實驗名稱：基于Lamb波的合成孔徑無損探傷方法的研究

　　研究方向：在掌握了Lamb波在薄鋁板中的傳播模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)洛侖茲力的Lamb波的激發(fā)原理，設(shè)計出了能夠激發(fā)單一A0模態(tài)Lamb波的EMAT換能器，并結(jié)合Lamb波的傳播特點與被檢測的板材的結(jié)構(gòu)特征，提出了一種新的基于傅立葉域的合成孔徑聚焦成像算法，并利用此算法完成了鋁板中方形通孔的損傷成像實驗。

　　實驗目的：設(shè)計專用EMAT換能器能激發(fā)單一模態(tài)Lamb波，并且本文提出的改進的合成孔徑聚焦成像算法能顯著提高板狀材料損傷成像的分辨率。這為Lamb波的單一模態(tài)激發(fā)，為Lamb波在板中損傷成像的應用提供了理論基礎(chǔ)。

　　測試設(shè)備：射頻功率放大器、前置放大器、示波器、換能器

　　實驗過程：

　　先制作完成EMAT換能器，在進行Lamb波激發(fā)實驗之前，首先要完成實驗環(huán)境的搭建。由于EMAT換能器換能效率較低，需要配備合理的模擬設(shè)備，處理接收到的回波，其中包括放大，濾波等過程。下圖表示的是Lamb波激發(fā)實驗示意圖：

　　從圖中可以看出，實驗的被測薄板是1mm厚的鋁板，通入EMAT換能器的激勵信號為周期為7的脈沖激發(fā)信號，由信號發(fā)生器產(chǎn)生，頻率為132kHz的脈沖激發(fā)信號。信號源產(chǎn)生的輸入信號沒有直接加載給發(fā)射EMAT換能器，中間由型號為ATA-8035射頻放大器進行驅(qū)動，而后，輸入到曲折線圈的脈沖激發(fā)信號與被測金屬樣品中感應出的渦流與永久磁鐵提供的磁場產(chǎn)生的洛侖茲力驅(qū)動板中的粒子振動，振動以波的形式向前傳播。傳播的信號被接收換能器捕捉，并經(jīng)由前置放大器進行放大之后，以二進制的形式存儲在示波器中。實驗探頭由兩個EMAT換能器組成（發(fā)射EMAT換能器和接收EMAT換能器），實驗采用的收發(fā)方式為Pitch-Catch類型。

　　1）選取三個激發(fā)頻率產(chǎn)生A0模態(tài)波，選擇的依據(jù)分別為130kHz（最佳激發(fā)頻率附近），110kHz（低于最佳激發(fā)頻率），150kHz（高于最佳激發(fā)頻率），進行三組對照試驗，驗證最佳激發(fā)頻率的正確性。

　　2）為了使試驗結(jié)果更具有說服力，本實驗進行A0模態(tài)波的掃頻實驗，并采集記錄A0模態(tài)Lamb波的峰值，完成對照試驗，以保證每個波包的分析確認。

　　圖：A0模態(tài)Lamb波在不同激發(fā)頻率下的波形圖

　　從上圖中可以看出，產(chǎn)生最大幅值A(chǔ)0模態(tài)Lamb波的中心頻率為132kHz。而低于最佳激發(fā)頻率或者高于最佳激發(fā)頻率的A0模態(tài)Lamb波信號都較弱，這進一步驗證了前面曲折線圈設(shè)計的正確性以及激發(fā)頻率計算的準確性。

　　為了避免出現(xiàn)誤差，然后又進行了掃頻實驗。當激發(fā)頻率從100kHz以1Hz的變化增長到150kHz是，接收EMAT換能器首次接收到的A0模態(tài)回波的峰值信息如下圖所示：

　　圖：首次接收到的A0模態(tài)波峰值隨頻率的變化關(guān)系

　　當激發(fā)頻率以在100KHz-160KHz逐漸變化時，接收EMAT換能器首次接收到的A0模態(tài)峰值隨著頻率的增加先增加后減少，并在132kHz是達到峰值，其最大的幅值大小為0.0502mv，這進一步驗證了3.3小節(jié)理論分析最佳激發(fā)頻率的準確性，為后面A0模態(tài)Lamb波做無損檢測實驗提供了理論基礎(chǔ)。

　　實驗結(jié)果：

　　Lamb波模態(tài)識別常用的方法是利用群速度和頻厚積之間的關(guān)系，通過波形傳播的時間來計算對應模態(tài)波的傳播速度，或者根據(jù)波包所在位置判斷該次波包是否為端面反射回波，然后，在對波形進行頻域分析，計算A0模態(tài)波的中心頻率，并與實驗設(shè)置的激發(fā)頻率進行對比，進而對波形的模態(tài)和每個出現(xiàn)在回波信號上的波包進行識別。

　　下圖表示的是激發(fā)中心頻率為132kHz時接收到的回波信號：

　　圖：132kHz頻率下接收到的A0模態(tài)Lamb波回波信號

　　下圖表示的是激發(fā)中心頻率為132kHz時的回波頻譜信號分析圖：

　　圖：132khz下的A0模態(tài)Lamb波頻譜分析

　　實驗所得的信號中心頻率為130kHz，與實驗計算的最佳激發(fā)頻率132kHz相差無幾，誤差僅為1.5%，理論群速度和實驗所得的群速度誤差為4.2%。因此，在誤差允許的范圍內(nèi)可以認為，該實驗接收到的回波信號為單一A0模態(tài)Lamb波信號。

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