实验名称：基于Lamb波的合成孔径无损探伤方法的研究

　　研究方向：在掌握了Lamb波在薄铝板中的传播模型的基础上，根据洛仑兹力的Lamb波的激发原理，设计出了能够激发单一A0模态Lamb波的EMAT换能器，并结合Lamb波的传播特点与被检测的板材的结构特征，提出了一种新的基于傅立叶域的合成孔径聚焦成像算法，并利用此算法完成了铝板中方形通孔的损伤成像实验。

　　实验目的：设计专用EMAT换能器能激发单一模态Lamb波，并且本文提出的改进的合成孔径聚焦成像算法能显著提高板状材料损伤成像的分辨率。这为Lamb波的单一模态激发，为Lamb波在板中损伤成像的应用提供了理论基础。

　　测试设备：射频功率放大器、前置放大器、示波器、换能器

　　实验过程：

　　先制作完成EMAT换能器，在进行Lamb波激发实验之前，首先要完成实验环境的搭建。由于EMAT换能器换能效率较低，需要配备合理的模拟设备，处理接收到的回波，其中包括放大，滤波等过程。下图表示的是Lamb波激发实验示意图：

　　从图中可以看出，实验的被测薄板是1mm厚的铝板，通入EMAT换能器的激励信号为周期为7的脉冲激发信号，由信号发生器产生，频率为132kHz的脉冲激发信号。信号源产生的输入信号没有直接加载给发射EMAT换能器，中间由型号为ATA-8035射频放大器进行驱动，而后，输入到曲折线圈的脉冲激发信号与被测金属样品中感应出的涡流与永久磁铁提供的磁场产生的洛仑兹力驱动板中的粒子振动，振动以波的形式向前传播。传播的信号被接收换能器捕捉，并经由前置放大器进行放大之后，以二进制的形式存储在示波器中。实验探头由两个EMAT换能器组成（发射EMAT换能器和接收EMAT换能器），实验采用的收发方式为Pitch-Catch类型。

　　1）选取三个激发频率产生A0模态波，选择的依据分别为130kHz（最佳激发频率附近），110kHz（低于最佳激发频率），150kHz（高于最佳激发频率），进行三组对照试验，验证最佳激发频率的正确性。

　　2）为了使试验结果更具有说服力，本实验进行A0模态波的扫频实验，并采集记录A0模态Lamb波的峰值，完成对照试验，以保证每个波包的分析确认。

　　图：A0模态Lamb波在不同激发频率下的波形图

　　从上图中可以看出，产生最大幅值A0模态Lamb波的中心频率为132kHz。而低于最佳激发频率或者高于最佳激发频率的A0模态Lamb波信号都较弱，这进一步验证了前面曲折线圈设计的正确性以及激发频率计算的准确性。

　　为了避免出现误差，然后又进行了扫频实验。当激发频率从100kHz以1Hz的变化增长到150kHz是，接收EMAT换能器首次接收到的A0模态回波的峰值信息如下图所示：

　　图：首次接收到的A0模态波峰值随频率的变化关系

　　当激发频率以在100KHz-160KHz逐渐变化时，接收EMAT换能器首次接收到的A0模态峰值随着频率的增加先增加后减少，并在132kHz是达到峰值，其最大的幅值大小为0.0502mv，这进一步验证了3.3小节理论分析最佳激发频率的准确性，为后面A0模态Lamb波做无损检测实验提供了理论基础。

　　实验结果：

　　Lamb波模态识别常用的方法是利用群速度和频厚积之间的关系，通过波形传播的时间来计算对应模态波的传播速度，或者根据波包所在位置判断该次波包是否为端面反射回波，然后，在对波形进行频域分析，计算A0模态波的中心频率，并与实验设置的激发频率进行对比，进而对波形的模态和每个出现在回波信号上的波包进行识别。

　　下图表示的是激发中心频率为132kHz时接收到的回波信号：

　　图：132kHz频率下接收到的A0模态Lamb波回波信号

　　下图表示的是激发中心频率为132kHz时的回波频谱信号分析图：

　　图：132khz下的A0模态Lamb波频谱分析

　　实验所得的信号中心频率为130kHz，与实验计算的最佳激发频率132kHz相差无几，误差仅为1.5%，理论群速度和实验所得的群速度误差为4.2%。因此，在误差允许的范围内可以认为，该实验接收到的回波信号为单一A0模态Lamb波信号。

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