导波结冰探测介绍_南京航空航天大学

2024年3月7日发(作者：阳光分班)

1. 超声导波检测介绍

超声波检测一般是指利用超声波对试件的作用，对反射、透射和散射的波形进行研究，从而对试件进行检测。由于其适应性广、设备轻便，在工业领域应用广泛。

通常在检测一些大型结构时，由于探头需对所检结构逐点扫描，因此使用传统的超声波检测方法耗时长，检测效率较慢。超声导波检测技术是一种新型的无损检测技术，其检测原理是在结构表面某处激励超声波，超声波在结构边界之内沿着长度方向传播形成超声导波，导波遇到结构中的缺陷发生反射，反射波被传感器接收便可判断缺陷的位置。超声导波与传统检测方法的对比见图1。

图1 传统超声波检测与超声导波检测示意图

Lamb波是一种厚度和波长同一数量级的由纵波和横波叠加而成的应力波，由于其经常应用在板状结构中，也称为“板波”，是超声导波中常用的一类。Lamb波能在板结构中远距离传播，这为大面积结构的损伤检测提供了快速、便捷的途径。Lamb波对结构的检测方法可分为四个过程：信号激发、信号传播、信号采集以及信号分析。

当结构出现不连续时，如表面损伤、内部分层、厚度变化、边界等，会引起板结构中的主动检测信号发生反射、散射和模式改变等现象。Lamb 波在不同的频厚积下对应不同的传播模式。基于 Lamb 波的主动检测技术就是选择合适的激励信号，激励出对结构损伤最为敏感的Lamb波主动检测信号，通过对检测信号的分析及模式处理达到检测目的。这种损伤检测方法具有探测距离远、探伤效率高、速度快以及适用类型多等优点。

PZT压电传感器具有价廉、灵敏度高、使用方便、技术成熟等优点，目前广泛地用于实验研究与工业检测之中。常见的使用类型是一种基于主动正逆压电效应的结构损伤检测方法。该方法就是采用粘贴在结构表面的压电片(PZT)来检测结构中的缺陷和损伤。由于PZT压电片具有正逆压电效应，所以其在结构中即充当激励器又充当传感器。在PZT激励器上加载Lamb 波信号，信号遇到缺陷和损伤会发生反射和散射现象；通过传感器采集到响应信号，对信号进行分析，可以判断损伤的位置和大小。

2． Lamb波结冰探测

Lamb波的主要特点在于它的多模式和频散，对特定类型缺陷和特定位置缺陷，用不同模式Lamb波检测的敏感性是不同的，所以在检测时选择合适的模式十分必要。此外，Lamb 波在传播过程中遇到缺陷和端面时会发生模式转换，因此进行准确的Lamb波模式识别是十分重要的。

使用PZT压电片在铝板上激发Lamb波，研究结冰前后的波信号变化。铝板厚度2mm，压电片工作频率为340KHz，在这个频率上工作的压电片可以在铝板中激发出S0和A0两种工作模式的Lamb波。首先使用有限元分析方法模拟计算出激发出的波形，如图2所示。图2显示出没有干扰信号的较纯粹的两种Lamb波模式，其中黑色的为无结冰情况下的信号，黑色为结冰发生后的Lamb波信号变化。当没有结冰发生时，采集到的信号只有S0和A0模式的两个波包，当有结冰发生时会多出几个小波包，同时原有波包的幅值出现衰减，波包的到达时间也有微小变化。出现更多波包的原因是Lamb波信号经过结冰位置处时发生模式转换，由于不同模式具有不同的群速度，因此出现新的波包分离出来。而波包幅值的衰减则是由结冰对波的吸收等作用造成的。此外通过对波包的传播时间的分析，还可以定位出结冰发生的位置。图2表示在理论上Lamb波对结冰的探测是有效的，可以反映出结冰的发生以及结冰位置。

图2 结冰前后的Lamb波变化

3．结冰探测的实验验证

通过实验进行结冰探测验证时，需要的实验设备有任意函数发生器，功率放大器，数字示波器，信号采集卡，计算机，PZT传感器等。实验装置示意图见图3。

图3 Lamb波结冰探测实验装置示意图

在实验中，将编辑好的激励波形输入任意函数发生器，由发生器将波形信号输入功率放大器，经过能量放大并功率放大后的激励信号输入至激励用的PZT传感器，传感器在结构中激励出Lamb波；回波信号或传输信号由接收用PZT传感器接收，进入信号采集设备收集并保存，之后导入计算机中专用的分析软件进一步处理并分析实验获得的信号波形图。实验设备的实物图见图4。

图4 主要实验设备实物图

使用示波器采集结冰前后S0模式的波包，结果见图5。图中黑线为没有发生结冰时的导波模式，前后两个波包均为S0；红色线为发生结冰后的Lamb波信号，可见对于S0模式而言，结冰造成的变化主要表现为信号幅值的衰减。这与理论计算的结果相符。

图5 结冰前后S0模式的波包

4. Lamb波成像监测技术

在实际应用中，由于结构比较复杂，可能无法获得纯粹的某种导波模式，信号往往会发生多种反射或散射，因此在信号的后处理中通

常需要特征参数提取及缺陷定征的环节。分析结冰对Lamb波传播特性的影响，采用信号处理方法，对有无结冰时采集的Lamb波信号进行分析，提取有意义的特征参数，评价结构表面结冰的严重程度。

图6所示为一较复杂结构在结冰前后的Lamb波检测信号，当信号过于混叠，以至于较难通过肉眼分析提取其中的特征参数时，可以使用信号处理技术，研究并提取信号的某些特

图6 实际复杂结构的Lamb波结冰检测信号

征值用于判定最终结冰情况。此类方法较为常见的应用为结构健康监测技术，以结冰探测为例，该技术致力于对结构结冰状态的实时监测。

图7所示为在铝板上进行Lamb波监测技术应用的结构示意图。PZT传感器围成一圈监测内部结构的结冰状况，传感器依次发射、接收采集信号，并与原始信号进行对比，提取特征参数，用于判断结构上是否有结冰发生。当内部出现结冰时，不同传感器对之间的信号变化不同，与结冰位置有关，根据这个特点可以定位出结冰位置和大致范围。对Lamb波信号进行采集和处理，得到最终的结冰概率图，如图8所示。

图7 结冰状态监测的实验示意图

图8 结冰监测实验结果的结冰概率图

从图8的数学分析中可以看到结冰最可能发生的部位，即图中红色区域，这与图7中的结冰位置大体一致。这种方法的检测时间和结构上布置的传感器数量以及检测设备有关，图7-8所示的监测实例可以在1分钟以内完成，如果不需要对结冰进行定位，则耗时更短。使用这种方法可以实现对结构结冰较为准确的判断以及实时监测，是一种前景广阔的新型探测技术。