电磁超声加载方式对Lamb波模态的影响
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研究背景
Lamb波是一种激发便捷、检测效率高的超声导波，其已被广泛应用于各种结构件的无损检测和健康监测中。电磁超声Lamb波检测结合了电磁超声检测和Lamb波检测的特点，具有很好的应用前景。Lamb波在激发过程中往往伴随着多种模态的出现，而且每种模态的Lamb波传播速度都不相等，导致其在传播过程中会有多个波包出现。Lamb波多模态的产生，增加了Lamb波检测在回波信号分析、处理中的难度。
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论文所解决的问题及意义
本文根据电磁超声换能器的激发特点和低频段不同模态Lamb波的结构特性，研究电磁超声激发方式对曲折线圈激发Lamb波模态的影响，通过对EMAT加载方式的选择实现对激发Lamb波模态的控制，解决Lamb波的多模态对缺陷检测及识别的影响问题。
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论文的方法及创新点
本文在分析Lamb波多模态特性的基础上，研究了电磁超声激发方式对Lamb波模态的影响，通过对EMAT加载方式的选择实现了对激发Lamb波模态的控制，增加了对应模态Lamb波的激发效率，并且提高了对非主模态Lamb波的抑制效果，从而减小了后续信号处理的难度，为实际检测中缺陷的识别、定位提供有效信息。
仿真结果及分析：以激发A0模态为例，对水平加载和垂直加载进行仿真分析。为研究加载方式对Lamb波激发模态的影响，选取接收EMAT正下方距导体表面0.01mm处A点作为观察点，提取该点的面内、面外位移u和v，如图1所示。
图1(a)和图1(b)分别为水平加载情况下，观察点A的面内、面外位移；图1(c)和图1(d)为垂直加载情况下，观察点A的面内、面外位移。图2所示为不同加载方式下的面内、面外位移的幅值。对比不同加载方式下的面内位移或面外位移，可以看出，在两种加载方式下，A0模态Lamb波面外位移均大于面内位移，但是垂直加载方式下对S0模态的抑制效果要比水平加载方式的抑制效果更明显。
（a）水平加载方式下面内位移
（b）水平加载方式下面外位移
（c）垂直加载方式下面内位移
（d）垂直加载方式下面外位移
图1 不同加载方式激发A0模态Lamb波，A点面内、面外位移分布
图2 不同加载方式激发A0模态Lamb波，A点下的面内、面外位移幅值
实验结果及分析：对电磁超声加载方式对Lamb波模态的影响进行相关实验研究。铝板尺寸为300mm×60mm×1mm；激发换能器和接收换能器的中心距离为200mm；脉冲周期数为5，激发频率为1MHz。加载方式对Lamb波模态影响的实验连接图如图3所示。
图3 Lamb波检测实验连接图
对水平加载和垂直加载方式对A0模态Lamb波的影响进行相关实验研究。水平加载方式和垂直加载方式激发A0模态Lamb波的实验结果如图4所示。图4（a）中，S0模态电压峰值为0.002V，A0模态电压峰值为0.024V，S0模态抑制比为21.5 dB；图4（b）中，S0模态电压峰值为0.0086 V，A0模态电压峰值为0.188V，S0模态抑制比为26.79dB。
可以看出，垂直加载方式激发A0模态Lamb波要比水平加载方式下激发A0模态Lamb波效率要高，而且垂直加载方式下S0模态抑制比也较高，这是因为水平加载EMAT结构在非铁磁材料中主要产生水平方向的洛仑兹力；垂直加载EMAT结构在非铁磁材料中主要产生垂直方向的洛仑兹力；由低频段S0、A0波结构分析可知A0模态波的质点振动则以面外位移v为主，所以当采用垂直加载方式时，试件将会产生以面外位移v为主的质点振动，进而更有利于A0模态Lamb波的激发。接收信号经过降噪处理后S0模态Lamb波的幅值很小，实验结果和仿真结果相吻合。
（a）水平加载方式激发A0模态Lamb波实验结果
（b）垂直加载方式激发A0模态Lamb波实验结果
图4 不同加载方式激发A0模态Lamb波实验结果
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结论
本文根据Lamb波对称模式和反对称模式的波结构特点，研究了电磁加载方式对Lamb波模态的影响。仿真和实验结果表明，低频段S0模态以面内位移为主，A0模态以面外位移为主；垂直加载方式有利于A0模态Lamb波的激发，水平加载方式有利于S0模态Lamb波的激发，并且两种加载方式都能更好地抑制非主模态波。
