【超声】用于空气耦合 Lamb 波基于超声波无损检测系统的仿真工具 Matlab代码

✅作者简介：热爱科研的Matlab仿真开发者，擅长数据处理、建模仿真、程序设计、完整代码获取、论文复现及科研仿真。

🍎 往期回顾关注个人主页：Matlab科研工作室

🍊个人信条：格物致知,完整Matlab代码及仿真咨询内容私信。

🔥 内容介绍

在工业制造、航空航天、轨道交通等领域，材料与构件的完整性直接决定了设备的运行安全与使用寿命。传统的无损检测技术（如超声接触式检测、射线检测、涡流检测）在应对大面积薄板构件（如航空铝合金蒙皮、列车车身薄板、压力容器薄壁）时，往往面临 “耦合剂依赖”“检测效率低”“对复杂曲面适应性差” 等问题 —— 例如，接触式超声检测需在探头与构件表面涂抹耦合剂（如甘油、水）以消除空气间隙，不仅增加了检测后清洁的工作量，还可能对构件表面造成污染；射线检测则存在辐射安全风险，且对薄板内部微小缺陷的识别精度有限。

随着工业对检测效率与安全性要求的不断提升，空气耦合 Lamb 波超声波无损检测系统应运而生。Lamb 波作为一种在薄板构件中传播的导波，具有 “传播距离远、覆盖范围广” 的独特优势 —— 单条 Lamb 波传播路径可覆盖数十厘米甚至数米的检测区域，大幅提升检测效率；而 “空气耦合” 方式则彻底摆脱了对耦合剂的依赖，实现了 “非接触、无污染、快速扫查”，尤其适用于高温构件、表面敏感构件（如涂层薄板）或在线连续检测场景。例如，在航空制造中，该系统可对铝合金机身薄板进行快速扫查，精准识别内部的微小裂纹、分层缺陷；在列车维护中，无需拆卸车身即可完成对薄壁构件的无损检测，显著缩短维护周期。

然而，空气耦合 Lamb 波检测也面临核心挑战：空气与固体构件的声阻抗差异极大（空气声阻抗约为 413 Rayl，铝合金声阻抗约为 17×10^6 Rayl），导致超声波在空气 - 固体界面的透射效率极低（仅约 0.001%），信号衰减严重；同时，Lamb 波在传播过程中存在多模式色散现象（不同频率的波速不同），易导致信号畸变，影响缺陷识别精度。因此，深入理解空气耦合 Lamb 波的传播特性，优化系统设计，成为推动该技术工业化应用的关键。

核心技术原理：空气耦合与 Lamb 波的协同机制

1. Lamb 波的传播特性：薄板中的 “导波优势”

Lamb 波是在厚度与波长相当的薄板构件中，由纵波与横波在上下表面多次反射叠加形成的导波，其传播特性与构件厚度、材料属性（密度、弹性模量）、激励频率密切相关，主要表现为多模式传播与色散效应两大特征。

（1）多模式分类：对称模式与反对称模式

根据质点振动方向与波传播方向的关系，Lamb 波可分为对称模式（S 模式，Symmetric Mode）与反对称模式（A 模式，Antisymmetric Mode）：

对称模式（S0, S1, S2...）：构件上下表面的质点振动呈对称分布，中间层质点仅沿波传播方向做纵向振动（类似纵波）。其中，基阶对称模式 S0 的传播速度最快，能量衰减最小，是空气耦合检测中最常用的模式 —— 在厚度 1-5mm 的铝合金薄板中，S0 模式的传播速度约为 5000-6000 m/s，可实现长距离传播（如 10m 以上）。

反对称模式（A0, A1, A2...）：构件上下表面的质点振动呈反对称分布，中间层质点沿垂直于波传播方向做横向振动（类似横波）。基阶反对称模式 A0 的质点振动幅度大，对构件表面及近表面缺陷（如表面裂纹、腐蚀坑）的敏感性更高，但传播速度较慢（约 1000-2000 m/s），能量衰减较快，适用于短距离高精度检测。

在实际检测中，需通过调整激励频率与探头角度，实现单一模式（如 S0 模式）的激发，避免多模式叠加导致的信号干扰 —— 例如，对于厚度 2mm 的铝合金薄板，当激励频率为 200 kHz 时，S0 模式的波速稳定，且与其他模式的波速差异显著，易于信号分离。