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模态声发射根本理论
耿荣生 沈功田* X时风**
〔航空工程技术研究中心， 100076〕
*〔国家质量监视检验检疫总局锅炉压力容器检测研究中心，100013〕
**〔清华大学机械系，100084〕
摘要论述了薄板中AE信号波形分析技术的主要手段 - 模态声发射技术的原理，介绍了这一技术在工程实践中的应用前景。
关键词模态声发射〔MAE〕 兰姆波 波形分析 信号处理
Studies on Modal Acoustic Emission Theory
Geng Rongsheng *Shen Gongtian **Liu Shifeng
(Beijing Aeronautical Technology Research Centre, Beijing 100076)
*(Centre of Boiler & Pressure Vessel Inspection and Research, Beijing 100013 )
**(Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084)
AbstractDescriptions have been made of the basic theory of modal acoustic emission (MAE)for thin plate and its application prospective for engineering.
KeywordsModal Acoustic emission(MAE); Lamb Wave; Waveform Analysis;
Signal processing
1 前言
兰姆〔Lamb〕波在超声检测中一直受到重视并得到广泛应用[1，2]，但很长时期以来，它并未在AE领域获得应用。在超声检测中，由于使用的频率较高〔MHz频率段〕，板中可能存在模式较多，人们可以根据缺陷的性质选择适宜的模式以达到最优检测效果。例如，可通过改变工作频率、改变楔块角度即声波的入射角，或通过改变叉指式换能器的间距来选择所需模式。选择适宜的模式对提高检测可靠性和缺陷定量分析十分重要。例如，，使用S0模式，缺陷上反射波的幅度与缺陷〔在深度方向的〕大小成比例，但使用A0模式，虽然也能获得反射波，反射波的幅度对缺陷大小并不很敏感。显然，为获得更多缺陷信息，应当使用S0模式，这可以通过采用30°楔块、800kHz工作频率加以实现[3]。
对于从事AE检测的人员来说，由于AE是结构内缺陷动态变化过程产生的瞬态弹性波，人们无法做出上述选择。因此，虽然认识到兰姆波理论的重要性，但直到1991年，在美国学者 Gorman发表了他的“板波声发射〞论文后[4]，有关在声发射检测技术中使用Lamb波理论的问题才逐步引起人们的重视。板波声发射〔PWAE〕后来又称为模态声发射〔MAE〕，它是利用兰姆波理论研究板中AE波的特点，从而将AE波形与特定的物理过程相联系。
根本理论
毫无疑问，兰姆波的根本理论也适用于AE检测，但问题在于如何用好这一理论。工程中大量使用板状结构，例如，飞机机翼、隔框、复合材料舵面〔平尾、垂尾和方向舵等〕等。对于图1所示厚度方向尺寸远小于其它两个方向的板而言，相应于一定的激励条件，在其中主要形成的是板波〔Lamb波〕。设波沿x方向传播，板厚方向为z〔两板平面分别为z = -b和 z = + b〕，并设标量势为f，矢量势为y，并认为它们都与坐标y无关，如此f和y满足方程〔1〕。
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+b z
x
-b
y
图1 板结构坐标的示意图
式中，kl和kt分别为相应于纵波和切变波的波矢量，而板中任一点的位移矢量V = grad f + rot y。再设f和y都含有ej〔kx-wt〕项，即它们代表沿x方向传播的波。一般有[1，2]：
+1相应于对称模式波，-1相应于反对称模式波。
k是波数(k=w/c)、w是角频率、c是板波相速度、cl和cs分别为无限介质中纵波速度和横波速度。由此即可获得人所共知的板中不同模式Lamb波相速度c〔或群速度cg〕和频率-板厚乘积〔或波数-板厚乘积〕的关系曲线，见图2[4]