基于磁致伸缩效应的Lamb波检测理论分析与设计

《Sensors》：Theoretical Analysis and Design of Magnetostrictive Lamb Wave Detection

　　

传统压电换能器受限于严格的耦合要求和较差的环境鲁棒性，限制了其在接地网下导体扁钢缺陷检测中的应用。为克服这一局限，本研究提出了一种基于磁致伸缩效应的Lamb波激励源。通过分析线圈驱动电磁激励、磁致伸缩变形、机械加载与扁钢中Lamb波传播之间的耦合关系，建立了该激励源的机理模型。根据下导体的几何特征，设计了激励源构型与磁化方案。实验结果表明，在脉冲电流激励下，磁致伸缩材料产生瞬态力学响应，向扁钢注入扰动，从而实现Lamb波检测。所提出的激励源结构紧凑且鲁棒性强，在现场应用中展现出良好潜力。本研究为接地网下导体扁钢的缺陷检测提供了一种新型主动导波解决方案，并为后续信号分析与工程实践奠定了基础。

本研究围绕接地网下导体扁钢缺陷检测中的Lamb波激励难题，提出了一种基于磁致伸缩效应的新型激励源技术，系统开展了理论建模、材料优选、激励方式设计与实验验证工作。

研究背景方面，Lamb波作为一种在自由边界薄板中传播的弹性导波，因具有长距离传播和高灵敏度的特性，已广泛应用于金属板结构缺陷检测与健康监测。Lamb波由纵波与横波在板件上下表面多次反射耦合形成，呈现对称模式（S模式）与反对称模式（A模式）两种典型振动形态。其中，A₀模态因具有较大的面外位移和与常见厚度方向缺陷的强耦合效应，成为低频Lamb波检测中最敏感、最具价值的模态。然而，Lamb波检测面临色散效应与能量衰减两大核心挑战：色散效应导致不同频率成分传播速度各异，造成时域信号展宽、缺陷识别困难；能量衰减则源于材料本征粘弹性、微观结构散射、结构与外界介质接触时的能量泄漏，以及曲率、焊缝等结构不连续处的模态转换与能量再分配。在激励方法方面，传统压电或电磁声学激励方式在弯曲结构中易出现信号快速衰减和噪声水平过高的问题，促使研究人员转向基于磁致伸缩效应的换能方法。磁致伸缩材料在外磁场作用下发生长度变化，可实现电磁能与机械能的高效转换。稀土基巨磁致伸缩材料如Terfenol-D和Galfenol具有高磁致伸缩系数和可控应力响应特性，其中Galfenol在机械性能、能量转换效率和温度稳定性方面表现更优。尽管现有研究已证实磁致伸缩激励可用于Lamb波检测，但针对接地网下导体复杂波场分布的定量理论仍不充分，缺乏统一耦合模型和信号识别机制成为制约理论向工程应用转化的主要瓶颈。

本研究提出的磁致伸缩激励源采用类机械冲击加载机制，相较于传统方法具有两个关键优势：一是鲁棒性与表面适应性，作为自包含冲击器，对下导体常见表面条件（如粗糙、腐蚀或混凝土覆盖）不敏感；二是简化部署，作为局部面内冲击器，无需斜入射方法所需的精确角度对准。与基于洛伦兹力的传统EMAT换能器相比，该方法利用Galfenol合金的巨磁致伸缩效应，在紧凑型偏置永磁体配置下实现更高的力密度，而非仅依赖低导电率钢板中的涡流，从而以轻量、低功耗 setup 提高信噪比。

研究人员开展的研究工作与结论主要包括以下方面。在理论基础部分，研究引入Rayleigh-Lamb色散理论分析Lamb波 trade-off 传播规律。通过数值计算得到频率-厚度积（f × d）与群速度/相速度的关系曲线，在20 kHz以下仅存在A₀和S₀两种模态。A₀模态波长较短，对尺寸相当缺陷的散射更强；S₀模态波长较长，易绕过缺陷产生弱响应。因此选用A₀模态作为主要检测模态。在磁致伸缩理论体系构建方面，研究建立了完整的数学模型：基于磁化方向余弦定义磁致伸缩伸长量，考虑无预应力状态下的随机磁矩取向（?1/3项），推导出适用于实际建模的磁化方程；引入Jiles-Atherton模型描述磁滞现象；建立磁-机械耦合模型描述磁化强度与应力的关系，以及通过微分磁导率描述磁化强度与磁场强度的关系。针对磁致伸缩材料中的倍频效应（即磁致伸缩杆振动频率为交变磁场频率两倍的现象），研究分析了其产生机理：磁致伸缩应力与磁通密度呈二次函数关系，导致在周期性交变磁场作用下产生恒定应力与倍频交变应力分量。为消除倍频效应对接地网下导体腐蚀检测的干扰，研究采用施加外部偏置磁场的方法，使磁致伸缩实现同频振动。

在激励源设计方面，研究对比了螺线管线圈与亥姆霍兹线圈：螺线管线圈在紧密包裹磁致伸缩杆的局部空间产生更高磁通密度，磁路集中、漏磁少，激励区域紧凑，利于机械耦合与Lamb波模态选择，且结构紧凑、电感低、寄生参数小，在单根或少量磁致伸缩元件激励Lamb波的系统中更具优势；亥姆霍兹线圈虽能产生大体积均匀磁场，但尺寸大、电感高、损耗大，效率较低。偏置磁场采用钕铁硼（NdFeB）永磁体提供，具有稳定性高、体积小、结构紧凑、无需额外直流电源等优点。最终设计的振动发生结构由三部分组成：中间为磁致伸缩材料杆，杆外套装电流激励线圈，杆两端放置偏置磁体；注入双极脉冲电流产生交变磁场，在偏置磁场作用下于关断时刻快速撞击下引扁钢。

材料选择方面，研究对比了传统磁致伸缩材料（镍基材料、铁基合金、铁氧体等）与新型稀土巨磁致伸缩材料（Terfenol-D和Galfenol）。Galfenol的抗拉强度（500~700 MPa）远超Terfenol-D（28~50 MPa），具有更高的机械可靠性和抗冲击性，适用于高频高负荷长期动态运行；其相对磁导率（100~200）较高、矫顽力（0.5~2 kA/m）较低，显著降低驱动能耗、提高响应效率；且宽温度范围适应性（最高工作温度350~400 °C）克服了Terfenol-D的高温性能退化问题，在能量转换效率、环境适应性和整体工程可行性方面更优，最终被选为磁致伸缩源材料。

实验验证部分，研究选用带宽20 kHz的传感器，采样率1.25 Msps，每通道8192个采样点。三种下导体扁钢试样包括：Sample 1为长度2000 mm的无覆盖直钢，缺陷距端部1200 mm；Sample 2为长度2000 mm的混凝土覆盖直钢，混凝土-空气界面位于1000 mm处，缺陷位于1200 mm；Sample 3为长度2000 mm的弯曲扁钢，弯曲区域距端部950 mm，缺陷距端部1200 mm。磁致伸缩振动源参数包括：Galfenol棒直径6 mm、长度100 mm，线圈匝数200匝，激励电流幅值10 A、脉宽50 μs，偏置磁场由NdFeB永磁体提供。

实验结果显示，在脉冲电流激励下，磁致伸缩材料产生瞬态机械响应，向扁钢注入扰动实现Lamb波检测。针对三种试样的检测结果表明：Sample 1原始信号中存在明显响应和衰减振荡成分，滤波后识别出直达波、缺陷回波（1200 mm处）、远端端面回波以及多次反射、模态转换和杂波叠加形成的复合回波；Sample 2验证了该激励源在混凝土覆盖扁钢中的有效性，识别出直达波、界面反射回波与缺陷回波的复合响应（因空间位置接近而时域重叠）、以及远端端面回波；Sample 3表明弯曲区域对Lamb波传播有显著影响，识别出直达波、弯曲区域回波（950 mm处）、缺陷回波（1200 mm处）以及远端端面回波。滤波后信号频谱分布更为集中，有效抑制了高频噪声和无关杂波，提高了回波识别清晰度。

综合三项实验，研究人员构建的磁致伸缩Lamb波检测系统能够在长直扁钢试样中实现稳定的Lamb波激励和有效接收，获得直达波、缺陷回波、端面回波等具有明确物理意义的响应信号，验证了该方法用于扁钢构件Lamb波检测的可行性。

在讨论部分，研究人员指出该磁致伸缩Lamb波检测系统可在长直扁钢、混凝土覆盖扁钢及含弯曲区域扁钢中实现稳定激励与有效接收，但在混凝土覆盖和弯曲结构条件下，波包展宽和多径叠加效应会导致界面回波与缺陷回波时域重叠，难以完全分离，这是后续研究中需要重点解决的问题。

研究结论部分指出，本研究提出了一种基于磁致伸缩机理的Lamb波激励源新技术，并从理论建模、材料选择、激励方式、模态分析和多物理场仿真等方面进行了系统研究。首先，鉴于接地网下引扁钢具有典型板状波导结构特征，引入Rayleigh-Lamb色散理论分析Lamb波在扁钢中的传播规律，明确了低阶模态对此类结构检测的适用性。通过对比A₀和S₀模态的传播特性，发现A₀模态在相同频率条件下更有利于提高缺陷响应能力，故将其采用为主模态。在此基础上，构建了磁致伸缩Lamb波激励的"电-磁-机-波"耦合模型，阐明了能量转换过程：线圈中的阶跃电流脉冲产生瞬态磁场，磁场作用于磁致伸缩材料引起快速应变和应力输出，通过机械耦合作用于扁钢表面，最终激励Lamb波。该模型揭示了激励电流、磁场强度、磁致伸缩应变、输出载荷与Lamb波幅值之间的内在关系，并指出由于磁化过程、磁滞和饱和效应，磁致伸缩应变与磁场强度间的关系呈现显著非线性，因此需要合理的电流参数、磁路结构和材料选择以提高能量转换效率和激励稳定性。材料方面，对比典型磁致伸缩材料性能特点后，最终选用铁镍合金Galfenol作为核心材料，其兼具良好的磁致伸缩性能、机械强度、韧性、抗冲击性和环境适应性，更适合接地网下导体现场检测中反复安装、加载和复杂环境的要求。激励方式方面，阶跃脉冲电流驱动的线圈可在短时间内建立瞬态磁场，将其应用于扁钢试样可实现相对稳定的Lamb波信号激励，确认了理论和结构设计的有效性。