷定位的算法，仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明該算法能夠較好地對缺陷進(jìn)行定位。近幾年，基于時(shí)間反轉(zhuǎn)的超聲導(dǎo)波[9]以及超聲多途[10]檢測也成為了Lamb波檢測的研究熱點(diǎn)。國內(nèi)的一些研究單位和大學(xué)對Lamb波檢測展開了積極的研究工作。例如南京航空航天大學(xué)[11]在智能材料和結(jié)構(gòu)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開展了對材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控技術(shù)的研究，并取得了一定的成效；北京工業(yè)大學(xué)[12-13]利用導(dǎo)波在管道、板結(jié)構(gòu)檢測方面開展了大量工作；上海交通大學(xué)[14]、同濟(jì)大學(xué)聲學(xué)研究所[15]、中國科學(xué)院聲學(xué)所[16]等也都對板結(jié)構(gòu)的Lamb波檢測進(jìn)行了大量的理論研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

本文提出了一種排成一行的傳感器傳感器陣列的超聲收發(fā)測量裝置來檢測一個(gè)孤立缺陷，不同的是[7]，我們對多途路徑進(jìn)行了分析并結(jié)合了不同的路徑，利用ANSYS有限元仿真對不同模型進(jìn)行仿真計(jì)算，通過實(shí)際和多途虛擬擴(kuò)展的傳感器數(shù)據(jù)的分析證明了超聲多途能夠?qū)Ρ“迦毕葸M(jìn)行定位并檢測其大小，最終用實(shí)驗(yàn)對其進(jìn)行了驗(yàn)證。

1　超聲多途

超聲多途在文獻(xiàn)[3]中有過較為詳細(xì)的應(yīng)用，該文作者主要將其應(yīng)用于鋁合金塊的缺陷檢測，并成功對缺陷進(jìn)行定位并檢測出其大小。本文主要利用超聲多途作金屬鋁合金薄板的Lamb波檢測。

如圖1為一個(gè)超聲多途DRP，其超聲信號r(t)建模為

(1)

式中，s(t)表示超聲波回波脈沖波，αi和τi分別表示第i次路徑的反射率和延遲時(shí)間。

圖1　標(biāo)準(zhǔn)的超聲檢測系統(tǒng)中的直接反射(DRP)場景

圖2表示多途MP-W路徑的多途場景。MP-W是指Lamb波在薄板中傳播多途路徑中檢測缺陷底部的路徑，它的傳播路徑類似英文字母’W’。

圖2　多途MP-W的底部反射場景

假設(shè)缺陷的形狀為類圓形的凸面體，其中心點(diǎn)的坐標(biāo)為fp(xf,p,yf,p,zf,p)，第m個(gè)發(fā)射傳感器位于St,m(xt,m,yt,m,zt,m)，第n個(gè)接收傳感器位于Sr,n(xr,n,yr,n,zr,n)。與DRP(直達(dá)反射路徑)相對應(yīng)的第n個(gè)接收傳感器的信號表示為：

(2)

式中，α0,mn(ft)表示缺陷的DRP(直接反射路徑)反射率，τ0,mn(ft)表示信號經(jīng)過傳播一周后的延時(shí)時(shí)間。

假設(shè)一塊均勻介質(zhì)的材料中具有恒定的超聲傳播速度vg，與缺陷定點(diǎn)ft相對應(yīng)的延遲時(shí)間可以由如下的計(jì)算得到

(3)

a表示薄板的寬，b表示薄板的長，以薄板的正表面左下角端點(diǎn)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，Stw,m=(xt,m,yt,m-2a,zt,m)，Srw,n=(xr,n,yr,n-2a,zr,n)表示在MP-W檢測路徑中虛擬傳感器的坐標(biāo)，詳細(xì)見于圖2中。MP-W檢測路徑相對應(yīng)的延遲時(shí)間可由如下計(jì)算表示

(4)

上式中，ft=(xf,t,yf,t,zf,t)與fb=(xf,b,yf,b,zf,b)分別表示缺陷的頂點(diǎn)坐標(biāo)與底點(diǎn)坐標(biāo)。

當(dāng)缺陷回波與底面強(qiáng)烈的反射波距離足夠遠(yuǎn)到可以分離開來[8]，利用傳統(tǒng)的技術(shù)(例如，缺陷檢測方法)就能夠很容易地識別出DRP(直達(dá)反射路徑)的缺陷回波。

2　ANSYS有限元仿真

有限元薄板檢測模型如圖3所示，我們選用被測6061型號鋁板的尺寸為500 mm×100 mm×2 mm。

圖3　ANSYS有限元仿真模型

6061鋁板的彈性模量為68.9 GPa，泊松比0.330，密度2.8×103kg/m3；在仿真中我們采用節(jié)點(diǎn)激勵模擬傳感器發(fā)射A0模態(tài)的Lamb波，即從薄板的上邊界激勵。我們用Lamb波的A0模態(tài)作為激勵模態(tài)，仿真中的激勵信號[9-10]為

(5)

即利用窄帶激勵激發(fā)Lamb波信號,用單一頻率正弦信號加窗函數(shù)(Hanning窗)作為激勵信號，如圖4所示。

圖4　激勵信號

A表示信號的幅值A(chǔ)=10 μV；fc表示信號的中心頻率fc=200 kHz；n表示信號的周期數(shù)n=3；H(t)為Heaviside函數(shù)，其表示當(dāng)t>0時(shí)H(t)=1，t<0時(shí)H(t)=0，t=0時(shí)H(t)=0.5；我們對ANSYS鋁板模型進(jìn)行2 mm的網(wǎng)格劃，分割模型單元選擇殼單元，ANSYS的波形采樣頻率為4 MHz。

2.1相同傳感器位置，相同缺陷位置不同缺陷大小

傳感器的激勵節(jié)點(diǎn)位于(156,100)，接收接收節(jié)點(diǎn)位于(216,100)，缺陷的為中心位于(186,50)的圓孔缺陷模型。

當(dāng)缺陷的直徑為4 mm時(shí)，在點(diǎn)(216,100)觀察到的基準(zhǔn)模型與缺陷模型的回波如圖5所示。

圖5　坐標(biāo)(216,100)節(jié)點(diǎn)接收的基準(zhǔn)模型與直徑4 mm圓孔缺陷模型的回波

圖5中，虛線代表4 mm圓孔缺陷模型下的(216,100)節(jié)點(diǎn)觀察回波，實(shí)線代表基準(zhǔn)模型下(216,100)節(jié)點(diǎn)的觀察回波。由圖中我們可以看到，在有無缺陷模型的情況下首次抵達(dá)波在相同接收點(diǎn)的波形完全重合。并且我們可以明顯看出在4 mm圓孔缺陷模型中的DRP(直達(dá)反射回波)與MP-W回波。由于在仿真中存在著誤差，且在有缺陷模型中由于缺陷衍射的原因，形成與底面回波的干涉，以致形成波形模態(tài)的轉(zhuǎn)換導(dǎo)致在缺陷模型下底面回波到達(dá)觀察點(diǎn)的時(shí)間與基準(zhǔn)模型下的底面回波形成相位差。圖6表示從仿真模型中提取的缺陷回波并進(jìn)行Hilbert變換。

圖6　直徑4 mm圓孔缺陷提取回波與Hilbert變換

從圖6(b)中我們可以看到提取的缺陷回波經(jīng)過Hilbert變換之后的波形，DRP與MP-W各自缺陷回波信號的延遲時(shí)間分別為37.8 μs與100 μs。在ANSYS建模仿真中，我們通過在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)(216,100)測得的首次抵達(dá)波的時(shí)間為19.33 μs，從而可以得到Lamb波在6061鋁合金薄板中傳播的速度[11-12]為vg=2987.29 m/s。我們將測得的DRP與MP-W的延遲時(shí)間分別代入公式(3)與公式(4)，可以解得缺陷的頂點(diǎn)坐標(biāo)與底點(diǎn)坐標(biāo)分別為(186,52.17)和(186,46.32)。由此我們可以得到缺陷的大小為5.85 mm。

同上所述，對直徑8 mm圓孔缺陷模型與12 mm圓孔缺陷模型進(jìn)行了ANSYS仿真計(jì)算，在同樣的激勵點(diǎn)(156,100)進(jìn)行了仿真，并在相同地(216,100)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行回波觀察，我們得到一下波形，如圖7至圖8所示。

圖7　坐標(biāo)(216,100)節(jié)點(diǎn)接收的基準(zhǔn)模型與直徑8 mm圓孔缺陷模型的回波

圖8　直徑8 mm圓孔缺陷提取回波與Hilbert變換

圖9　坐標(biāo)(216,100)節(jié)點(diǎn)接收的基準(zhǔn)模型與直徑12 mm圓孔缺陷模型的回波

圖10　直徑12 mm圓孔缺陷提取回波與Hilbert變換

由圖8中我們可以分別看出直徑8 mm圓孔缺陷模型的DRP與MP-W的延遲時(shí)間分別為37 μs與99.3 μs，圖10中直徑12 mm圓孔缺陷模型的DRP與MP-W的延遲時(shí)間分別為35.8 μs與98.5 μs。將兩個(gè)模型的延遲時(shí)間分為帶入公式(3)與公式(4)，我們可以得到8 mm直徑圓孔缺陷模型的頂點(diǎn)坐標(biāo)為(186,53.59)，底點(diǎn)坐標(biāo)為(186,45.25)；12 mm直徑圓孔缺陷模型的頂點(diǎn)坐標(biāo)為(186,55.74)，底點(diǎn)坐標(biāo)為(186,44.03)。

由此，我們可以得到直徑為8 mm圓孔缺陷模型與12 mm圓孔缺陷模型經(jīng)過ANSYS仿真所測得的缺陷的大小分別為8.34 mm和11.71 mm。表1表示不同直徑缺陷模型所測圓孔大小的相對誤差。

表1　不同圓孔缺陷模型之間的比較

通過表1我們可以知道當(dāng)缺陷從4 mm增大到12 mm的過程中，通過多途反射所測得的缺陷的相對誤差逐漸減小，且由圖6(b)、8(b)與10(b)中可知，當(dāng)圓孔缺陷直徑逐漸增大時(shí)，DRP與MP-W的缺陷反射回波幅值越來越大，出現(xiàn)時(shí)期愈加明顯。因此我們可以得出這樣的結(jié)論，在模型不變的情況下，圓孔缺陷越大多途檢測效果越好，缺陷尺寸愈加精確相近。從上述仿真測得的結(jié)果可知，在相同節(jié)點(diǎn)中觀察到不同模型DRP與MP-W傳播路徑的缺陷回波，DPR是用來檢測缺陷的頂點(diǎn)位置，MP-W是用來檢測缺陷的地點(diǎn)坐標(biāo)，通過對觀察到的缺陷回波進(jìn)行Hilbert變換可以直接讀取不同路徑缺陷回波的延遲時(shí)間，通過DRP與MP-W路徑的延遲時(shí)間可以較為精確的計(jì)算出缺陷的大小，缺陷越大，結(jié)果越精確。所以超聲多途檢測方法只需通過單次測量就可以對缺陷進(jìn)行定位并測出其大小。仿真結(jié)果最后所造成的缺陷的誤差主要是由于ANSYS建模在圓孔缺陷以及傳感器附近網(wǎng)格劃分不均，以及當(dāng)缺陷越小時(shí)，經(jīng)過缺陷的衍射波會對底面波形成更加嚴(yán)重的干涉所造成的。

2.2相同缺陷位置及大小，不同傳感器位置

當(dāng)缺陷的尺寸不變，發(fā)射傳感器與接收傳感器沿著-y軸方向每次按步長10 mm進(jìn)行移動，對每次移動后的模型進(jìn)行檢測，由于薄板的寬度不變?yōu)?00 mm，所以總共移動10次，假設(shè)移動一次，則發(fā)射與接收傳感器的編號變?yōu)镾t1與Rt1，則若移動m次，則變?yōu)镾tm與Rtm，如圖11所示。

圖11　同種缺陷不同收發(fā)傳感器位置的模型

對應(yīng)的圖11，假設(shè)圓孔缺陷的直徑為8 mm，中心坐標(biāo)為(186,50)，在其他條件不變的情況下即與2.1的仿真條件類似。每種情形下收發(fā)傳感器St1、Rt1至St10、Rt10對應(yīng)的坐標(biāo)分別為：

收發(fā)傳感器St1、Rt1至St10、Rt10每種情況下的仿真結(jié)果如圖12～圖21所示。

圖12　收發(fā)傳感器位置分別在(156,90)與(216,90)時(shí)的仿真結(jié)果

圖13　收發(fā)傳感器位置分別在(156,80)與(216,80)時(shí)的仿真結(jié)果

圖12(a)、(b)與(c)分別表示基準(zhǔn)模型與缺陷模型的回波信號與在網(wǎng)格觀察節(jié)點(diǎn)(216,90)提取出的缺陷回波以及缺陷回波的Hilbert變換。從圖12(a)中可以看出，直接反射回波DRP的延時(shí)時(shí)間還是非常容易判斷的，但是檢測缺陷底部的MP-W的反射回波卻被掩蓋了，不能較為明顯的觀察出其時(shí)間，主要是由于當(dāng)收發(fā)射傳感器的向-y方向移動1次后，上下邊界的反射回波對MP-W的判斷出現(xiàn)了干擾出現(xiàn)了重疊現(xiàn)象，以及Lamb波在傳播過程中存在不同路徑波相互之間的干涉所造成的。

從圖13(a)中難以判斷出直接反射回波DRP出現(xiàn)的時(shí)間，主要是由于當(dāng)收發(fā)射傳感器的向-y方向移動2次后，邊界面B的回波會與DRP路徑的回波造成重疊，且到達(dá)時(shí)間差不多一致，所以較難判斷；MP-W路徑的回波已基本被其他回波所掩蓋，更加難以識別。

圖14　收發(fā)傳感器位置分別在(156,70)與(216,70)時(shí)的仿真結(jié)果

圖15　收發(fā)傳感器位置分別在(156,60)與(216,60)時(shí)的仿真結(jié)果

圖16　收發(fā)傳感器位置分別在(156,50)與(216,50)時(shí)的仿真結(jié)果

圖17　收發(fā)傳感器位置分別在(156,40)與(216,40)時(shí)的仿真結(jié)果

圖18　收發(fā)傳感器位置分別在(156,30)與(216,30)時(shí)的仿真結(jié)果

圖19　收發(fā)傳感器位置分別在(156,20)與(216,20)時(shí)的仿真結(jié)果

圖20　收發(fā)傳感器位置分別在(156,10)與(216,10)時(shí)的仿真結(jié)果

圖21　收發(fā)傳感器位置分別在(156,0)與(216,0)時(shí)的仿真結(jié)果

從圖12～圖21可以看出，圖12與圖20、圖13與圖19、圖14與圖18、圖15與圖17這四組仿真結(jié)果圖兩兩相對都是一樣的，這是因?yàn)楫?dāng)收發(fā)射傳感器的向-y方向逐漸移動，他們的位置關(guān)系會關(guān)于y=50對稱；圖16中收發(fā)傳感器的位置正好位于y=50這條直線上，且由于缺陷的中心位置也在這條線上，所以接收不到直接反射路徑DRP的回波，由于位于中間位置，上下底面的回波會與MP-W的路徑嚴(yán)重重疊，且兩個(gè)底面反射回來的波干涉嚴(yán)重，會使分析更加困難。

在圖13至圖19中，難以判斷DRP與MP-W的出現(xiàn)時(shí)間，主要是由于收發(fā)射傳感器的向-y方向逐漸移動時(shí)，上下底面的反射回波會造成嚴(yán)重的干擾，這給回波分析帶來了困難。在圖12與圖20中，兩者的方針效果一樣，且能夠較為清楚的判斷直接反射路徑DRP的出現(xiàn)時(shí)間，但不能確定MP-W出現(xiàn)的時(shí)間，主要是由于當(dāng)收發(fā)射傳感器的向-y方向移動1次后，上下邊界的反射回波對MP-W的判斷出現(xiàn)了干擾出現(xiàn)了重疊現(xiàn)象，以及Lamb波傳播過程中的不同路徑波的干涉所造成的。

從圖21中可以容易判斷出DRP與MP-W的延遲時(shí)間，由于對稱關(guān)系，圖21與2.1節(jié)模型中圖7、圖8的結(jié)果一致，由于圖21的收發(fā)傳感器位于邊界位置，且是對邊界節(jié)點(diǎn)進(jìn)行的激勵加載，所以避免了底面反射回波所帶來的干擾，能夠得到較為滿意的結(jié)果。所以當(dāng)缺陷位于中心位置不變時(shí)，收發(fā)傳感器處在邊界上會是仿真觀察的最佳效果。

2.3相同傳感器位置，相同缺陷大小不同缺陷位置

與2.2節(jié)相類似的，為了從不同角度驗(yàn)證多途超聲檢測法在薄板上的檢測能力，我們令收發(fā)傳感器的位置保持在St與Rt不變，即坐標(biāo)(156,100)與(216,100)。讓缺陷的大小固定為8 mm直徑的圓孔，使其從缺陷中心為(186,50)的位置按每次步長為10 mm向-y方向移動，總共移動5次，并對每次移動后的模型進(jìn)行ANSYS建模仿真。其原理圖如下圖22所示。

圖22　相同傳感器位置不同缺陷位置的模型

圖22中，對應(yīng)的不同缺陷位置的中心坐標(biāo)分別為：

F1:(186,40)、F2:(186,30)、F3:(186,20)、

F4:(186,10)、F5:(186,0)。

其他的條件相對與2.2節(jié)的仿真條件不變。當(dāng)缺陷位于不同的位置，即F1、F2、F3、F4與F5時(shí)，每種情況下ANSYS的仿真結(jié)果如圖23～圖27所示。由于當(dāng)缺陷的中心位于F5:(186,0)時(shí)，已不適用與超聲多途檢測方法的應(yīng)用，于是不對此種情形進(jìn)行建模仿真。

圖23　缺陷的中心坐標(biāo)為(186,50)時(shí)的仿真結(jié)果

圖24　缺陷的中心坐標(biāo)為(186,40)時(shí)的仿真結(jié)果

從圖23中我們可以清楚地看到在缺陷中心坐標(biāo)為(186,50)時(shí)，ANSYS建模仿真的結(jié)果，從圖23我們可以得到直接反射路徑DRP的延遲時(shí)間為37 μs，MP-W的時(shí)間為99.3 μs，由于之前在2.1節(jié)中我們計(jì)算得到Lamb的群速度為vg=2 987.29 m/s，所以將時(shí)間帶入公式(3)與公式(4)，可以計(jì)算得到缺陷的頂點(diǎn)坐標(biāo)與底點(diǎn)坐標(biāo)分別為(186,53.59)與(186,45.25)，此時(shí)可以計(jì)算得到缺陷的直徑為8.34 mm與ANSYS實(shí)際模型模擬的缺陷8 mm十分的接近。

仿真結(jié)果最后所造成的缺陷的誤差主要是由于ANSYS建模在圓孔缺陷以及傳感器附近網(wǎng)格劃分不均，以及當(dāng)缺陷越小時(shí)，經(jīng)過缺陷的衍射波會對底面波形成更加嚴(yán)重的干涉所造成的。

從圖24中還是可以較為清楚地看到在缺陷中心坐標(biāo)為(186,40)時(shí)，對其進(jìn)行ANSYS建模仿真的結(jié)果，從圖24(c)中缺陷回波的Hilbert變換可以得到，直接反射路徑DRP的延遲時(shí)間為41.8 μs，MP-W路徑的延遲時(shí)間為93.3 μs，同樣的將其帶入公式(3)和公式(4)中，可以計(jì)算得到缺陷的頂點(diǎn)坐標(biāo)與底點(diǎn)坐標(biāo)分別為(186,45.25)與(186,36.09)，此時(shí)可以計(jì)算得到缺陷的直徑為9.16 mm。

圖25　缺陷的中心坐標(biāo)為(186,30)時(shí)的仿真結(jié)果

圖26　缺陷的中心坐標(biāo)為(186,20)時(shí)的仿真結(jié)果

圖25表示在缺陷中心坐標(biāo)為(186,30)時(shí)，ANSYS建模仿真的結(jié)果。從圖25(c)中缺陷回波的Hilbert變換可以得到，直接反射路徑DRP的延遲時(shí)間為46.8 μs，但是對于MP-W的延遲時(shí)間判斷出現(xiàn)了干擾，我們經(jīng)過思考最終認(rèn)為MP-W路徑的延遲時(shí)間為90 μs，可以見到在圖25(c)中MP-W周圍出現(xiàn)了3個(gè)Hilbert變換峰值，主要是由于隨著缺陷中心的下移，底部反射回波的傳播路徑與缺陷底點(diǎn)較為相近，從而部分的回波造成了干涉，導(dǎo)致MP-W的路徑回波時(shí)間更加持久。

同樣的將其帶入公式(4)與公式(3)，可以計(jì)算得到缺陷的頂點(diǎn)坐標(biāo)與底點(diǎn)坐標(biāo)分別為(186,36.86)與(186,31.04)，此時(shí)可以計(jì)算得到缺陷的直徑為5.82 mm。

圖26表示在缺陷中心坐標(biāo)為(186,20)時(shí)，ANSYS建模仿真的結(jié)果。從圖26(a)中我們可以看到，直接反射路徑DRP回波的延遲時(shí)間已經(jīng)伴隨著缺陷中心的下移而逐漸往后移，并與底面回波的延遲時(shí)間較為相近，但此時(shí)還是可以區(qū)分出DRP的延時(shí)時(shí)間，從圖26(c)中缺陷回波的Hilbert變換可以得到，直接反射路徑DRP的延遲時(shí)間為50.3 μs。對于MP-W的延遲時(shí)間判斷較為困難，因?yàn)殡S著缺陷中心的下移，MP-W傳播的路程變短，導(dǎo)致底面回波對于MP-W路徑的影響加大，我們經(jīng)過思考最終認(rèn)為MP-W路徑的延遲時(shí)間為90.3 μs，可以見到在圖26(c)中MP-W周圍出現(xiàn)了若干個(gè)Hilbert變換峰值，主要是由于隨著缺陷中心的下移，底部反射回波的傳播路徑與缺陷底點(diǎn)較為相近，從而部分的回波造成了干涉，并且兩者到達(dá)接收節(jié)點(diǎn)的時(shí)間相近，導(dǎo)致MP-W的路徑的延遲時(shí)間確定更為困難。

圖27　缺陷的中心坐標(biāo)為(186,10)時(shí)的仿真結(jié)果

同樣的將其帶入公式(3)與公式(4)，可以計(jì)算得到缺陷的頂點(diǎn)坐標(biāo)與底點(diǎn)坐標(biāo)分別為(186,31.12)與(186,31.5)，此時(shí)可以計(jì)算得到缺陷的直徑為-0.38 mm。在圖27中，此時(shí)缺陷中心的坐標(biāo)為(186,10)，與底面十分的接近。從圖27(a)中看出直接反射路徑DRP與底面回波已經(jīng)重疊在一起，不能判斷出其延遲時(shí)間。再者缺陷的底點(diǎn)與地面的距離只有6 mm，MP-W的路徑檢測會受到底面多次反射、散射的干擾，或者與底面回波重疊，從而很難對MP-W的延遲時(shí)間進(jìn)行估計(jì)。

從圖23至圖27的仿真結(jié)果可以看出，在缺陷中心位于(186,50)與(186,40)時(shí)，對于Lamb波多途檢測路徑DPR與MP-W延遲時(shí)間的判定不存在干擾；當(dāng)缺陷中心位于(186,30)與(186,20)時(shí)，此時(shí)對于路徑DPR延遲時(shí)間的估計(jì)較為清晰，但是對于MP-W延遲時(shí)間的確定卻出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的干擾；當(dāng)圓孔缺陷中心位于(186,10)時(shí)，已經(jīng)不能判斷出DRP與MP-W的延遲時(shí)間。

從表2中我們可以看到，在圖23至圖27的仿真結(jié)果中，ANSYS建模時(shí)缺陷的大小為直接8 mm的圓孔，在不同缺陷中心位置，建模仿真并計(jì)算得到了不同模型的缺陷大小以及相對誤差。從表2可以看到在缺陷中心位置為(186,50)時(shí)，仿真所得的結(jié)果最為相近，隨著缺陷中心的下移，ANSYS仿真得到的缺陷的大小相對誤差越大，乃至在(186,20)與(186,10)時(shí)，判斷缺陷的大小出現(xiàn)了嚴(yán)重的錯誤。

表2　相同傳感器位置不同缺陷位置模型之間的比較

綜上所述，當(dāng)缺陷中心位于(186,50)時(shí)，結(jié)果最為準(zhǔn)確，仿真效果最好，且此時(shí)的多途檢測能力最強(qiáng)，隨著缺陷中心的下移，對于多途路徑DRP與MP-W的延遲時(shí)間的判斷越來越難，主要是由于底面回波到達(dá)接收節(jié)點(diǎn)的時(shí)間與缺陷回波到達(dá)接收節(jié)點(diǎn)的時(shí)間越來越相近，并且當(dāng)缺陷位于底面附近時(shí)，底面回波會與MP-W路徑的回波相成較為嚴(yán)重的干涉，導(dǎo)致傳播時(shí)間無法預(yù)估。所以當(dāng)缺陷位于板的中心附近，且從薄板的邊界激勵，Lamb波多途檢測效果最佳。且超聲多途檢測方法只需通過單次測量就可以對缺陷進(jìn)行定位并測出其大小是可行的。仿真結(jié)果最后所造成的缺陷的誤差主要是由于ANSYS建模在圓孔缺陷以及傳感器附近網(wǎng)格劃分不均，以及當(dāng)缺陷越小時(shí)，經(jīng)過缺陷的衍射波會對底面波形成更加嚴(yán)重的干涉所造成的。

3　結(jié)論

利用超聲多途提供的額外數(shù)據(jù)來檢測金屬薄板的缺陷，提出相應(yīng)的算法，多途路徑在直接反射的路徑上是可以預(yù)測和識別的，直接反射路徑是相對比較容易識別的。同時(shí)利用ANSYS有限元建模不同的薄板缺陷模型，在不同的傳感器位置、缺陷位置、缺陷大小情況下分別進(jìn)行仿真。實(shí)驗(yàn)表明超聲多途所提供的額外數(shù)據(jù)能夠用于薄板缺陷的檢測。

本文主要根據(jù)超聲多途Lamb波檢測法原理，建立了一種單發(fā)射單接收的傳感器檢測模型，研究了其中的關(guān)鍵技術(shù)，并應(yīng)用于金屬鋁合金薄板探傷，在應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用技術(shù)方面取得了新的進(jìn)展；通過ANSYS仿真和實(shí)驗(yàn)檢測驗(yàn)證了超聲多途的可行性；提出的超聲多途檢測方法，通過單次測量即可檢測出薄板缺陷的位置和大小，具有良好的檢測性能。

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Ultrasonic Mutipath Lamb Wave Detection of Sheet Metal Defects

Guo Dubin, Shen Xizhong, Wang Lei

(School of Electrical and Electronic Engineering, Shanghai Institute of Technology, Shanghai201418,China)

Sheet metal in the moving car is widely used in modern design, such as detection of defects has very important significance. For this purpose, the use of ultrasound of multiplicity provide additional data to detect the defects of sheet metal, and the algorithm of multiplicity is predictable path in the direct reflection of the path and identify, directly reflect the path is relatively easy to identify. Using ANSYS finite element modeling different sheet defect model at the same time, the different sensor location, defect location, defect size cases are simulated respectively. Obtained by ANSYS simulation and experimental tests are good results, the error in the range of controlled, proved that the ultrasonic application of multiplicity and sheet metal Lamb wave detection is feasible; Simulation and experiments show that ultrasonic way through actual and virtual extension of multiplicity of sensor data analysis proved that the ultrasonic multiplicity can for detecting sheet to locate defects and their size. Ultrasound of multiplicity of detection method is put forward, through a single measurement can detect the defect size and location of the plate, has good detection performance.

ultrasound; sheet; multipath; ANSYS finite element simulation; flaw; size

2015-07-13；

2015-09-16。

上海市科委項(xiàng)目(15ZR1440700)。

郭杜斌(1990-)，男，浙江人，碩士研究生，主要從事超聲檢測方向的研究。

沈希忠(1968-)，男，上海人，主要從事信號處理、超聲檢測方向的研究。

1671-4598(2016)01-0020-08

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.01.006

TB114.3

A