力學(xué)大會(huì)2015集空氣耦合傳感器激發(fā)A0模式Lamb波的聲場(chǎng)模擬

，，，（同濟(jì)大學(xué)航空航天與力學(xué)學(xué)院，， 空氣耦合超聲檢測(cè)為非接觸式，是目前無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。針對(duì)空氣耦合板結(jié)構(gòu)的聲超聲檢測(cè)是五大常規(guī)無(wú)損檢測(cè)之一具有靈敏度高、力強(qiáng)指向性好檢測(cè)快成本低設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單對(duì)無(wú)害等優(yōu)超聲檢測(cè)分為接觸式和非接觸式接觸式超聲檢測(cè)技術(shù)需在超聲換能器和待測(cè)試樣之間用液體作為聲耦合劑中的損失使用耦合劑一方面增加了人為因素對(duì)結(jié)果的影響另一方面很難滿足工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)和質(zhì)檢測(cè)的適用范圍損檢測(cè)劑檢測(cè)過(guò)程簡(jiǎn)單果可避免人為空氣耦合超聲波無(wú)損檢測(cè)作為非接觸式超聲檢測(cè)技術(shù)雖了較大的進(jìn)問(wèn)題場(chǎng)特性尚缺乏成熟理論解釋檢測(cè)對(duì)象之間巨大的特性聲阻抗差以及空氣對(duì)高頻聲波較變目前，國(guó)內(nèi)外常采用一發(fā)一收的法[1-5]和單側(cè)反射法8]實(shí)現(xiàn)空氣耦合超聲檢測(cè)方法。[2]等基于 等[3]基于式空氣耦合超聲檢測(cè)方式，分析和評(píng)估了空氣耦合式超聲檢測(cè)技術(shù)在航空復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的實(shí)際檢測(cè)性能；2004年， 超聲波檢測(cè)方式研究了波方向?qū)τ诟飨虍愋詮?fù)合材料板Lamb波相速度的影響。本文將通過(guò)理論計(jì)算和有限元軟件進(jìn)行聲場(chǎng)模擬，研究聲波在空氣和鋁板中的規(guī)律?？紤]鋁板厚度遠(yuǎn)小于長(zhǎng)度和寬度方向尺寸，其中聲可看成平面應(yīng)變問(wèn)題。聲波通過(guò)空氣作用在鋁板上，從而建立空氣耦合板的聲模型，如圖1所示。圖1中取直角側(cè)空氣中，另一部分至y=-

圖1空氣耦合鋁板聲示意由上節(jié)所建聲模型，可將結(jié)構(gòu)看為氣體-固體氣體三層結(jié)處的應(yīng)力和速度連續(xù)陣中情況并且可以計(jì)算不同入射角下聲波的反射系數(shù)和透射系數(shù)的頻厚積[2]不同入射角下透射系數(shù)取對(duì)數(shù)后的厚積分布如圖2樣頻厚積圖2頻厚積為0.6MHz?mm時(shí)選擇空氣耦合換能器與鋁別為9.950和3.7000和S0模式Lamb鋁頻散曲線時(shí)板結(jié)構(gòu)中A0和0為漢寧窗函數(shù)，其中心頻率為400K，且斜平面波在空間上沿X方向是分布的，以接近耦合換能器與鋁板厚度方向的角度為9.95o，可以激發(fā)鋁板A模式Lamb波。0圖2不同入射角下透射系數(shù)取對(duì)數(shù)后的頻厚積

圖3有限元計(jì)。根據(jù)圖5中鋁板中vy的位移場(chǎng)是稱的，可知鋁板中的聲波是稱的Lamb波。圖4鋁板在不同時(shí)刻的ux位移圖5鋁板在不同時(shí)刻的vy位移24μs40μs的總聲壓場(chǎng)圖6中(a),(b),(c),(d)所示,其中各圖中上部分是反射場(chǎng)，下部分是透射場(chǎng)圖6中(a)為1μs時(shí)的總聲壓場(chǎng)時(shí)平面波還沒(méi)有到達(dá)鋁板；(b)為平面波到鋁發(fā)產(chǎn)生發(fā)時(shí)聲波還沒(méi)有透過(guò)鋁層中上端的聲波至無(wú)限單元中沒(méi)有反射波。(c)為24μs時(shí)刻的聲壓場(chǎng)此時(shí)聲波透板傳至下側(cè)空氣中；(d)為反射波和透射波進(jìn)一步的情形由于空氣和鋁板之間巨大的聲阻抗值值與反射波幅值相比較過(guò)分析空氣中不同時(shí)刻的總聲壓場(chǎng)可以了解聲在空氣中的過(guò)程對(duì)空氣耦合超聲檢測(cè)具有指導(dǎo)意義。

圖60入射角和頻厚積變化的規(guī)律?；陬l厚積為0.6MHz?mm，選擇入射角9.950進(jìn)行ALamb波01干,.空氣耦合式超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2008,44(6):10-2,,等.空氣耦合層狀復(fù)合材料的聲研究[J].固體力學(xué)學(xué)報(bào),2014,35(1):8-3,,.航空復(fù)合材料空氣耦合式超聲檢測(cè)技術(shù)研究及應(yīng)用[J].裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2007,18(2):79-ImielinskaK,CastaingsM,WojtyraR,etal.Air-coupledultrasonicC-scantechniqueinimpactresponsetestingofcarbonfibreandhybrid:glass,carbonandKevlar/epoxycomposites[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2004,157-158:513-522.GélébartY,DufloH,DuclosJ.Aircoupledlambwavesevaluationofthelong-termthermo-oxidativeageingofcarbon-epoxytes[J].NDT&EInternational,2007,40:29-34.StevenD,KoenV,ErikBetal.Two-dimensionalsimulationofthesinge-sidedair-coupledultrasonicpitch-catchtechniquefornon-destructivetesting[J].2010,Ultrasonics,50:188-196.CastaingsM,CawleyP.Thegeneration,propagation,anddetectionofLambwavesintesusingair-coupledultrasonictransducers[J].AcousticalsocietyofAmerica,1996,100(5):3070-3077.CastaingsM,HostenB.LambandSHwavesgeneratedanddetectedbyair-coupledultrasonictransducersincompositematerialtes[J].NDT&EInternational,2001,34:249-258.SIMULATIONOFA0LAMBWAVEGENERATEDBYAIR-COULPEDULTRASONICZHANGDongbo,YANGFeng,ZHAOJinfeng,PAN Thenon-contactair-coupledultrasonicevaluationisanimportanttrendinthefieldofnondestructivetesting.Tosolvethesoundpropagationintheair-coupledtestructure,thispapercalculatedthespectrumofreflectivecoefficientsandtransmissioncoefficientsagainstthe angleandfrequency-thicknessproductbyusingtherecursivesoftnessmatrixmethod.Basedonthespectrumofreflectiveandtransmissioncoefficients,A0modeLambwavewaschosentobeexcitedbyusingthefiniteelementmethod.Duringthecalculation,infiniteelementswereaddedincalculatingareabordertoeliminateacousticwavereflectiono