随着对复合材料需求的不断增加，急需发展相适应的无损检测及无损评估 技术对材料中的缺陷进行检测，并对材料的健康状况进行评估。在此情况下， 和非接触式空气换能技术相结合的导波技术，可以快速有效地对板和类似板的 结构的整个厚度进行扫描，来检测缺陷。与此同时，通过和数值模拟相结合， 尤其是针对实际情况的三维模拟，可以了解导波和缺陷之间的相互作用情况， 还可以将数值模拟结果和实验结果进行比对来量化损伤的严重程度。 本工作中应用的单面超声扫描技术使用一对空气声换能器，一个作为发射 换能器产生激励源，另一个作为接收换能器检测声信号，在扫描过程中，两个 换能器之间的距离固定，同时沿着一个方向移动，一发一收来检测试样。如果 试样中存在缺陷，则接收换能器将检测到散射信号，这时，信号的幅值将会有 所变化。由于零阶反对称A0模式在气一固界面处具有较高的垂直位移分量，易 于空气声换能器激发及接收，本工作中均选择A0Lamb模式作为入射激励模式。 同时，通过监测不同检测位置上接收信号幅值的变化，来指示缺陷的存在。在 实验信号中采用的幅值是，检测得到的时域信号对应频谱上对应激励频率的幅 值。 相应地数值模拟，通过使用商业有限元软件根据实际实验情况的建立三维 模型，在频域求解动力学平衡方程来求得更为精确的数值解。在模拟中，根据 实际需要，考虑了材料的各向异性及粘弹性。空气声换能器产生的激励源通过 作用在试样表面的垂直应力来模拟，而接收信号则通过对板表面对应区域中的 垂直位移分量积分获得。由此，基于空气声换能器及Lamb波技术的无损检测系 统得到了完整的模拟，模拟中考虑了换能器和缺陷的形状，以及入射及散射声 束在实际传播中的扩散效应。 由于三维模型的自由度数通常都很大，模拟中采用了不同的措施来减少模 型的尺寸。一是使用改进的粘弹吸收区域来避免模拟无边界的平板，去除边界 处的回波信号；二是利用对称及反对称边界条件来缩减模型。 实验及数值研究首先通过两个简单的例子进行：一块中心有个贯通的圆孔 的铝板，及一块有撞击缺陷的复合玻璃纤维板。实验激励频率大致和换能器的 中心频率相符，为250 kHz，低于铝板A1模式的截止频率，但是高于复合板中 A1模式的截止频率。第三个试样是EADS-ASTRIUM公司提供的复合结构罐装 容器，其在钛金属内层及碳纤环氧外层之间通过插入Teflon来加工了一个脱粘 缺陷。选择的激励频率为100 kHz，激励模式也由于结构的不对称性而并不是通 常意义上的反对称A0模式，但是该模式的振型及和空气层较高的耦合度都显示 其和单层板中的A0模式类似。另外，利用三维有限元模型针对以上三个试样模 拟了接收换能器的输出信号幅值的变化，并进一步和实验结果进行比较。 通过比较，数值模拟结果和实验结果相互吻合，基本一致。在此基础上， 可以利用这一数值模型对该无损检测系统的参数进行优化，如换能器大小，距 离，驱动频率等，以期降低实验成本；同时，还能对该系统的局限性提供预 估，如可检测缺陷的位置及最小尺寸。 关键词：空气声 无损检测 有限元 三维模拟