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基于SH0模態(tài)的電磁超聲換能器陣列在板狀缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用與研究一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域,板狀結(jié)構(gòu)作為關(guān)鍵組成部分,廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、船舶工業(yè)、建筑工程以及能源等眾多重要行業(yè)。以航空航天為例,飛機(jī)的機(jī)翼、機(jī)身蒙皮等部位大量采用板狀結(jié)構(gòu),其質(zhì)量和完整性直接關(guān)乎飛行安全;在汽車制造中,車身的各個(gè)面板以及發(fā)動(dòng)機(jī)的一些部件同樣依賴板狀結(jié)構(gòu),它們不僅影響汽車的外觀和性能,還對(duì)駕乘人員的安全起著重要作用;船舶工業(yè)里,船體的外殼、甲板等也是板狀結(jié)構(gòu)的典型應(yīng)用,其可靠性決定了船舶在復(fù)雜海洋環(huán)境中的航行安全;建筑工程中的樓板、墻板等板狀結(jié)構(gòu)是構(gòu)建建筑物的基礎(chǔ),保障著建筑物的穩(wěn)定性和功能性;能源領(lǐng)域的換熱器、壓力容器等設(shè)備也離不開(kāi)板狀結(jié)構(gòu),它們的正常運(yùn)行對(duì)于能源的高效利用和安全生產(chǎn)至關(guān)重要。然而,在板狀結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)制造過(guò)程中,由于受到材料質(zhì)量、加工工藝以及人為因素等多種條件的限制,不可避免地會(huì)產(chǎn)生諸如裂紋、孔洞、夾雜、脫粘等各類缺陷。在后續(xù)的服役過(guò)程中,這些板狀結(jié)構(gòu)又會(huì)長(zhǎng)期受到機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力、化學(xué)腐蝕以及疲勞載荷等惡劣工作環(huán)境的作用,導(dǎo)致缺陷進(jìn)一步擴(kuò)展和惡化。這些缺陷的存在嚴(yán)重威脅著板狀結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性,可能引發(fā)結(jié)構(gòu)的局部失效,甚至導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的坍塌或破裂,進(jìn)而引發(fā)嚴(yán)重的安全事故,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。因此,對(duì)板狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確、高效的缺陷檢測(cè)具有至關(guān)重要的現(xiàn)實(shí)意義,是確保工業(yè)生產(chǎn)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的板狀結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)方法,如目視檢測(cè)、滲透檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、射線檢測(cè)和常規(guī)超聲檢測(cè)等,在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的局限性。目視檢測(cè)主要依賴檢測(cè)人員的肉眼觀察,這種方式受人為因素影響極大,檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性難以保證,而且對(duì)于微小缺陷以及內(nèi)部缺陷往往難以察覺(jué)。滲透檢測(cè)雖然能夠檢測(cè)出表面開(kāi)口缺陷,但對(duì)非開(kāi)口缺陷卻無(wú)能為力,并且檢測(cè)過(guò)程繁瑣,需要使用化學(xué)試劑,可能對(duì)環(huán)境造成污染。磁粉檢測(cè)僅適用于鐵磁性材料,對(duì)于非鐵磁性材料則無(wú)法發(fā)揮作用。射線檢測(cè)雖然能夠檢測(cè)出內(nèi)部缺陷,但射線對(duì)人體有害,需要嚴(yán)格的防護(hù)措施,設(shè)備成本高,檢測(cè)效率低,并且存在輻射安全隱患。常規(guī)超聲檢測(cè)通常需要使用耦合劑,這在一些特殊環(huán)境下,如高溫、高壓、高速運(yùn)動(dòng)或?qū)︸詈蟿┟舾械牟牧媳砻妫瑧?yīng)用受到很大限制,而且常規(guī)超聲檢測(cè)的檢測(cè)范圍有限,對(duì)于大面積的板狀結(jié)構(gòu)檢測(cè)效率較低。隨著無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展,基于SH0模態(tài)的電磁超聲換能器陣列檢測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,為板狀結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)提供了新的解決方案。SH0模態(tài)是一種在板狀結(jié)構(gòu)中傳播的水平剪切波模態(tài),具有獨(dú)特的傳播特性和優(yōu)勢(shì)。它在傳播過(guò)程中能量衰減小,能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)距離的傳播,這使得對(duì)大面積板狀結(jié)構(gòu)的快速檢測(cè)成為可能;其傳播速度恒定,不隨頻率變化而改變,這一特性使得在信號(hào)處理和分析過(guò)程中更加簡(jiǎn)單和準(zhǔn)確,有利于提高缺陷檢測(cè)的精度;同時(shí),SH0模態(tài)在邊界處無(wú)模態(tài)轉(zhuǎn)換,與缺陷作用后不易發(fā)生模式轉(zhuǎn)換,這使得檢測(cè)信號(hào)易于分析識(shí)別,能夠更準(zhǔn)確地判斷缺陷的位置、大小和形狀等信息。電磁超聲換能器陣列則結(jié)合了電磁超聲技術(shù)和陣列技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。電磁超聲技術(shù)基于電磁感應(yīng)原理,無(wú)需耦合劑即可實(shí)現(xiàn)與被檢測(cè)物體的非接觸式檢測(cè),避免了耦合劑帶來(lái)的諸多問(wèn)題,適用于各種復(fù)雜環(huán)境下的板狀結(jié)構(gòu)檢測(cè)。陣列技術(shù)通過(guò)多個(gè)換能器單元的組合,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)板狀結(jié)構(gòu)的多角度、多方位檢測(cè),大大提高了檢測(cè)的靈敏度和分辨率,能夠檢測(cè)出更小尺寸的缺陷。通過(guò)合理設(shè)計(jì)電磁超聲換能器陣列的結(jié)構(gòu)和布局,以及優(yōu)化信號(hào)處理算法,可以充分發(fā)揮SH0模態(tài)的優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)對(duì)板狀結(jié)構(gòu)缺陷的高效、準(zhǔn)確檢測(cè)?;赟H0模態(tài)的電磁超聲換能器陣列檢測(cè)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中具有廣闊的應(yīng)用前景。在航空航天領(lǐng)域,可用于飛機(jī)機(jī)翼、機(jī)身蒙皮等板狀結(jié)構(gòu)的定期檢測(cè),及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的缺陷,保障飛行安全;在汽車制造中,能夠?qū)嚿砻姘?、發(fā)動(dòng)機(jī)部件等進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè),提高汽車的可靠性和安全性;船舶工業(yè)里,可用于船體外殼、甲板等部位的檢測(cè),確保船舶在惡劣海洋環(huán)境下的航行安全;建筑工程中,可對(duì)樓板、墻板等進(jìn)行檢測(cè),保證建筑物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性;能源領(lǐng)域中,能對(duì)換熱器、壓力容器等設(shè)備的板狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè),保障能源生產(chǎn)和傳輸?shù)陌踩?。因此,開(kāi)展基于SH0模態(tài)的電磁超聲換能器陣列的板狀缺陷檢測(cè)研究,對(duì)于推動(dòng)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展,提高板狀結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性,促進(jìn)相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在板狀結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)領(lǐng)域,基于SH0模態(tài)的電磁超聲換能器陣列檢測(cè)技術(shù)受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注,取得了一系列具有重要價(jià)值的研究成果。國(guó)外在該領(lǐng)域的研究起步較早,積累了豐富的理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。早在20世紀(jì)80年代,美國(guó)學(xué)者就開(kāi)始探索電磁超聲技術(shù)在無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用,為后續(xù)基于SH0模態(tài)的研究奠定了基礎(chǔ)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)的飛速發(fā)展,國(guó)外研究人員在電磁超聲換能器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化、SH0模態(tài)的激發(fā)與接收以及缺陷檢測(cè)算法等方面取得了顯著進(jìn)展。例如,[具體文獻(xiàn)1]中,研究人員通過(guò)優(yōu)化電磁超聲換能器的線圈結(jié)構(gòu)和磁場(chǎng)分布,提高了SH0模態(tài)的激發(fā)效率和檢測(cè)靈敏度,能夠更準(zhǔn)確地檢測(cè)出微小缺陷;[具體文獻(xiàn)2]利用先進(jìn)的信號(hào)處理算法,對(duì)SH0模態(tài)信號(hào)進(jìn)行分析和處理,實(shí)現(xiàn)了對(duì)板狀結(jié)構(gòu)中缺陷的精確定位和定量評(píng)估,為實(shí)際工程應(yīng)用提供了有力支持。國(guó)內(nèi)對(duì)基于SH0模態(tài)的電磁超聲換能器陣列板狀缺陷檢測(cè)技術(shù)的研究也在不斷深入。近年來(lái),眾多高校和科研機(jī)構(gòu)積極投入到該領(lǐng)域的研究中,取得了豐碩的成果。一些研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬,深入研究了SH0模態(tài)在板狀結(jié)構(gòu)中的傳播特性,為換能器的設(shè)計(jì)和檢測(cè)方法的優(yōu)化提供了理論依據(jù)。在換能器設(shè)計(jì)方面,[具體文獻(xiàn)3]提出了一種新型的電磁超聲換能器結(jié)構(gòu),采用獨(dú)特的永磁體陣列和線圈布局,有效提高了換能器的性能和檢測(cè)效果;在缺陷檢測(cè)算法方面,[具體文獻(xiàn)4]提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的缺陷識(shí)別算法,能夠快速、準(zhǔn)確地識(shí)別板狀結(jié)構(gòu)中的各種缺陷,提高了檢測(cè)的智能化水平。然而,現(xiàn)有研究仍存在一些不足之處。部分研究在復(fù)雜結(jié)構(gòu)或特殊工況下的檢測(cè)效果有待提高,對(duì)于一些復(fù)雜形狀的缺陷或位于結(jié)構(gòu)內(nèi)部深處的缺陷,檢測(cè)精度和可靠性難以滿足實(shí)際需求。不同類型材料的板狀結(jié)構(gòu)檢測(cè)適應(yīng)性研究還不夠充分,目前的檢測(cè)技術(shù)在某些特殊材料上的應(yīng)用效果不理想,需要進(jìn)一步探索適用于不同材料的檢測(cè)方法和參數(shù)優(yōu)化策略。此外,檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和便攜性也需要進(jìn)一步提升,以滿足現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)的實(shí)際需求,現(xiàn)有檢測(cè)設(shè)備在體積、重量和操作便捷性方面存在一定的局限性,不利于在實(shí)際工程中的廣泛應(yīng)用。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容電磁超聲換能器陣列原理研究:深入探究基于SH0模態(tài)的電磁超聲換能器陣列的工作原理,分析電磁超聲換能器的換能機(jī)制,包括洛倫茲力和磁致伸縮力在激發(fā)和接收SH0模態(tài)超聲波過(guò)程中的作用。研究換能器陣列中各陣元的布局方式對(duì)聲場(chǎng)分布和檢測(cè)性能的影響,通過(guò)理論推導(dǎo)和數(shù)學(xué)模型建立,明確不同陣元間距、排列方式與聲場(chǎng)特性之間的關(guān)系,為后續(xù)的換能器陣列設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。電磁超聲換能器陣列性能優(yōu)化:運(yùn)用有限元仿真軟件,對(duì)電磁超聲換能器陣列進(jìn)行建模與仿真分析。研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù),如永磁體的形狀、尺寸、充磁方向,線圈的匝數(shù)、形狀、繞制方式等對(duì)換能器激發(fā)和接收SH0模態(tài)能力的影響。通過(guò)仿真結(jié)果的分析,篩選出對(duì)換能器性能影響較大的關(guān)鍵參數(shù),并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),以提高換能器的轉(zhuǎn)換效率、靈敏度和指向性等性能指標(biāo)。同時(shí),研究陣列信號(hào)處理算法,如相控陣聚焦算法、信號(hào)增強(qiáng)算法等,進(jìn)一步提升檢測(cè)系統(tǒng)的性能,提高缺陷檢測(cè)的準(zhǔn)確性和分辨率。板狀缺陷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究:搭建基于SH0模態(tài)的電磁超聲換能器陣列板狀缺陷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),該平臺(tái)包括電磁超聲換能器陣列、信號(hào)發(fā)射與接收裝置、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)等。利用設(shè)計(jì)和優(yōu)化后的電磁超聲換能器陣列,對(duì)含有不同類型、不同尺寸缺陷的板狀試件進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取檢測(cè)信號(hào),分析信號(hào)特征與缺陷的關(guān)系,研究不同缺陷類型(如裂紋、孔洞、夾雜等)、缺陷尺寸(長(zhǎng)度、深度、寬度等)以及缺陷位置對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響規(guī)律。對(duì)比不同檢測(cè)條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,評(píng)估所設(shè)計(jì)的電磁超聲換能器陣列在板狀缺陷檢測(cè)中的性能,驗(yàn)證理論分析和仿真結(jié)果的正確性,為實(shí)際工程應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用:基于上述研究成果,構(gòu)建一套完整的基于SH0模態(tài)的電磁超聲換能器陣列板狀缺陷檢測(cè)系統(tǒng)。對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的硬件部分進(jìn)行選型和集成,確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性;開(kāi)發(fā)相應(yīng)的軟件系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、處理、分析以及缺陷識(shí)別和定位等功能。將構(gòu)建的檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)景,如航空航天領(lǐng)域的飛機(jī)機(jī)翼板狀結(jié)構(gòu)檢測(cè)、汽車制造中的車身面板檢測(cè)等,驗(yàn)證檢測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的可行性和有效性,解決實(shí)際工程中的板狀結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)問(wèn)題,為工業(yè)生產(chǎn)的安全和質(zhì)量提供保障。1.3.2研究方法理論分析方法:運(yùn)用彈性波理論、電磁學(xué)理論和聲學(xué)理論,對(duì)SH0模態(tài)在板狀結(jié)構(gòu)中的傳播特性進(jìn)行深入分析,推導(dǎo)SH0模態(tài)的波動(dòng)方程和頻散方程,研究其傳播速度、衰減特性等參數(shù)與板狀結(jié)構(gòu)材料特性、幾何尺寸之間的關(guān)系。分析電磁超聲換能器的工作原理,建立換能器的物理模型和數(shù)學(xué)模型,通過(guò)理論計(jì)算和公式推導(dǎo),研究換能器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其性能的影響,為換能器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。同時(shí),運(yùn)用信號(hào)處理理論,研究陣列信號(hào)處理算法的原理和實(shí)現(xiàn)方法,為提高檢測(cè)系統(tǒng)的性能提供理論支持。仿真模擬方法:采用有限元仿真軟件,如COMSOLMultiphysics、ANSYS等,對(duì)基于SH0模態(tài)的電磁超聲換能器陣列進(jìn)行建模與仿真分析。在仿真模型中,考慮電磁超聲換能器的結(jié)構(gòu)參數(shù)、板狀結(jié)構(gòu)的材料特性和幾何尺寸以及缺陷的類型和位置等因素,模擬SH0模態(tài)在板狀結(jié)構(gòu)中的傳播過(guò)程以及與缺陷的相互作用。通過(guò)仿真結(jié)果,直觀地觀察聲場(chǎng)分布、信號(hào)傳播特性以及缺陷對(duì)信號(hào)的影響,深入分析換能器陣列的性能,為換能器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和檢測(cè)方法的改進(jìn)提供依據(jù)。同時(shí),利用仿真模擬可以快速地對(duì)不同的方案進(jìn)行評(píng)估和比較,節(jié)省實(shí)驗(yàn)成本和時(shí)間。實(shí)驗(yàn)研究方法:搭建基于SH0模態(tài)的電磁超聲換能器陣列板狀缺陷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件,如試件的材料、尺寸、缺陷類型和位置等,確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取檢測(cè)信號(hào),并對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理和分析,研究不同因素對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響規(guī)律。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析和仿真模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證理論模型和仿真模型的正確性,同時(shí)進(jìn)一步優(yōu)化檢測(cè)系統(tǒng)的性能。實(shí)驗(yàn)研究是驗(yàn)證理論和仿真結(jié)果的重要手段,能夠?yàn)閷?shí)際工程應(yīng)用提供直接的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。對(duì)比分析方法:在研究過(guò)程中,對(duì)不同的電磁超聲換能器陣列結(jié)構(gòu)、信號(hào)處理算法以及檢測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比分析。通過(guò)對(duì)比不同方案下的仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),評(píng)估各種方案的優(yōu)缺點(diǎn),篩選出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案和檢測(cè)方法。同時(shí),將基于SH0模態(tài)的電磁超聲換能器陣列檢測(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)的板狀結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比,分析其在檢測(cè)性能、適用范圍、檢測(cè)效率等方面的優(yōu)勢(shì)和不足,進(jìn)一步明確基于SH0模態(tài)的電磁超聲換能器陣列檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展方向。二、SH0模態(tài)與電磁超聲換能器陣列基礎(chǔ)理論2.1SH0模態(tài)導(dǎo)波特性2.1.1SH0模態(tài)的定義與特點(diǎn)SH0模態(tài)是一種在板狀結(jié)構(gòu)中傳播的水平剪切波,其質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向平行于板面且垂直于波的傳播方向。這種獨(dú)特的振動(dòng)方式使得SH0模態(tài)具有一系列顯著的特點(diǎn),使其在板狀缺陷檢測(cè)中展現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。SH0模態(tài)的一個(gè)重要特點(diǎn)是非頻散特性。與其他一些導(dǎo)波模態(tài)不同,SH0模態(tài)在傳播過(guò)程中,其波速不隨頻率的變化而改變。這意味著在信號(hào)處理和分析過(guò)程中,無(wú)需考慮波速隨頻率變化所帶來(lái)的復(fù)雜影響,大大簡(jiǎn)化了檢測(cè)信號(hào)的處理過(guò)程。例如,在傳統(tǒng)的頻散導(dǎo)波檢測(cè)中,不同頻率的波傳播速度不同,這會(huì)導(dǎo)致信號(hào)在傳播過(guò)程中發(fā)生畸變,使得對(duì)缺陷的準(zhǔn)確判斷變得困難。而SH0模態(tài)的非頻散特性使得檢測(cè)信號(hào)的傳播特性相對(duì)穩(wěn)定,有利于提高缺陷檢測(cè)的精度和可靠性。SH0模態(tài)的波速恒定也是其一大優(yōu)勢(shì)。由于波速不隨頻率和傳播距離等因素變化,在已知板狀結(jié)構(gòu)材料特性的情況下,可以準(zhǔn)確地計(jì)算出SH0模態(tài)的波速。這一特性為缺陷的定位提供了便利,通過(guò)測(cè)量信號(hào)的傳播時(shí)間和已知的波速,能夠精確地確定缺陷與換能器之間的距離,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷位置的準(zhǔn)確判斷。在邊界處,SH0模態(tài)無(wú)模態(tài)轉(zhuǎn)換。當(dāng)SH0模態(tài)傳播到板狀結(jié)構(gòu)的邊界時(shí),不會(huì)發(fā)生模態(tài)轉(zhuǎn)換,這使得檢測(cè)信號(hào)的分析更加簡(jiǎn)單直接。相比之下,其他一些導(dǎo)波模態(tài)在邊界處容易發(fā)生模態(tài)轉(zhuǎn)換,產(chǎn)生復(fù)雜的反射和折射波,這些波相互干涉,增加了信號(hào)分析的難度。而SH0模態(tài)在邊界處的這種特性,使得檢測(cè)人員能夠更清晰地識(shí)別和分析邊界處的信號(hào),提高對(duì)邊界附近缺陷的檢測(cè)能力。SH0模態(tài)與缺陷作用后不易發(fā)生模式轉(zhuǎn)換。當(dāng)SH0模態(tài)遇到板狀結(jié)構(gòu)中的缺陷時(shí),其信號(hào)特征相對(duì)穩(wěn)定,不易產(chǎn)生復(fù)雜的模式轉(zhuǎn)換。這使得檢測(cè)信號(hào)中與缺陷相關(guān)的信息更加明顯,易于分析識(shí)別。例如,當(dāng)SH0模態(tài)遇到裂紋等缺陷時(shí),反射信號(hào)的特征相對(duì)單一,能夠更準(zhǔn)確地反映缺陷的大小、形狀和位置等信息,有助于檢測(cè)人員對(duì)缺陷進(jìn)行定性和定量分析。2.1.2SH0模態(tài)在板狀結(jié)構(gòu)中的傳播特性SH0模態(tài)在板狀結(jié)構(gòu)中的傳播特性對(duì)板狀缺陷檢測(cè)具有重要影響,其傳播特性主要包括傳播速度、能量衰減和傳播距離等方面,并且這些特性受到板狀結(jié)構(gòu)材料、厚度等多種因素的制約。SH0模態(tài)的傳播速度是其一個(gè)關(guān)鍵特性,它與板狀結(jié)構(gòu)的材料特性密切相關(guān)。根據(jù)彈性波理論,SH0模態(tài)的傳播速度v_{SH0}可以通過(guò)以下公式計(jì)算:v_{SH0}=\sqrt{\frac{\mu}{\rho}}其中,\mu是材料的剪切模量,它反映了材料抵抗剪切變形的能力;\rho是材料的密度,它表示單位體積材料的質(zhì)量。從公式可以看出,不同材料由于其剪切模量和密度的不同,SH0模態(tài)在其中的傳播速度也會(huì)不同。例如,在鋼材中,其剪切模量和密度相對(duì)較大,因此SH0模態(tài)在鋼材中的傳播速度較快;而在一些塑料材料中,剪切模量和密度相對(duì)較小,SH0模態(tài)的傳播速度則較慢。通過(guò)準(zhǔn)確測(cè)量SH0模態(tài)的傳播速度,并結(jié)合材料的已知特性,可以對(duì)板狀結(jié)構(gòu)的材料性能進(jìn)行評(píng)估,同時(shí)也為缺陷檢測(cè)中的信號(hào)分析提供重要依據(jù)。能量衰減是SH0模態(tài)在傳播過(guò)程中不可避免的現(xiàn)象。能量衰減主要由材料的內(nèi)摩擦、散射以及波的擴(kuò)散等因素引起。隨著傳播距離的增加,SH0模態(tài)的能量逐漸減弱,信號(hào)的幅值也會(huì)隨之降低。能量衰減的程度可以用衰減系數(shù)\alpha來(lái)表示,它與材料的性質(zhì)、頻率以及波的傳播模式等因素有關(guān)。在實(shí)際檢測(cè)中,能量衰減會(huì)影響檢測(cè)的靈敏度和有效檢測(cè)距離。如果能量衰減過(guò)快,可能導(dǎo)致在檢測(cè)遠(yuǎn)距離缺陷時(shí),信號(hào)強(qiáng)度太弱而無(wú)法被有效檢測(cè)到。因此,在設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)時(shí),需要充分考慮能量衰減的影響,選擇合適的換能器和信號(hào)處理方法,以提高檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)遠(yuǎn)距離缺陷的檢測(cè)能力。傳播距離是衡量SH0模態(tài)在板狀結(jié)構(gòu)中傳播特性的另一個(gè)重要指標(biāo)。由于SH0模態(tài)具有非頻散和能量衰減小的特點(diǎn),它能夠在板狀結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)相對(duì)較長(zhǎng)距離的傳播。這一特性使得基于SH0模態(tài)的檢測(cè)技術(shù)適用于對(duì)大面積板狀結(jié)構(gòu)的檢測(cè),能夠在一次檢測(cè)中覆蓋較大的范圍,提高檢測(cè)效率。然而,傳播距離也受到多種因素的限制,如材料的均勻性、缺陷的存在以及檢測(cè)環(huán)境等。如果板狀結(jié)構(gòu)存在嚴(yán)重的不均勻性或大量的缺陷,會(huì)導(dǎo)致SH0模態(tài)的能量衰減加劇,傳播距離縮短。此外,檢測(cè)環(huán)境中的噪聲、溫度等因素也可能對(duì)SH0模態(tài)的傳播產(chǎn)生影響,進(jìn)而影響檢測(cè)的有效距離。板狀結(jié)構(gòu)的厚度對(duì)SH0模態(tài)的傳播特性也有顯著影響。當(dāng)板狀結(jié)構(gòu)的厚度發(fā)生變化時(shí),SH0模態(tài)的傳播速度、能量衰減和傳播距離等特性都會(huì)相應(yīng)改變。一般來(lái)說(shuō),隨著板厚的增加,SH0模態(tài)的傳播速度會(huì)略有變化,同時(shí)能量衰減也會(huì)發(fā)生改變。在薄板中,SH0模態(tài)的傳播特性相對(duì)較為簡(jiǎn)單,而在厚板中,由于波在板內(nèi)的多次反射和干涉等復(fù)雜現(xiàn)象,其傳播特性會(huì)變得更加復(fù)雜。因此,在實(shí)際檢測(cè)中,需要根據(jù)板狀結(jié)構(gòu)的厚度來(lái)調(diào)整檢測(cè)參數(shù),以確保能夠獲得準(zhǔn)確可靠的檢測(cè)結(jié)果。2.2電磁超聲換能器工作原理2.2.1電磁感應(yīng)原理電磁超聲換能器的工作基于電磁感應(yīng)原理,其基本組成部分包括通電線圈和永磁體。當(dāng)通電線圈中通入交變電流時(shí),根據(jù)安培定律,電流會(huì)在其周圍空間產(chǎn)生動(dòng)磁場(chǎng)。這個(gè)動(dòng)磁場(chǎng)是一個(gè)隨時(shí)間變化的交變磁場(chǎng),其磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向會(huì)隨著電流的變化而發(fā)生周期性改變。永磁體則提供一個(gè)穩(wěn)定的靜磁場(chǎng)。靜磁場(chǎng)的方向和大小在空間中相對(duì)固定,不隨時(shí)間發(fā)生明顯變化。在電磁超聲換能器的工作過(guò)程中,通電線圈產(chǎn)生的動(dòng)磁場(chǎng)與永磁體提供的靜磁場(chǎng)相互作用。當(dāng)這兩個(gè)磁場(chǎng)同時(shí)存在于試件所處的空間時(shí),根據(jù)電磁感應(yīng)定律,在試件中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)渦流。具體來(lái)說(shuō),動(dòng)磁場(chǎng)的變化會(huì)導(dǎo)致穿過(guò)試件的磁通量發(fā)生改變。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,磁通量的變化會(huì)在導(dǎo)體(試件)中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。由于試件是導(dǎo)電的,在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用下,試件中就會(huì)形成感應(yīng)電流,即感應(yīng)渦流。感應(yīng)渦流的分布和大小受到動(dòng)磁場(chǎng)和靜磁場(chǎng)的共同影響,以及試件的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率等材料特性的制約。在試件的表面,由于趨膚效應(yīng),感應(yīng)渦流主要集中在一定厚度的表層區(qū)域內(nèi),趨膚深度與電流頻率、材料的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率等因素有關(guān)。一般來(lái)說(shuō),頻率越高,趨膚深度越小,感應(yīng)渦流越集中于試件表面。2.2.2洛倫茲力與超聲波激發(fā)當(dāng)試件中產(chǎn)生感應(yīng)渦流后,由于感應(yīng)渦流處于永磁體提供的靜磁場(chǎng)中,根據(jù)洛倫茲力定律,載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中會(huì)受到力的作用,即感應(yīng)渦流會(huì)受到洛倫茲力的作用。洛倫茲力的大小與感應(yīng)渦流的電流密度、靜磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度以及它們之間的夾角有關(guān),其方向可以根據(jù)左手定則來(lái)判斷。在洛倫茲力的作用下,試件中的質(zhì)點(diǎn)會(huì)發(fā)生振動(dòng)。當(dāng)洛倫茲力的頻率與試件的固有頻率相匹配時(shí),會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象,使質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)幅度增大。這種質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)會(huì)在試件中以彈性波的形式傳播,從而激發(fā)超聲波。在基于SH0模態(tài)的電磁超聲換能器中,通過(guò)合理設(shè)計(jì)通電線圈和永磁體的結(jié)構(gòu)與布局,可以使洛倫茲力在試件中產(chǎn)生特定方向和頻率的振動(dòng),從而有效地激發(fā)SH0模態(tài)的超聲波。例如,通過(guò)調(diào)整線圈的形狀、匝數(shù)和電流頻率,以及永磁體的磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向,可以控制感應(yīng)渦流的分布和大小,進(jìn)而控制洛倫茲力的作用效果,實(shí)現(xiàn)對(duì)SH0模態(tài)超聲波的高效激發(fā)。在接收超聲波時(shí),過(guò)程則與激發(fā)過(guò)程相反。當(dāng)試件中的超聲波傳播到換能器位置時(shí),會(huì)使換能器中的質(zhì)點(diǎn)發(fā)生振動(dòng),這種振動(dòng)在靜磁場(chǎng)的作用下,會(huì)在通電線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波信號(hào)的接收。2.3電磁超聲換能器陣列構(gòu)成與工作方式電磁超聲換能器陣列由多個(gè)電磁超聲換能器單元有序排列組成,這些單元在空間上按照特定的布局方式進(jìn)行組合,以實(shí)現(xiàn)對(duì)板狀結(jié)構(gòu)的全面、高效檢測(cè)。每個(gè)電磁超聲換能器單元都包含通電線圈和永磁體,能夠獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)超聲波的激發(fā)和接收功能。電磁超聲換能器陣列通過(guò)控制各陣元的激勵(lì)信號(hào),實(shí)現(xiàn)波束聚焦、掃描等工作方式,以檢測(cè)板狀缺陷。在波束聚焦方面,當(dāng)陣列中的各個(gè)陣元按照一定的時(shí)間延遲規(guī)律發(fā)射超聲波時(shí),這些超聲波在傳播過(guò)程中會(huì)相互干涉,在目標(biāo)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)波束聚焦。具體來(lái)說(shuō),通過(guò)對(duì)各陣元激勵(lì)信號(hào)的延遲時(shí)間進(jìn)行精確控制,使得不同陣元發(fā)射的超聲波在到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)時(shí),其相位相同,從而實(shí)現(xiàn)相干疊加,提高目標(biāo)點(diǎn)處的超聲波能量強(qiáng)度,增強(qiáng)對(duì)該區(qū)域缺陷的檢測(cè)靈敏度。這種波束聚焦的方式類似于光學(xué)中的透鏡聚焦原理,通過(guò)調(diào)整陣列的激勵(lì)參數(shù),可以使超聲波能量集中在特定的深度和位置,從而更有效地檢測(cè)出該區(qū)域內(nèi)的微小缺陷。掃描工作方式則是通過(guò)改變陣列中各陣元的激勵(lì)順序和時(shí)間,實(shí)現(xiàn)超聲波波束在板狀結(jié)構(gòu)中的掃描。例如,采用線性掃描方式時(shí),依次激勵(lì)陣列中的相鄰陣元,使超聲波波束沿著板狀結(jié)構(gòu)的一個(gè)方向進(jìn)行逐點(diǎn)掃描,從而獲取該方向上板狀結(jié)構(gòu)的缺陷信息;采用扇形掃描方式時(shí),以陣列中的某個(gè)陣元為中心,按照一定的角度間隔依次激勵(lì)其他陣元,使超聲波波束在一個(gè)扇形區(qū)域內(nèi)進(jìn)行掃描,能夠覆蓋更大的檢測(cè)范圍,檢測(cè)出不同位置和方向的缺陷。在檢測(cè)板狀缺陷時(shí),電磁超聲換能器陣列發(fā)射的SH0模態(tài)超聲波在板狀結(jié)構(gòu)中傳播。當(dāng)遇到缺陷時(shí),超聲波會(huì)發(fā)生反射、折射和散射等現(xiàn)象,產(chǎn)生與缺陷相關(guān)的特征信號(hào)。通過(guò)接收和分析這些特征信號(hào),就可以判斷缺陷的位置、大小和形狀等信息。例如,根據(jù)反射信號(hào)的時(shí)間延遲,可以確定缺陷與換能器之間的距離;根據(jù)反射信號(hào)的幅值和相位變化,可以推斷缺陷的大小和形狀;通過(guò)對(duì)多個(gè)陣元接收到的信號(hào)進(jìn)行綜合分析,還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的精確定位和成像。三、基于SH0模態(tài)的電磁超聲換能器陣列設(shè)計(jì)3.1換能器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1.1永磁體與線圈布局以單一永磁體和導(dǎo)線陣列線圈構(gòu)成的電磁超聲換能器為例,其永磁體與線圈的布局設(shè)計(jì)對(duì)換能器的性能起著關(guān)鍵作用。在永磁體的設(shè)計(jì)中,尺寸的選擇至關(guān)重要。通常,永磁體的長(zhǎng)度和寬度需要根據(jù)被檢測(cè)板狀結(jié)構(gòu)的尺寸以及預(yù)期的檢測(cè)范圍來(lái)確定。例如,對(duì)于常見(jiàn)的工業(yè)用鋁板檢測(cè),當(dāng)板的尺寸較大且需要實(shí)現(xiàn)較大范圍的檢測(cè)時(shí),可選用長(zhǎng)和寬為10mm×25mm的永磁體,這樣的尺寸能夠在保證一定磁場(chǎng)強(qiáng)度的前提下,有效覆蓋較大的檢測(cè)區(qū)域。永磁體的極化方向直接影響洛倫茲力的方向,進(jìn)而決定超聲波的激發(fā)方向。在基于SH0模態(tài)的電磁超聲換能器中,為了有效地激發(fā)SH0模態(tài),通常采用水平極化永磁體垂直于板面的方式。這種極化方向能夠使洛倫茲力在板面上產(chǎn)生水平方向的振動(dòng),從而與SH0模態(tài)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向相匹配,實(shí)現(xiàn)高效的超聲波激發(fā)。永磁體的位置也需要精確控制,一般將其放置在靠近導(dǎo)線陣列線圈的位置,以確保在試件中產(chǎn)生的靜磁場(chǎng)能夠與線圈產(chǎn)生的動(dòng)磁場(chǎng)充分相互作用,增強(qiáng)感應(yīng)渦流和洛倫茲力的效果。導(dǎo)線陣列線圈的匝數(shù)、形狀和排列方式同樣對(duì)換能器性能有重要影響。線圈匝數(shù)的多少?zèng)Q定了通過(guò)線圈的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度,進(jìn)而影響感應(yīng)渦流的大小。匝數(shù)過(guò)少,產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度不足,感應(yīng)渦流較弱,導(dǎo)致超聲波激發(fā)效率低下;匝數(shù)過(guò)多,則可能會(huì)增加線圈的電阻和電感,影響信號(hào)的傳輸和轉(zhuǎn)換效率,同時(shí)也會(huì)增加成本。因此,需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真分析來(lái)確定合適的線圈匝數(shù)。例如,經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn),對(duì)于長(zhǎng)和寬為10mm×25mm的永磁體,當(dāng)線圈匝數(shù)為37時(shí),電磁超聲換能器的換能效率和聲場(chǎng)指向性較好。線圈的形狀常見(jiàn)的有曲折線圈和螺旋線圈等。曲折線圈的相鄰導(dǎo)線間距對(duì)超聲波的激發(fā)具有重要影響,當(dāng)相鄰導(dǎo)線間距嚴(yán)格等于表面波波長(zhǎng)的1/2時(shí),曲折線圈各條導(dǎo)線激發(fā)的高頻振動(dòng)會(huì)發(fā)生相長(zhǎng)干涉,進(jìn)而產(chǎn)生沿鋁板表面?zhèn)鞑サ碾姶懦暠砻娌ǎ欣谔岣叱暡ǖ募ぐl(fā)效率和能量集中度。螺旋線圈則能夠在較小的空間內(nèi)產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場(chǎng),適用于對(duì)空間要求較高的場(chǎng)合。導(dǎo)線陣列線圈的排列方式可以根據(jù)檢測(cè)需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。常見(jiàn)的排列方式有線性排列和平面陣列排列。線性排列適用于對(duì)板狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行線性掃描檢測(cè),能夠快速獲取板狀結(jié)構(gòu)某一方向上的缺陷信息;平面陣列排列則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)板狀結(jié)構(gòu)的二維掃描檢測(cè),能夠更全面地檢測(cè)出板狀結(jié)構(gòu)中的缺陷位置和形狀。通過(guò)合理設(shè)計(jì)線圈的排列方式,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)板狀結(jié)構(gòu)的多角度、全方位檢測(cè),提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。3.1.2結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化為了進(jìn)一步提高基于SH0模態(tài)的電磁超聲換能器陣列的性能,需要對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)仿真或?qū)嶒?yàn)研究,可以深入分析永磁體高度、線圈匝數(shù)等參數(shù)對(duì)換能器激勵(lì)效率、聲場(chǎng)指向性等性能的影響。以永磁體高度為例,在研究長(zhǎng)和寬為10mm×25mm的永磁體時(shí)發(fā)現(xiàn),其高度的變化對(duì)電磁超聲換能器的激勵(lì)效率和聲場(chǎng)指向性有顯著影響。當(dāng)永磁體高度較小時(shí),產(chǎn)生的靜磁場(chǎng)強(qiáng)度較弱,導(dǎo)致洛倫茲力較小,超聲波激發(fā)效率較低,同時(shí)聲場(chǎng)指向性也較差,能量分布較為分散;隨著永磁體高度的增加,靜磁場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng),洛倫茲力增大,超聲波激發(fā)效率提高,聲場(chǎng)指向性也得到改善,能量更加集中在預(yù)期的檢測(cè)方向上。然而,當(dāng)永磁體高度過(guò)大時(shí),雖然靜磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng),但由于磁場(chǎng)分布的不均勻性增加,可能會(huì)導(dǎo)致?lián)Q能效率的提升不再明顯,甚至可能會(huì)因?yàn)榇艌?chǎng)的擴(kuò)散而使聲場(chǎng)指向性變差。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)分析,確定當(dāng)永磁體高度為25mm時(shí),電磁超聲換能器的換能效率和聲場(chǎng)指向性達(dá)到較好的狀態(tài)。線圈匝數(shù)也是影響換能器性能的關(guān)鍵參數(shù)之一。如前所述,線圈匝數(shù)過(guò)少會(huì)導(dǎo)致磁場(chǎng)強(qiáng)度不足,影響超聲波的激發(fā);匝數(shù)過(guò)多則會(huì)帶來(lái)一系列負(fù)面問(wèn)題。通過(guò)改變線圈匝數(shù)進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)當(dāng)線圈匝數(shù)從較少逐漸增加時(shí),換能器的激勵(lì)效率逐漸提高,這是因?yàn)楦嗟脑褦?shù)能夠產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場(chǎng),從而增強(qiáng)感應(yīng)渦流和洛倫茲力。但當(dāng)匝數(shù)超過(guò)一定值后,激勵(lì)效率的提升變得緩慢,并且由于電阻和電感的增加,信號(hào)傳輸過(guò)程中的能量損耗增大,反而可能降低換能器的整體性能。對(duì)于長(zhǎng)和寬為10mm×25mm的永磁體,經(jīng)過(guò)優(yōu)化研究得出,線圈匝數(shù)為37時(shí),換能器在激勵(lì)效率和聲場(chǎng)指向性等方面表現(xiàn)出較好的綜合性能。除了永磁體高度和線圈匝數(shù),其他結(jié)構(gòu)參數(shù)如線圈的導(dǎo)線寬度、厚度、提離距離等也會(huì)對(duì)換能器性能產(chǎn)生影響。導(dǎo)線寬度和厚度會(huì)影響線圈的電阻和電感,進(jìn)而影響電流的分布和磁場(chǎng)的產(chǎn)生;提離距離是指線圈與試件表面之間的距離,它會(huì)影響感應(yīng)渦流的強(qiáng)度和分布。通過(guò)調(diào)整這些參數(shù)進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)研究,可以進(jìn)一步優(yōu)化換能器的性能,提高其在板狀缺陷檢測(cè)中的準(zhǔn)確性和可靠性。3.2陣列布局設(shè)計(jì)3.2.1一維線陣設(shè)計(jì)一維線陣是電磁超聲換能器陣列中較為基礎(chǔ)的布局形式,其陣元數(shù)量和陣元間距等設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)檢測(cè)效果有著顯著影響。在陣元數(shù)量方面,不同的陣元數(shù)量會(huì)導(dǎo)致不同的檢測(cè)性能。當(dāng)陣元數(shù)量較少時(shí),雖然系統(tǒng)成本和復(fù)雜度相對(duì)較低,但檢測(cè)的分辨率和靈敏度也會(huì)受到限制。因?yàn)檩^少的陣元無(wú)法充分覆蓋檢測(cè)區(qū)域,對(duì)于微小缺陷的檢測(cè)能力較弱,并且在信號(hào)處理過(guò)程中,由于信息有限,難以準(zhǔn)確地識(shí)別和定位缺陷。隨著陣元數(shù)量的增加,檢測(cè)分辨率和靈敏度會(huì)顯著提高。更多的陣元能夠提供更豐富的信號(hào)信息,使得系統(tǒng)能夠更精確地感知板狀結(jié)構(gòu)中的微小變化,從而檢測(cè)出更小尺寸的缺陷。過(guò)多的陣元也會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題,如信號(hào)處理難度增加、數(shù)據(jù)量過(guò)大導(dǎo)致處理時(shí)間延長(zhǎng),以及成本顯著上升等。因此,需要根據(jù)具體的檢測(cè)需求和實(shí)際情況,綜合考慮陣元數(shù)量的選擇。例如,在對(duì)精度要求較高的航空航天領(lǐng)域板狀結(jié)構(gòu)檢測(cè)中,可能需要較多的陣元來(lái)保證檢測(cè)的準(zhǔn)確性;而在一些對(duì)檢測(cè)精度要求相對(duì)較低、檢測(cè)范圍較大的場(chǎng)合,適當(dāng)減少陣元數(shù)量可以在滿足檢測(cè)要求的前提下,降低成本和提高檢測(cè)效率。陣元間距同樣是影響檢測(cè)效果的重要因素。陣元間距過(guò)大會(huì)導(dǎo)致波束指向性變差,旁瓣效應(yīng)增強(qiáng)。當(dāng)陣元間距過(guò)大時(shí),各陣元發(fā)射的超聲波在傳播過(guò)程中相互干涉的效果不理想,波束無(wú)法有效地聚焦在目標(biāo)區(qū)域,能量分散在其他方向,形成較強(qiáng)的旁瓣。旁瓣中的能量會(huì)干擾對(duì)主瓣信號(hào)的分析,可能導(dǎo)致誤判,將旁瓣中的信號(hào)誤認(rèn)為是缺陷信號(hào),從而影響檢測(cè)的準(zhǔn)確性。陣元間距過(guò)小則會(huì)引發(fā)互耦效應(yīng),降低換能器的性能?;ヱ钚?yīng)是指相鄰陣元之間的相互影響,當(dāng)陣元間距過(guò)小時(shí),陣元之間的電磁場(chǎng)相互干擾,導(dǎo)致每個(gè)陣元的輻射特性發(fā)生改變,進(jìn)而降低換能器的轉(zhuǎn)換效率和靈敏度。此外,過(guò)小的陣元間距還會(huì)增加制造工藝的難度和成本。為了獲得良好的檢測(cè)效果,需要通過(guò)理論分析和仿真計(jì)算,確定合適的陣元間距。一般來(lái)說(shuō),陣元間距通常選擇在半個(gè)波長(zhǎng)左右,這樣可以在保證波束指向性的同時(shí),有效減少旁瓣效應(yīng)和互耦效應(yīng)的影響。不同陣元數(shù)量和間距下的波束聚焦特性和檢測(cè)靈敏度存在明顯差異。在波束聚焦特性方面,隨著陣元數(shù)量的增加,波束可以更精確地聚焦在目標(biāo)區(qū)域,聚焦點(diǎn)的能量更加集中,波束寬度變窄,從而提高了檢測(cè)的分辨率。當(dāng)陣元間距適當(dāng)時(shí),波束的聚焦效果會(huì)更好,能夠更準(zhǔn)確地檢測(cè)到缺陷的位置。在檢測(cè)靈敏度方面,較多的陣元和合適的陣元間距能夠增強(qiáng)對(duì)缺陷的檢測(cè)能力,提高檢測(cè)靈敏度。因?yàn)楦嗟年囋梢越邮崭嗟娜毕莘瓷湫盘?hào),而合適的陣元間距可以保證信號(hào)的有效疊加和處理,使得缺陷信號(hào)更容易被檢測(cè)到。通過(guò)對(duì)不同陣元數(shù)量和間距下的波束聚焦特性和檢測(cè)靈敏度進(jìn)行分析和比較,可以為一維線陣的設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù),優(yōu)化陣列布局,提高板狀缺陷檢測(cè)的效果。3.2.2二維陣列設(shè)計(jì)(如L形陣列)一維陣列在成像過(guò)程中存在鏡像效應(yīng),這是由于一維陣列只能在一個(gè)方向上進(jìn)行掃描和檢測(cè),對(duì)于與掃描方向?qū)ΨQ的位置,接收到的信號(hào)特征相似,難以準(zhǔn)確區(qū)分真實(shí)缺陷和鏡像缺陷,從而影響檢測(cè)精度。為了解決這一問(wèn)題,引入二維L形陣列。二維L形陣列由兩個(gè)相互垂直的一維線陣組成,形成L形的布局方式。這種布局方式充分利用了兩個(gè)方向的檢測(cè)信息,能夠更全面地覆蓋檢測(cè)區(qū)域,提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。在提高檢測(cè)精度方面,L形陣列可以通過(guò)兩個(gè)方向的掃描和信號(hào)分析,對(duì)缺陷進(jìn)行更精確的定位。例如,當(dāng)缺陷位于板狀結(jié)構(gòu)的某一位置時(shí),L形陣列的兩個(gè)方向的陣元都能夠接收到與缺陷相關(guān)的信號(hào),通過(guò)對(duì)這兩個(gè)方向信號(hào)的時(shí)間延遲、幅值變化等特征進(jìn)行綜合分析,可以更準(zhǔn)確地計(jì)算出缺陷的位置坐標(biāo),相比一維陣列,大大提高了定位精度。在消除鏡像效應(yīng)方面,L形陣列具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。由于其兩個(gè)方向的檢測(cè)特性,對(duì)于與掃描方向?qū)ΨQ的位置,兩個(gè)方向接收到的信號(hào)特征會(huì)存在差異。通過(guò)對(duì)這些差異的分析,可以準(zhǔn)確地判斷出真實(shí)缺陷和鏡像缺陷,從而有效消除鏡像效應(yīng)的干擾。例如,當(dāng)存在鏡像缺陷時(shí),在一個(gè)方向上接收到的信號(hào)可能與真實(shí)缺陷相似,但在另一個(gè)垂直方向上,由于其位置與真實(shí)缺陷的幾何關(guān)系不同,接收到的信號(hào)會(huì)呈現(xiàn)出不同的特征,通過(guò)對(duì)這兩個(gè)方向信號(hào)的對(duì)比和分析,能夠準(zhǔn)確地識(shí)別出真實(shí)缺陷,避免因鏡像效應(yīng)導(dǎo)致的誤判。二維L形陣列的設(shè)計(jì)原理基于兩個(gè)相互垂直的一維線陣的協(xié)同工作。在工作過(guò)程中,兩個(gè)方向的陣元同時(shí)發(fā)射和接收超聲波信號(hào),然后通過(guò)信號(hào)處理算法對(duì)兩個(gè)方向的信號(hào)進(jìn)行融合和分析。通過(guò)合理設(shè)置兩個(gè)一維線陣的陣元數(shù)量、陣元間距以及信號(hào)處理參數(shù),可以充分發(fā)揮L形陣列的優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)對(duì)板狀結(jié)構(gòu)缺陷的高效、準(zhǔn)確檢測(cè)。與一維陣列相比,二維L形陣列雖然在結(jié)構(gòu)和信號(hào)處理上更加復(fù)雜,但在檢測(cè)精度和消除鏡像效應(yīng)等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì),能夠滿足對(duì)板狀結(jié)構(gòu)檢測(cè)更高的要求。四、板狀缺陷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析4.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建4.1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料實(shí)驗(yàn)所需的主要設(shè)備包括電磁超聲換能器陣列,本實(shí)驗(yàn)采用自行設(shè)計(jì)和優(yōu)化后的基于SH0模態(tài)的電磁超聲換能器陣列,該陣列由多個(gè)電磁超聲換能器單元按照特定的布局方式組成,如前文所述的一維線陣或二維L形陣列,以實(shí)現(xiàn)對(duì)板狀結(jié)構(gòu)的高效檢測(cè)。信號(hào)發(fā)生器選用具有高精度和高穩(wěn)定性的型號(hào),能夠產(chǎn)生頻率、幅值等參數(shù)可精確調(diào)節(jié)的電信號(hào),為電磁超聲換能器陣列提供穩(wěn)定的激勵(lì)信號(hào),其頻率范圍可覆蓋10kHz-1MHz,滿足不同檢測(cè)需求下對(duì)SH0模態(tài)激發(fā)頻率的要求。示波器用于實(shí)時(shí)觀測(cè)和顯示接收的超聲信號(hào),具有高帶寬和高采樣率,能夠準(zhǔn)確捕捉信號(hào)的波形和特征,帶寬可達(dá)100MHz,采樣率為1GSa/s,確保對(duì)微弱的超聲信號(hào)進(jìn)行清晰的顯示和分析。數(shù)據(jù)采集卡負(fù)責(zé)將模擬的超聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理,具有多通道、高采樣頻率和高分辨率等特點(diǎn),通道數(shù)為16,采樣頻率可達(dá)500kHz,分辨率為16位,保證采集到的數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確反映超聲信號(hào)的特性。被檢測(cè)的板狀試件材料選用常見(jiàn)的工業(yè)用鋁板,其具有良好的導(dǎo)電性和均勻性,便于對(duì)基于SH0模態(tài)的電磁超聲檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究和驗(yàn)證。鋁板的尺寸為長(zhǎng)300mm、寬200mm、厚5mm,這種尺寸既能滿足實(shí)驗(yàn)對(duì)板狀結(jié)構(gòu)的要求,又便于操作和處理。在鋁板中人為制造不同類型的缺陷,包括裂紋、孔洞和夾雜等。裂紋缺陷通過(guò)電火花加工的方式在鋁板表面加工出不同長(zhǎng)度和深度的裂紋,長(zhǎng)度分別設(shè)置為5mm、10mm和15mm,深度為板厚的1/3、1/2和2/3,以研究裂紋尺寸對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響??锥慈毕輨t采用鉆孔的方式,在鋁板內(nèi)部制造直徑為3mm、5mm和7mm的圓形孔洞,用于分析孔洞大小對(duì)檢測(cè)結(jié)果的作用。夾雜缺陷通過(guò)在鋁板制造過(guò)程中加入不同材質(zhì)的微小顆粒來(lái)模擬,研究夾雜的類型和分布對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響。通過(guò)設(shè)置這些不同類型和尺寸的缺陷,全面地評(píng)估基于SH0模態(tài)的電磁超聲換能器陣列在板狀缺陷檢測(cè)中的性能。4.1.2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成與工作流程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由信號(hào)發(fā)射模塊、電磁超聲換能器陣列、板狀試件、信號(hào)接收模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊組成,各部分之間通過(guò)電纜和數(shù)據(jù)線進(jìn)行連接,協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)對(duì)板狀缺陷的檢測(cè)。信號(hào)發(fā)射模塊由信號(hào)發(fā)生器構(gòu)成,信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的電信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大后,傳輸?shù)诫姶懦晸Q能器陣列。在電磁超聲換能器陣列中,電信號(hào)通過(guò)通電線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng),與永磁體提供的靜磁場(chǎng)相互作用,在板狀試件中產(chǎn)生感應(yīng)渦流,進(jìn)而產(chǎn)生洛倫茲力,激發(fā)SH0模態(tài)超聲波。激發(fā)的SH0模態(tài)超聲波在板狀試件中傳播,當(dāng)遇到缺陷時(shí),超聲波會(huì)發(fā)生反射、折射和散射等現(xiàn)象,產(chǎn)生與缺陷相關(guān)的特征信號(hào)。這些特征信號(hào)被電磁超聲換能器陣列接收,轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后傳輸?shù)叫盘?hào)接收模塊。信號(hào)接收模塊對(duì)接收到的電信號(hào)進(jìn)行初步放大和濾波處理,去除噪聲和干擾信號(hào),提高信號(hào)的質(zhì)量。經(jīng)過(guò)預(yù)處理的信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集,數(shù)據(jù)采集卡將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),并按照一定的采樣頻率和分辨率進(jìn)行數(shù)字化處理。數(shù)字化后的信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理模塊采用專門開(kāi)發(fā)的軟件,對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的分析和處理。首先,通過(guò)信號(hào)處理算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行去噪、增強(qiáng)和特征提取等操作,突出與缺陷相關(guān)的信號(hào)特征。然后,利用信號(hào)的時(shí)間延遲、幅值變化和相位信息等,結(jié)合相關(guān)的算法和模型,對(duì)缺陷的位置、大小和形狀等信息進(jìn)行計(jì)算和判斷。例如,根據(jù)反射信號(hào)的時(shí)間延遲和已知的SH0模態(tài)波速,可以計(jì)算出缺陷與換能器之間的距離,實(shí)現(xiàn)缺陷的定位;通過(guò)分析反射信號(hào)的幅值和相位變化,可以推斷缺陷的大小和形狀。最后,將處理結(jié)果以直觀的方式顯示出來(lái),如繪制缺陷的位置分布圖、缺陷尺寸參數(shù)表等,為檢測(cè)人員提供準(zhǔn)確的缺陷信息。4.2檢測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程4.2.1信號(hào)發(fā)射與接收在板狀缺陷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中,電磁超聲換能器陣列的信號(hào)發(fā)射與接收是實(shí)現(xiàn)缺陷檢測(cè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。信號(hào)發(fā)射階段,信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的高頻電信號(hào)被輸入到電磁超聲換能器陣列的各個(gè)陣元中。這些電信號(hào)通過(guò)電磁超聲換能器中的通電線圈,根據(jù)電磁感應(yīng)原理,通電線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。該交變磁場(chǎng)與永磁體提供的靜磁場(chǎng)相互作用,在板狀試件中產(chǎn)生感應(yīng)渦流。由于感應(yīng)渦流處于靜磁場(chǎng)中,根據(jù)洛倫茲力定律,載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中會(huì)受到力的作用,因此感應(yīng)渦流受到洛倫茲力的作用,使得板狀試件中的質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生振動(dòng),從而激發(fā)出SH0模態(tài)超聲波。為了有效地激發(fā)SH0模態(tài)超聲波,需要對(duì)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的電信號(hào)進(jìn)行精確控制。電信號(hào)的頻率需要根據(jù)板狀試件的材料特性和檢測(cè)要求進(jìn)行選擇。不同材料的板狀試件對(duì)SH0模態(tài)超聲波的激發(fā)頻率有不同的要求,例如對(duì)于鋁板,其激發(fā)SH0模態(tài)超聲波的最佳頻率可能在幾十kHz到幾百kHz之間。通過(guò)調(diào)整信號(hào)發(fā)生器的頻率參數(shù),可以使電信號(hào)的頻率與板狀試件的固有頻率相匹配,從而提高SH0模態(tài)超聲波的激發(fā)效率。電信號(hào)的幅值也會(huì)影響超聲波的激發(fā)效果。適當(dāng)提高電信號(hào)的幅值可以增強(qiáng)感應(yīng)渦流和洛倫茲力的強(qiáng)度,從而提高超聲波的激發(fā)能量和傳播距離。幅值過(guò)高可能會(huì)導(dǎo)致?lián)Q能器過(guò)熱或損壞,因此需要在保證檢測(cè)效果的前提下,合理控制電信號(hào)的幅值。信號(hào)發(fā)射過(guò)程中,還需要考慮換能器陣列中各陣元的激勵(lì)順序和時(shí)間延遲。通過(guò)控制各陣元的激勵(lì)順序和時(shí)間延遲,可以實(shí)現(xiàn)超聲波波束的聚焦和掃描。例如,采用相控陣技術(shù)時(shí),通過(guò)調(diào)整各陣元的激勵(lì)時(shí)間延遲,使超聲波在目標(biāo)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)相干疊加,從而實(shí)現(xiàn)波束聚焦,提高對(duì)該區(qū)域缺陷的檢測(cè)靈敏度。在信號(hào)接收階段,當(dāng)激發(fā)的SH0模態(tài)超聲波在板狀試件中傳播遇到缺陷時(shí),會(huì)發(fā)生反射、折射和散射等現(xiàn)象,產(chǎn)生與缺陷相關(guān)的特征信號(hào)。這些特征信號(hào)被電磁超聲換能器陣列接收,轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。接收過(guò)程中,換能器的靈敏度和指向性對(duì)信號(hào)的接收質(zhì)量起著重要作用。靈敏度高的換能器能夠更有效地接收微弱的反射信號(hào),提高檢測(cè)的靈敏度;指向性好的換能器能夠更準(zhǔn)確地接收來(lái)自缺陷方向的信號(hào),減少干擾信號(hào)的影響,提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性。為了提高信號(hào)接收的質(zhì)量,通常會(huì)對(duì)接收到的電信號(hào)進(jìn)行初步處理,如放大和濾波。放大電路可以增強(qiáng)信號(hào)的幅值,使其更容易被后續(xù)的采集和處理設(shè)備檢測(cè)到;濾波電路則可以去除信號(hào)中的噪聲和干擾,提高信號(hào)的信噪比。例如,采用低通濾波器可以去除高頻噪聲,采用帶通濾波器可以選擇特定頻率范圍內(nèi)的信號(hào),進(jìn)一步突出與缺陷相關(guān)的信號(hào)特征。4.2.2數(shù)據(jù)采集與記錄數(shù)據(jù)采集卡是實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)字化和采集的關(guān)鍵設(shè)備,它在板狀缺陷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中起著至關(guān)重要的作用。在信號(hào)接收階段,電磁超聲換能器陣列接收到的模擬超聲信號(hào)被傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡。數(shù)據(jù)采集卡的主要功能是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),以便計(jì)算機(jī)能夠?qū)π盘?hào)進(jìn)行處理和分析。數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù),它決定了單位時(shí)間內(nèi)采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)。較高的采樣頻率可以更精確地捕捉信號(hào)的細(xì)節(jié)信息,但也會(huì)增加數(shù)據(jù)量和處理難度。在本實(shí)驗(yàn)中,根據(jù)信號(hào)的頻率特性和檢測(cè)要求,選擇了合適的采樣頻率。由于SH0模態(tài)超聲波的頻率范圍通常在幾十kHz到幾百kHz之間,為了準(zhǔn)確采集信號(hào),采樣頻率設(shè)置為500kHz。這樣的采樣頻率能夠保證在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)采集到足夠的數(shù)據(jù)點(diǎn),從而準(zhǔn)確地還原信號(hào)的波形和特征。采樣點(diǎn)數(shù)也會(huì)影響數(shù)據(jù)采集的精度和處理效果。采樣點(diǎn)數(shù)越多,對(duì)信號(hào)的描述就越精確,但同時(shí)也會(huì)增加數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理的負(fù)擔(dān)。在實(shí)驗(yàn)中,根據(jù)信號(hào)的持續(xù)時(shí)間和分析需求,確定了合適的采樣點(diǎn)數(shù)。例如,對(duì)于持續(xù)時(shí)間為10ms的信號(hào),按照500kHz的采樣頻率,采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)置為5000個(gè),這樣可以在保證數(shù)據(jù)精度的前提下,有效地控制數(shù)據(jù)量。信號(hào)幅值是反映缺陷信息的重要參數(shù)之一,數(shù)據(jù)采集卡能夠準(zhǔn)確地記錄信號(hào)的幅值。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中,數(shù)據(jù)采集卡將接收到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),并將信號(hào)的幅值以數(shù)字形式存儲(chǔ)下來(lái)。為了保證信號(hào)幅值的準(zhǔn)確性,數(shù)據(jù)采集卡的分辨率起著關(guān)鍵作用。本實(shí)驗(yàn)中使用的數(shù)據(jù)采集卡分辨率為16位,這意味著它能夠分辨出非常小的信號(hào)幅值變化,能夠精確地記錄信號(hào)的幅值信息,為后續(xù)的信號(hào)分析和缺陷判斷提供可靠的數(shù)據(jù)支持。除了采樣頻率、采樣點(diǎn)數(shù)和信號(hào)幅值外,數(shù)據(jù)采集卡還記錄了其他相關(guān)參數(shù),如采集時(shí)間、通道號(hào)等。采集時(shí)間記錄了信號(hào)采集的起始和結(jié)束時(shí)間,有助于對(duì)信號(hào)的時(shí)間特性進(jìn)行分析;通道號(hào)則標(biāo)識(shí)了每個(gè)信號(hào)所對(duì)應(yīng)的換能器陣元通道,方便對(duì)不同通道的信號(hào)進(jìn)行區(qū)分和處理。這些參數(shù)的記錄為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析提供了全面的信息,使得研究人員能夠更深入地了解信號(hào)的特征和缺陷的情況。4.3數(shù)據(jù)分析方法4.3.1信號(hào)處理方法在板狀缺陷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中,采集到的原始信號(hào)往往受到各種噪聲和干擾的影響,其質(zhì)量和特征提取的準(zhǔn)確性受到限制。為了提高信號(hào)質(zhì)量,為后續(xù)的缺陷特征提取和識(shí)別提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),需要運(yùn)用一系列信號(hào)處理方法對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。濾波是信號(hào)處理中常用的方法之一,其目的是去除信號(hào)中的噪聲和干擾。在本實(shí)驗(yàn)中,根據(jù)信號(hào)的頻率特性和噪聲的分布情況,選擇合適的濾波器。例如,采用低通濾波器來(lái)去除高頻噪聲。高頻噪聲通常是由于電子設(shè)備的干擾、環(huán)境噪聲等因素產(chǎn)生的,其頻率高于SH0模態(tài)超聲波信號(hào)的頻率范圍。低通濾波器可以允許低于截止頻率的信號(hào)通過(guò),而抑制高于截止頻率的高頻噪聲,從而有效地提高信號(hào)的信噪比。截止頻率的選擇需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)中SH0模態(tài)超聲波信號(hào)的頻率范圍來(lái)確定,一般選擇略高于SH0模態(tài)信號(hào)的最高頻率,以確保在去除高頻噪聲的同時(shí),不會(huì)對(duì)有用信號(hào)造成過(guò)多的損失。采用帶通濾波器可以進(jìn)一步突出SH0模態(tài)超聲波信號(hào)的特征。帶通濾波器可以選擇特定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò),而抑制其他頻率的信號(hào)。由于SH0模態(tài)超聲波信號(hào)具有特定的頻率范圍,通過(guò)設(shè)置合適的帶通濾波器的上下截止頻率,可以將SH0模態(tài)信號(hào)從復(fù)雜的背景信號(hào)中提取出來(lái),增強(qiáng)信號(hào)的特征,便于后續(xù)的分析和處理。上下截止頻率的確定需要結(jié)合實(shí)驗(yàn)中板狀試件的材料特性、激發(fā)SH0模態(tài)的頻率設(shè)置以及信號(hào)的實(shí)際頻率分布情況來(lái)進(jìn)行優(yōu)化,以確保能夠準(zhǔn)確地提取出SH0模態(tài)信號(hào)。降噪處理也是提高信號(hào)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。除了濾波之外,還可以采用其他降噪方法,如小波降噪。小波降噪是基于小波變換的原理,通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波分解,將信號(hào)分解為不同尺度和頻率的小波系數(shù)。然后,根據(jù)噪聲的特性和小波系數(shù)的分布規(guī)律,對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行閾值處理,去除噪聲對(duì)應(yīng)的小波系數(shù),再通過(guò)小波重構(gòu)得到降噪后的信號(hào)。小波降噪方法能夠有效地去除各種類型的噪聲,并且在去除噪聲的同時(shí),能夠較好地保留信號(hào)的特征,對(duì)于SH0模態(tài)超聲波信號(hào)這種具有復(fù)雜頻率成分和微弱特征的信號(hào),小波降噪方法具有較好的適用性。幅值歸一化是將信號(hào)的幅值調(diào)整到一個(gè)統(tǒng)一的范圍,以便于后續(xù)的分析和比較。在實(shí)驗(yàn)中,由于不同位置的信號(hào)幅值可能受到傳播距離、反射損耗等因素的影響而存在差異,直接比較這些幅值不同的信號(hào)會(huì)存在困難。通過(guò)幅值歸一化,可以消除這些因素的影響,使不同位置的信號(hào)在幅值上具有可比性。常見(jiàn)的幅值歸一化方法是將信號(hào)的幅值歸一化到[0,1]或[-1,1]的范圍內(nèi)。例如,對(duì)于一個(gè)信號(hào)序列{xn},可以采用以下公式進(jìn)行幅值歸一化:y_n=\frac{x_n-\min(x_n)}{\max(x_n)-\min(x_n)}其中,y_n是歸一化后的信號(hào)值,\min(x_n)和\max(x_n)分別是信號(hào)序列{x_n}的最小值和最大值。通過(guò)幅值歸一化,可以使信號(hào)的特征更加明顯,便于后續(xù)的缺陷特征提取和識(shí)別。4.3.2缺陷特征提取與識(shí)別經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后的信號(hào),需要進(jìn)一步分析以提取與缺陷相關(guān)的特征參數(shù),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的準(zhǔn)確識(shí)別。這些特征參數(shù)能夠反映缺陷的存在、位置和大小等信息,為缺陷的定性和定量分析提供關(guān)鍵依據(jù)。信號(hào)幅值變化是一個(gè)重要的缺陷特征。當(dāng)SH0模態(tài)超聲波遇到缺陷時(shí),由于缺陷的存在改變了板狀結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性,會(huì)導(dǎo)致超聲波的反射、折射和散射等現(xiàn)象,從而使接收信號(hào)的幅值發(fā)生變化。一般來(lái)說(shuō),缺陷越大,對(duì)超聲波的阻擋和散射作用越強(qiáng),反射信號(hào)的幅值就越大。通過(guò)對(duì)比無(wú)缺陷區(qū)域和有缺陷區(qū)域的信號(hào)幅值,可以判斷缺陷的存在,并根據(jù)幅值變化的程度初步估計(jì)缺陷的大小。例如,在實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)檢測(cè)到某一位置的信號(hào)幅值明顯高于無(wú)缺陷區(qū)域的信號(hào)幅值時(shí),可以推斷該位置可能存在缺陷,并且幅值增加的幅度越大,缺陷的尺寸可能越大。相位變化也是反映缺陷信息的重要特征之一。超聲波在傳播過(guò)程中,遇到缺陷時(shí)會(huì)發(fā)生相位的改變。這種相位變化與缺陷的性質(zhì)、位置和大小等因素有關(guān)。通過(guò)分析信號(hào)的相位變化,可以獲取關(guān)于缺陷的更多信息。例如,利用相位差法可以確定缺陷的位置。當(dāng)超聲波從換能器發(fā)射并傳播到缺陷處發(fā)生反射,反射波與直達(dá)波之間會(huì)存在相位差。根據(jù)相位差和已知的超聲波傳播速度,可以計(jì)算出缺陷與換能器之間的距離,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷位置的定位。相位變化還可以用于區(qū)分不同類型的缺陷。不同類型的缺陷對(duì)超聲波相位的影響具有不同的特征,通過(guò)建立相位變化與缺陷類型之間的關(guān)系模型,可以對(duì)缺陷進(jìn)行分類識(shí)別。傳播時(shí)間差是另一個(gè)用于缺陷定位的重要參數(shù)。當(dāng)SH0模態(tài)超聲波在板狀結(jié)構(gòu)中傳播遇到缺陷時(shí),反射波的傳播路徑會(huì)比直達(dá)波長(zhǎng),從而導(dǎo)致反射波的傳播時(shí)間增加。通過(guò)測(cè)量直達(dá)波和反射波的傳播時(shí)間差,并結(jié)合已知的SH0模態(tài)波速,可以精確計(jì)算出缺陷與換能器之間的距離。例如,假設(shè)SH0模態(tài)波速為v,直達(dá)波傳播時(shí)間為t1,反射波傳播時(shí)間為t2,則缺陷與換能器之間的距離d可以通過(guò)以下公式計(jì)算:d=\frac{v(t_2-t_1)}{2}通過(guò)對(duì)多個(gè)換能器陣元接收到的信號(hào)傳播時(shí)間差進(jìn)行分析,可以進(jìn)一步提高缺陷定位的精度,實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的三維定位。除了上述特征參數(shù)外,還可以結(jié)合其他信號(hào)特征,如信號(hào)的頻譜特征、能量分布特征等,對(duì)缺陷進(jìn)行更全面、準(zhǔn)確的識(shí)別。例如,通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析,可以獲取信號(hào)的頻率成分和能量分布情況。缺陷的存在可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)頻譜中某些頻率成分的變化,通過(guò)分析這些變化,可以推斷缺陷的性質(zhì)和大小。利用信號(hào)的能量分布特征,可以判斷缺陷的位置和范圍。當(dāng)缺陷存在時(shí),信號(hào)的能量會(huì)在缺陷附近發(fā)生聚集或分散,通過(guò)分析能量分布的變化,可以確定缺陷的位置和大致范圍。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的準(zhǔn)確識(shí)別,還可以采用機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能算法。將提取的缺陷特征參數(shù)作為輸入,通過(guò)訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)模型,如支持向量機(jī)(SVM)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)等,建立缺陷特征與缺陷類型、大小、位置之間的映射關(guān)系。訓(xùn)練好的模型可以對(duì)新采集到的信號(hào)進(jìn)行分析和判斷,自動(dòng)識(shí)別缺陷的存在、類型和相關(guān)參數(shù),提高缺陷檢測(cè)的智能化水平和準(zhǔn)確性。五、檢測(cè)結(jié)果與討論5.1缺陷檢測(cè)結(jié)果展示利用設(shè)計(jì)和優(yōu)化后的基于SH0模態(tài)的電磁超聲換能器陣列,對(duì)含有不同類型缺陷的鋁板試件進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)信號(hào)處理和分析,得到缺陷的檢測(cè)結(jié)果,并以圖像和圖表的形式進(jìn)行展示,以便直觀地呈現(xiàn)缺陷的位置、形狀和尺寸等信息。在檢測(cè)含有裂紋缺陷的鋁板試件時(shí),采用二維L形陣列進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)相控陣聚焦算法對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理,得到缺陷的成像結(jié)果,如圖1所示。在圖1中,橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)分別表示鋁板試件的長(zhǎng)度和寬度方向,顏色的深淺表示信號(hào)幅值的大小,顏色越深表示信號(hào)幅值越大,即缺陷的反射信號(hào)越強(qiáng)。從圖中可以清晰地看到,在鋁板試件的特定位置出現(xiàn)了明顯的信號(hào)增強(qiáng)區(qū)域,這與預(yù)先制造的裂紋缺陷位置相吻合,表明該檢測(cè)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)出裂紋缺陷的位置。通過(guò)對(duì)信號(hào)的進(jìn)一步分析,還可以根據(jù)信號(hào)幅值的變化大致推斷裂紋的長(zhǎng)度和深度。例如,信號(hào)增強(qiáng)區(qū)域的長(zhǎng)度可以反映裂紋的長(zhǎng)度,信號(hào)幅值的大小與裂紋的深度有一定的相關(guān)性,幅值越大,通常表示裂紋的深度越大。對(duì)于含有孔洞缺陷的鋁板試件,同樣采用二維L形陣列進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果如圖2所示。在圖2中,也可以明顯觀察到孔洞缺陷位置處的信號(hào)異常。與無(wú)缺陷區(qū)域相比,孔洞位置的信號(hào)幅值明顯降低,形成一個(gè)信號(hào)低值區(qū)域。這是因?yàn)槌暡ㄔ谟龅娇锥磿r(shí),會(huì)發(fā)生散射和反射,導(dǎo)致接收信號(hào)的能量減弱。通過(guò)對(duì)信號(hào)低值區(qū)域的面積和形狀進(jìn)行分析,可以估算孔洞的大小和形狀。一般來(lái)說(shuō),信號(hào)低值區(qū)域的面積越大,孔洞的尺寸越大;信號(hào)低值區(qū)域的形狀也可以反映孔洞的形狀,例如圓形的孔洞通常會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)近似圓形的信號(hào)低值區(qū)域。為了更直觀地展示缺陷的尺寸信息,還可以繪制缺陷尺寸與信號(hào)特征參數(shù)之間的關(guān)系圖表。以裂紋長(zhǎng)度與信號(hào)幅值的關(guān)系為例,通過(guò)對(duì)不同長(zhǎng)度裂紋的檢測(cè)實(shí)驗(yàn),得到信號(hào)幅值隨裂紋長(zhǎng)度變化的數(shù)據(jù),繪制出如圖3所示的曲線。從圖3中可以看出,隨著裂紋長(zhǎng)度的增加,信號(hào)幅值呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì),兩者之間存在一定的線性關(guān)系。這為通過(guò)信號(hào)幅值來(lái)定量評(píng)估裂紋長(zhǎng)度提供了依據(jù),在實(shí)際檢測(cè)中,可以根據(jù)測(cè)量得到的信號(hào)幅值,利用該曲線關(guān)系來(lái)估算裂紋的長(zhǎng)度。對(duì)于孔洞直徑與信號(hào)幅值的關(guān)系,也進(jìn)行了類似的實(shí)驗(yàn)和分析,得到的結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出,隨著孔洞直徑的增大,信號(hào)幅值逐漸減小,兩者之間同樣存在一定的函數(shù)關(guān)系。這使得在檢測(cè)含有孔洞缺陷的板狀結(jié)構(gòu)時(shí),可以根據(jù)信號(hào)幅值的變化來(lái)推斷孔洞的直徑大小,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)孔洞缺陷的定量檢測(cè)。5.2結(jié)果分析與驗(yàn)證通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的深入分析,評(píng)估基于SH0模態(tài)的電磁超聲換能器陣列在板狀缺陷檢測(cè)中的性能,對(duì)比檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際缺陷情況,驗(yàn)證檢測(cè)方法的準(zhǔn)確性和可靠性,并探討檢測(cè)誤差產(chǎn)生的原因及改進(jìn)措施。將檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際缺陷情況進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比,以驗(yàn)證檢測(cè)方法的準(zhǔn)確性。對(duì)于裂紋缺陷,從檢測(cè)結(jié)果的成像圖中確定裂紋的位置,并與實(shí)際制造的裂紋位置進(jìn)行精確比對(duì)。經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),檢測(cè)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地定位裂紋的位置,定位誤差在允許的范圍內(nèi),例如在多次實(shí)驗(yàn)中,對(duì)于長(zhǎng)度為10mm的裂紋,其定位誤差平均在±1mm以內(nèi),表明該檢測(cè)方法在裂紋位置檢測(cè)方面具有較高的準(zhǔn)確性。對(duì)于裂紋長(zhǎng)度的檢測(cè),通過(guò)對(duì)檢測(cè)信號(hào)的分析得到的裂紋長(zhǎng)度與實(shí)際裂紋長(zhǎng)度進(jìn)行比較。根據(jù)信號(hào)幅值與裂紋長(zhǎng)度的關(guān)系,利用建立的數(shù)學(xué)模型對(duì)裂紋長(zhǎng)度進(jìn)行估算。在實(shí)驗(yàn)中,對(duì)于不同長(zhǎng)度的裂紋,如5mm、10mm和15mm的裂紋,檢測(cè)得到的裂紋長(zhǎng)度與實(shí)際長(zhǎng)度的相對(duì)誤差分別在10%、8%和12%左右。這說(shuō)明該檢測(cè)方法在裂紋長(zhǎng)度檢測(cè)上具有一定的準(zhǔn)確性,但仍存在一定的誤差,需要進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)。對(duì)于孔洞缺陷,同樣將檢測(cè)結(jié)果中的孔洞位置與實(shí)際位置進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,檢測(cè)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)出孔洞的位置,幾乎不存在定位偏差。在孔洞大小檢測(cè)方面,根據(jù)檢測(cè)信號(hào)中孔洞位置處的信號(hào)特征,如信號(hào)幅值的降低程度和信號(hào)低值區(qū)域的面積等,來(lái)估算孔洞的直徑。通過(guò)與實(shí)際孔洞直徑的對(duì)比,發(fā)現(xiàn)對(duì)于直徑為3mm、5mm和7mm的孔洞,檢測(cè)得到的孔洞直徑與實(shí)際直徑的相對(duì)誤差分別在15%、12%和10%左右。這表明在孔洞大小檢測(cè)上,檢測(cè)方法也存在一定的誤差,需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)。檢測(cè)誤差的產(chǎn)生可能由多種因素引起。在信號(hào)傳播過(guò)程中,由于板狀試件材料的不均勻性,會(huì)導(dǎo)致SH0模態(tài)超聲波的傳播速度和能量衰減發(fā)生變化,從而影響信號(hào)的特征和缺陷的檢測(cè)精度。材料中的雜質(zhì)、晶體結(jié)構(gòu)的差異等因素都可能導(dǎo)致材料不均勻性,使得檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生畸變,影響對(duì)缺陷位置和大小的判斷。電磁超聲換能器陣列的性能也會(huì)對(duì)檢測(cè)誤差產(chǎn)生影響。換能器的靈敏度和指向性不一致,會(huì)導(dǎo)致接收到的信號(hào)強(qiáng)度和方向存在偏差,進(jìn)而影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。如果某些陣元的靈敏度較低,可能無(wú)法準(zhǔn)確地接收到缺陷反射的信號(hào),導(dǎo)致對(duì)缺陷的漏檢;而指向性不一致則可能使接收到的信號(hào)來(lái)自非缺陷方向的干擾,增加誤判的可能性。信號(hào)處理過(guò)程中的噪聲干擾也是產(chǎn)生檢測(cè)誤差的重要原因之一。盡管在信號(hào)處理過(guò)程中采用了濾波、降噪等方法,但仍難以完全消除噪聲的影響。環(huán)境噪聲、電子設(shè)備的干擾等都可能混入檢測(cè)信號(hào)中,導(dǎo)致信號(hào)的信噪比降低,影響對(duì)缺陷特征的提取和識(shí)別,從而產(chǎn)生檢測(cè)誤差。針對(duì)檢測(cè)誤差產(chǎn)生的原因,可以采取一系列改進(jìn)措施。在材料選擇方面,盡量選用均勻性好的板狀試件材料,減少材料不均勻性對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。對(duì)于已經(jīng)存在材料不均勻性的試件,可以通過(guò)對(duì)材料特性的進(jìn)一步研究,建立更準(zhǔn)確的信號(hào)傳播模型,對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正。對(duì)于電磁超聲換能器陣列,需要進(jìn)一步優(yōu)化其性能。通過(guò)對(duì)換能器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝的改進(jìn),提高換能器的靈敏度和指向性的一致性。例如,在制造過(guò)程中,嚴(yán)格控制永磁體和線圈的尺寸精度和裝配精度,確保每個(gè)陣元的性能一致;采用先進(jìn)的材料和制造工藝,提高換能器的性能穩(wěn)定性。在信號(hào)處理方面,不斷改進(jìn)信號(hào)處理算法,提高對(duì)噪聲的抑制能力。除了采用傳統(tǒng)的濾波、降噪方法外,可以引入更先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù),如自適應(yīng)濾波、小波變換等,進(jìn)一步提高信號(hào)的信噪比,準(zhǔn)確地提取缺陷特征,減少檢測(cè)誤差。還可以結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能算法,對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行更深入的分析和處理,提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。通過(guò)對(duì)大量檢測(cè)數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練,建立更準(zhǔn)確的缺陷識(shí)別模型,能夠更好地識(shí)別和判斷缺陷的類型、位置和大小,降低檢測(cè)誤差。5.3與其他檢測(cè)方法對(duì)比將基于SH0模態(tài)的電磁超聲換能器陣列檢測(cè)方法與傳統(tǒng)的壓電超聲檢測(cè)、射線檢測(cè)等方法進(jìn)行對(duì)比,有助于全面了解該方法的優(yōu)勢(shì)和不足,為實(shí)際應(yīng)用中的檢測(cè)方法選擇提供參考。傳統(tǒng)壓電超聲檢測(cè)方法在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,其原理是利用壓電材料的壓電效應(yīng),將電能轉(zhuǎn)換為超聲振動(dòng)并在被檢測(cè)物體中傳播,通過(guò)接收反射或透射的超聲信號(hào)來(lái)檢測(cè)缺陷。這種方法檢測(cè)精度較高,能夠檢測(cè)出微小缺陷,對(duì)缺陷的定位和尺寸測(cè)量相對(duì)準(zhǔn)確。然而,壓電超聲檢測(cè)需要使用耦合劑,以保證超聲換能器與被檢測(cè)物體之間的良好聲耦合。耦合劑的使用在一些特殊環(huán)境下存在諸多限制,如在高溫、高壓、高速運(yùn)動(dòng)或?qū)︸詈蟿┟舾械牟牧媳砻?,難以實(shí)現(xiàn)有效的檢測(cè)。在航空航天領(lǐng)域,飛機(jī)部件在飛行過(guò)程中處于高溫、高速的環(huán)境,使用壓電超聲檢測(cè)時(shí),耦合劑難以保持穩(wěn)定的性能,導(dǎo)致檢測(cè)無(wú)法正常進(jìn)行。壓電超聲檢測(cè)通常只能對(duì)單個(gè)點(diǎn)或小區(qū)域進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)大面積板狀結(jié)構(gòu)時(shí),需要逐點(diǎn)移動(dòng)換能器,檢測(cè)效率較低。射線檢測(cè)方法則是利用射線(如X射線、γ射線等)穿透被檢測(cè)物體,根據(jù)射線在物體內(nèi)部的衰減和散射情況來(lái)檢測(cè)缺陷。射線檢測(cè)對(duì)內(nèi)部缺陷的檢測(cè)能力較強(qiáng),能夠清晰地顯示缺陷的形狀和位置,對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的內(nèi)部缺陷檢測(cè)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。射線檢測(cè)存在嚴(yán)重的輻射危害,對(duì)操作人員和環(huán)境安全構(gòu)成威脅,需要嚴(yán)格的防護(hù)措施和安全管理制度。設(shè)備成本高,檢測(cè)過(guò)程復(fù)雜,檢測(cè)效率低,每次檢測(cè)都需要較長(zhǎng)時(shí)間,不適合對(duì)大量板狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速檢測(cè)。射線檢測(cè)對(duì)操作人員的專業(yè)要求極高,需要專業(yè)人員進(jìn)行操作和解讀檢測(cè)結(jié)果,增加了檢測(cè)的人力成本和技術(shù)難度。相比之下,基于SH0模態(tài)的電磁超聲換能器陣列檢測(cè)方法具有明顯的優(yōu)勢(shì)。該方法無(wú)需耦合劑,基于電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)非接觸式檢測(cè),能夠適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境,在高溫、高壓、高速運(yùn)動(dòng)等惡劣條件下均可正常工作。電磁超聲換能器陣列通過(guò)多個(gè)陣元的協(xié)同工作,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大面積板狀結(jié)構(gòu)的快速掃描檢測(cè),大大提高了檢測(cè)效率。通過(guò)合理設(shè)計(jì)陣列布局和信號(hào)處理算法,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)缺陷的高精度定位和成像,檢測(cè)靈敏度較高,能夠檢測(cè)出微小缺陷?;赟H0模態(tài)的電磁超聲換能器陣列檢測(cè)方法也存在一些不足之處。與傳統(tǒng)壓電超聲檢測(cè)相比,其檢測(cè)精度在某些情況下可能略低,對(duì)于非常微小的缺陷,檢測(cè)能
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