基于反射相关索引的板结构缺陷取向评估新方法

《IEEE Open Journal of Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control》：Defect Orientation Evaluation in Structural Plates Using Reflective Correlation Indexing

本研究针对板状结构中缺陷深度定位难题，提出基于SH导波模式转换的反射相关索引(RCI)定量评估方法。通过有限元仿真与电磁声传感器(EMAT)实验验证，首次揭示了缺陷从对称向反对称位置移动时，反射SH1波能量呈指数增长规律。该方法为复杂结构内部缺陷无损检测提供了新思路，发表于IEEE Open Journal of Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control。

　　

在工业设施和重大工程中，板状结构如同建筑的骨架，其健康状态直接关系到整体安全。然而，传统超声检测技术如同用放大镜检查摩天大楼——效率低下且易漏检。剪切水平(SH)导波的出现带来了转机，这种能在板内长距离传播的弹性波，特别是其基本模式SH₀，因无频散特性成为无损检测的明星工具。但长期以来，研究者们大多关注表面缺陷或贯穿性损伤，对于隐藏在板厚内部的"潜伏者"——即不穿透板厚的内部缺陷——如何影响SH波行为，始终是个未解之谜。

这正是印度理工学院坎普尔分校与台湾阳明交通大学联合研究团队在《IEEE Open Journal of Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control》发表论文的核心议题。他们发现，当SH₀波遭遇缺陷时，会产生奇妙的模式转换现象：对称位置缺陷几乎不引起转换，而反对称位置缺陷则强烈激发SH₁模式。那么，介于两者之间的缺陷会展现怎样的"性格特征"？这个问题激发了研究人员的探索欲望。

为解开这个谜团，研究团队构建了精妙的实验体系。他们采用9毫米厚铝合金板，设计四种不同深度取向的缺陷模型（Δz=0,1,2,3.5毫米），通过COMSOL Multiphysics进行三维有限元仿真，并创新性地使用多层人字形电磁声传感器(EMAT)激发纯SH₀波。接收端采用高灵敏度SH探头，完整记录波场相互作用。关键技术方法包括：建立包含完美匹配层(PML)的有限元模型以消除边界反射；采用10周期高斯窗调制的196kHz音爆信号确保激励纯度；通过二维快速傅里叶变换(FFT)进行频散分析；定义反射系数R_m=A_rm/A_i和透射系数T_m=A_tm/A_i量化能量分配。

波形分析揭示缺陷取向的"指纹特征"。当缺陷位于板中心时，反射波保持SH₀模式本色；而当缺陷向表面移动1毫米，SH₁模式开始"崭露头角"；位移2毫米时，转换现象愈加明显；至表面位置时，SH₁振幅达到峰值。频散曲线如同身份证明，清晰展示196kHz处SH₀与SH₁的能量分布变化。

反射相关索引(RCI)量化分析展现指数增长规律。研究人员创造性地提出RCI指标，发现其与缺陷深度呈指数关系：f(Δz₁)=0.0035e^0.8103Δz₁+0.0054（1毫米缺陷），f(Δz₂)=0.0159e^0.6919Δz₂+0.0189（2毫米缺陷），f(Δz₃)=1.0726e^0.0640Δz₃+1.0923（3毫米缺陷）。小缺陷增长缓慢，中等缺陷转换效率提升，大缺陷则出现饱和效应——当缺陷厚度达到板厚50%时，反射能量增长进入平台期。

实验验证与仿真高度吻合。EMAT实验数据显示，随着缺陷从Δz=0移至Δz=3.5，转换SH₁模式振幅显著增强。虽然实验中存在多模式干扰，但通过精确计算传感器位置，成功分离出SH₀（38-88μs）和SH₁模式（75-125μs）的反射信号，验证了RCI指数的可靠性。

这项研究首次建立了缺陷深度取向与SH波模式转换之间的定量关系，如同为无损检测装上了"深度尺"。RCI方法不仅能评估铸造孔隙、夹杂物等制造缺陷，对焊接未熔合、夹渣等缺陷同样具有应用潜力。虽然该方法在焊接结构中的精度仍需优化，但其为复杂结构内部缺陷评估开辟了新途径。这项融合波动物理学与工程创新的研究，展现了基础科学原理解决实际工程问题的强大生命力，为结构健康监测领域注入了新的活力。