电磁超声加载方式对Lamb波模态的影响
刘素贞 董硕 张闯 金亮 杨庆新
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.171330
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导语
Lamb波因其指向性好、传播距离远、检测效率高等优点而被广泛应用于构件的无损检测中。但是，Lamb波在激发过程中往往是两个或多个模态同时被激发，而且通常每个模态波包的传播速度不尽相同，这就导致不同模态的Lamb波在后续信号分析中相互干扰，尤其是在缺陷信号的识别中。本文研究了电磁超声激发方式对Lamb波模态的影响，通过对EMAT加载方式的选择实现了对激发Lamb波模态的控制。
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研究背景
Lamb波是一种激发便捷、检测效率高的超声导波，其已被广泛应用于各种结构件的无损检测和健康监测中。电磁超声Lamb波检测结合了电磁超声检测和Lamb波检测的特点，具有很好的应用前景。Lamb波在激发过程中往往伴随着多种模态的出现，而且每种模态的Lamb波传播速度都不相等，导致其在传播过程中会有多个波包出现。Lamb波多模态的产生，增加了Lamb波检测在回波信号分析、处理中的难度。
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论文所解决的问题及意义
本文根据电磁超声换能器的激发特点和低频段不同模态Lamb波的结构特性，研究电磁超声激发方式对曲折线圈激发Lamb波模态的影响，通过对EMAT加载方式的选择实现对激发Lamb波模态的控制，解决Lamb波的多模态对缺陷检测及识别的影响问题。
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论文的方法及创新点
本文在分析Lamb波多模态特性的基础上，研究了电磁超声激发方式对Lamb波模态的影响，通过对EMAT加载方式的选择实现了对激发Lamb波模态的控制，增加了对应模态Lamb波的激发效率，并且提高了对非主模态Lamb波的抑制效果，从而减小了后续信号处理的难度，为实际检测中缺陷的识别、定位提供有效信息。
仿真结果及分析：以激发A0模态为例，对水平加载和垂直加载进行仿真分析。为研究加载方式对Lamb波激发模态的影响，选取接收EMAT正下方距导体表面0.01mm处A点作为观察点，提取该点的面内、面外位移u和v，如图1所示。
图1(a)和图1(b)分别为水平加载情况下，观察点A的面内、面外位移；图1(c)和图1(d)为垂直加载情况下，观察点A的面内、面外位移。图2所示为不同加载方式下的面内、面外位移的幅值。对比不同加载方式下的面内位移或面外位移，可以看出，在两种加载方式下，A0模态Lamb波面外位移均大于面内位移，但是垂直加载方式下对S0模态的抑制效果要比水平加载方式的抑制效果更明显。
（a）水平加载方式下面内位移
（b）水平加载方式下面外位移
（c）垂直加载方式下面内位移
（d）垂直加载方式下面外位移
图1 不同加载方式激发A0模态Lamb波，A点面内、面外位移分布
图2 不同加载方式激发A0模态Lamb波，A点下的面内、面外位移幅值
实验结果及分析：对电磁超声加载方式对Lamb波模态的影响进行相关实验研究。铝板尺寸为300mm×60mm×1mm；激发换能器和接收换能器的中心距离为200mm；脉冲周期数为5，激发频率为1MHz。加载方式对Lamb波模态影响的实验连接图如图3所示。
图3 Lamb波检测实验连接图
对水平加载和垂直加载方式对A0模态Lamb波的影响进行相关实验研究。水平加载方式和垂直加载方式激发A0模态Lamb波的实验结果如图4所示。图4（a）中，S0模态电压峰值为0.002V，A0模态电压峰值为0.024V，S0模态抑制比为21.5 dB；图4（b）中，S0模态电压峰值为0.0086 V，A0模态电压峰值为0.188V，S0模态抑制比为26.79dB。
可以看出，垂直加载方式激发A0模态Lamb波要比水平加载方式下激发A0模态Lamb波效率要高，而且垂直加载方式下S0模态抑制比也较高，这是因为水平加载EMAT结构在非铁磁材料中主要产生水平方向的洛仑兹力；垂直加载EMAT结构在非铁磁材料中主要产生垂直方向的洛仑兹力；由低频段S0、A0波结构分析可知A0模态波的质点振动则以面外位移v为主，所以当采用垂直加载方式时，试件将会产生以面外位移v为主的质点振动，进而更有利于A0模态Lamb波的激发。接收信号经过降噪处理后S0模态Lamb波的幅值很小，实验结果和仿真结果相吻合。
（a）水平加载方式激发A0模态Lamb波实验结果
（b）垂直加载方式激发A0模态Lamb波实验结果
图4 不同加载方式激发A0模态Lamb波实验结果
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结论
本文根据Lamb波对称模式和反对称模式的波结构特点，研究了电磁加载方式对Lamb波模态的影响。仿真和实验结果表明，低频段S0模态以面内位移为主，A0模态以面外位移为主；垂直加载方式有利于A0模态Lamb波的激发，水平加载方式有利于S0模态Lamb波的激发，并且两种加载方式都能更好地抑制非主模态波。
刘素贞, 董硕, 张闯, 金亮, 杨庆新. 电磁超声加载方式对Lamb波模态的影响[J]. 电工技术学报, 2018, 33(19): 4426-4433.
Liu Suzhen, Dong Shuo, Zhang Chuang, Jin Liang, Yang Qingxin. The Influence of Electromagnetic Acoustic Transducer Loading Way on the Mode of Lamb Wave. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(19): 4426-4433.
作 者 简 介
河北工业大学
刘素贞 女，1969年出生，博士，教授，博士生导师。国际电磁场数值计算学会(ICS)会员，天津市师德先进个人，河北省电工学研究会副理事长。主要从事工程电磁场与磁技术及应用研究。作为主持或主研人已经完成国家级、省级科研项目10项，其中国家重大基础研究前期研究专项1项，国家自然科学基金项目2项，省自然科学基金项目5项。主持在研国家自然科学基金1项、河北省自然基金1项、天津市自然基金1项。获得河北省自然科学奖三等奖1项，河北省教学成果二等奖1项。出版专著2部；发表学术论文70多篇，其中被SCI、EI收录60多篇。
董 硕 男，1993年生，硕士研究生，主要从事电磁无损检测方面的研究工作。