基于相控阵列电磁超声换能器的金属板中导波模态控制方法研究

Metallic plate-like structures are widely used in aerospace, ships, high-speed railway, petroleum and chemical industries etc, the nondestructive testing is very important for these structures. Compared with the traditional ultrasonic guided wave inspection technique with single mode excitation, guided wave mode control technique can make full use of physical properties of the different modes and obtain more information on special defect. This project aims to develop the guided wave mode control technology based on phased array electromagnetic ultrasonic transducers, which can generate different modal guided waves for on-line inspection applications. The research content mainly includes three parts. Firstly, the theoretical study on guided wave mode control method based on phased array electromagnetic ultrasonic transducers is done and the delay parameters for different channels are calculated. Secondly, a detection model is established using the finite element method, the analysis results of specific parameters are compared with the theoretical results, the extraction and optimization of transducer’s key parameters are realized based on the established model and by utilizing orthogonal test method and integrated balance method. Finally, phased array electromagnetic ultrasonic transducers are developed and the influence of different delay parameters, number of array elements and excitation signal time length on guide wave mode control are experimentally studied. These studies provide technical supports for the application of this method in practical engineering.

金属板材广泛地应用于航空航天、船舶、高速铁路、石油和化工等行业中，其无损检测十分重要。相对于传统的激励单一模态超声导波实现金属板材缺陷检测而言，导波模态控制技术可充分利用不同模态导波的物理属性，以获得缺陷的更多信息。本项目拟发展基于相控阵列电磁超声换能器的导波模态控制技术，以非接触方式产生在线检测应用场合所需要的不同模态导波。研究内容主要包括三个部分：首先，理论研究基于相控阵列电磁超声换能器的导波模态控制方法，以得到各通道的延迟参数；其次，采用有限元法建立检测模型，将特定参数的分析结果与理论计算结果进行比较，并进一步结合正交试验方法和综合平衡方法提取并优化换能器关键参数；最后，研制相控阵列电磁超声换能器，并基于该换能器实验研究不同延迟参数、阵元数量和激励信号时长等因素对导波模态控制效果的影响，为该方法在实际工程中的应用提供技术支持。

金属板材广泛地应用于航空航天、船舶、石油和化工等行业中，其无损检测十分重要。电磁超声导波检测技术具有非接触、无需耦合剂、检测范围大等优势，非常适合金属板材的无损检测。在不同频率控制激发板中单一的超声导波模态是实现板中缺陷检测的关键，也是该领域的研究难点。本项目拟发展一种基于相控阵列电磁超声换能器的导波模态控制的方法。首先，引入含延迟参数的激励信号加载在换能器各阵元，根据力边界条件，采用正交模态展开法推导了激发出的各模态的幅值系数，并采用各阵元延迟激励时所产生的待激发导波模态能量最大作为求解目标，得到了导波模态控制时各通道延迟参数的计算方法。其次，建立八通道阵列EMAT有限元仿真模型，采用理论计算的延迟参数模拟板中导波模态控制效果，结果表明该方法能有效实现不同频率处特定导波模态的控制激发，且对同频率下其它模态有较好的抑制效果，并根据仿真模型分析了激励频率、阵元间距、阵元数量等对板中导波模态抑制效果的影响。然后，设计了单股宽带式八通道阵列电磁超声换能器，并基于所研制的千瓦级宽带大功率线性放大电路组建了具有激励、接收功能的电磁超声检测仪器，能同时适用于电磁超声传感器和压电传感器。最后，采用研制的导波实验平台及八通道电磁超声换能器进行激发，并利用横波压电换能器进行接收，通过对实验结果的处理可以得出以下结论：本项目所采用的导波模态控制方法对控制激发特定的导波模态具有明显的效果，不仅抑制了A0模态，且有效增强了S0模态。研究结果表明本项目所提出的电磁超声相控阵实现板中导波模态控制方法的可行性，及验证理论计算的延迟参数的正确性。