胶接板中兰姆波的传播模式分析与检测信号处理

夏美玲，卢 超，车 飞

（南昌航空大学 无损检测技术教育部重点实验室，南昌 330063）

胶接结构最突出的特点是轻质高强，比强度超过任何金属，此外还有阻裂、吸波、减震和隔音等特殊作用，目前已广泛用于航空航天工业。胶接技术的广泛应用使胶接质量及可靠性问题日益突出，对无损检测的技术要求也越来越迫切。所以，胶接接头的无损检测研究意义重大。

1 铝胶接板中的兰姆波理论频散曲线

兰姆波是一种频散波，根据声波质点振动位移形态的特点分为对称模式和反对称模式。在厚度为b的无限大固体自由平板中，兰姆波频散方程为：

对称模式

反对称模式

图1 兰姆波在铝板中的相速度曲线

根据相速度与激励角的关系，同样用Matlab编程得到激发角－频厚积曲线（图3），利用关系式k＝ω／cP，由相速度－频率曲线也可以计算出频率－波数曲线（图4）。

由以上理论，2 mm 厚铝板的理论兰姆波模式见表1。

表1 2mm 厚铝板的理论兰姆波模式

2 有限元建模

2.1 材料参数

金属铝板厚2mm，长102mm，宽40mm，搭接区长15mm，胶层厚0.2mm。其他参数见表2。

表2 材料参数

2.2 激励信号

依照声－超声激发方式，垂直施加瞬时压力，模拟入射纵波，输入载荷值采用通过高斯函数调制的正弦信号。接头两端加入吸声材料，以减少兰姆波的反射。信号函数为：

式中τ为信号的脉冲时间，脉冲周期取决于所施加信号的频率大小。

在板右侧每隔1mm 设定一参考点，连续取32个，提取32组节点数据，输入Matlab进行检测信号的处理。施加信号位置如图5。

图5 施加激励信号

2.3 网格划分

如图6，采用八节点六面体单元，铝板层网格尺寸为3mm（长）×1mm（宽）×0.25mm（高）；胶层部分网格尺寸0.5mm（长）×1mm（宽）×0.25mm（高），接头部分细化网格0.5 mm×1 mm×0.05mm。

图6 网格划分

2.4 信号处理

分别使用0.5，1.0和2.5 MHz三种频率激发胶接板中传播的兰姆波。采用二维傅里叶变换法（2D－FFT）进行兰姆波模式识别。通过将接收到的幅度－时间记录变换到各离散频率点的幅度－波数记录，得到三种频率下频率－波数频散曲线图，从而可分解出各兰姆波模式并测出它们的幅值。由图7得到模拟产生的兰姆波模式见表3。

表3 模拟产生的兰姆波模式

3 试验步骤及数据处理

3.1 试验布置

试验采用CTS－22型模拟超声探伤仪作为超声发射接收器，所接收Lamb波经40MHz高速数据卡采集后传入计算机中。研究中使用Matlab软件编制操作平台。探头用2.5 MHz，固定接收探头，在发射和接收探头上加压块，消除耦合带来的影响，从接收探头处开始空间采样，以步距1mm 向前移动，每移动一次采样一次，一共采集32组数据并存储。

3.2 试验数据处理

将所接收d0～d31位置的32组数据构成u（x，t），作二维傅里叶变换，得到H（k，f）的等高线图和三维幅值图见图8。

由试验所得激发频率为2.5 MHz时，兰姆波模式为A1，S1，A0和S0。

4 分析与结论

以上结果均是应用二维傅里叶变化的方法识别兰姆波的，试验验证了其模式识别的可行性。

（1）低频激发时，兰姆波模式相对单一，主要是A0和S0模式。

（2）2.5MHz时，模拟结果与试验结果对比，说明兰姆波传播经过胶接区域，会发生模式转化。

（3）低频激发兰姆波，模拟结果与理论及试验结果吻合较好。

（4）验证了采用有限元分析方法模拟胶接接头中兰姆波传播模式的可行性。但由于兰姆波的多模式－频散特性，模拟的准确性有待提高。

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