（机械电子工程专业论文）管道超声导波实验系统优化及缺陷检测与定位.pdf

摘莹 i i 摘要 超声导波管道检测问题是近年来的一个研究热点，这是因为在天然气、发 电厂、石油化工、地下水管网等部门中存在着数以万计的管道。管道经长期使 用，其管壁被冲刷、腐蚀，致使管壁变薄及出现裂纹，严重时发生泄漏事故。 迫切需要一种高效、经济可靠的长距离管道检测技术，本文所要解决的问题就 是在这样的工程背景下提出的。本文首先对国内外本课题研究领域的进展作了 综述，简要介绍了超声导波技术的理论基础并引入时频分析的方法；其次，研 制了管道单端激励接收转换装置，解决了长期以来无法实现的管道单端激励接 收问题；优化了传感器夹具设计，使其更具有通用性并方便了安装；实现了数 字示波器与计算机的以太网通讯，从而建立起了一套有效的实验装置；在此实 验装置的基础之上，对管道导波检测中传感器数量和频率特性进行了分析，对 轴对称及非轴对称激励接收管道超声导波检测进行了大量实验研究，其实验结 果与理论预测相吻合，验证了超声导波技术在管道检测中的实用性；最后，引 入时频分析方法进一步研究管道缺陷回波的特性。采用小波变换方法，经过分 析处理接收到的回波信号，使时域中不易分辨的缺陷信号清晰的显现出来，实 现了超声导波管道检测的缺陷识别与定位，取得了较好的检测效果。 关键词：超声导波；管道；缺陷；时频分析；小波变换 北京丁业大学1 学坝i ：学位论文 a b s t r a c t u l t r a s o n i cg u i d e dw a v et e c h n i q u e st on d ti n p i p e sh a sb e c o m ea l li n t e r e s t t o p i ci nr e c e n ty e a r s ，p r i m a r i l yb e c a u s eo f t h em i l l i o n so fm i l e so f t u b i n ga n dp i p i n g t h a te x i s ti na l lk i n d so f g a s ，p o w e rg e n e r a t i o n ，w a t e rs u p p l y , p e t r o c h e m i c a la n d m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r i e s ，a n dt h ei n c r e a s i n gi n s p e c t i o nr e q u i r e m e n t sf o rs a f e t ym a d p r o d u c t i o ne f f i c i e n c y t h ed e t e c t i o no fc o r r o s i o na n dd e f e c t si np i p e w o r kj sa c r i t i c a lp r o b l e mi na 1 1f i e l d so fi n d u s t r i e s a sar e s u l t t h em e t h o dt ot e s tp i p e l i n ei n l o n gr a n g ee c o n o m i c a l l ya n de f f e c t i v e l yi sn e e d e d t h ep r o b l e mt ob es o l v e di nt h i s p a p e rb a s e so nt h i sk i n do fe n g i n e e r i n gb a c k d r o p t kp r o j e c tj u s td o e sr e s e a r c ho n u s i n gc e r t a i ng u i d e dw a v em o d e st od e t e c tt h ep i p ef l a w f i r s t t h ed e v e l o p m e n ti n t h i sf i e l dw a si n t r o d u c e d a n dt h er e l a t i v et h e o r i e sa n db a s i sw e r ee x p l a i n e d s u b s e q u e n t l y , a na u t o m a t i ct r a n s m i t r e c e i v ed e v i c eh a sb e e nd e v e l o p e dt or e a l i z e t h ee x c i t a t i o na n d r e c e p t i o no f u l t r a s o n i cg u i d e dw a v e s o ns i n g l e e n do f t h e p i p e l i n e h a v i n go p t i m i z e d t l l ed e s i g no ft h ec l a m pw i t hw h i c hw ec a l lm o u n tt r a n s d u c e r so n ap i p e c o n v e n i e n t l y t h et e c h n i q u eo fi n t e r n a l “v i r t u a l ”g p i b t h a t l i n k st h e w i n d o w s p r o c e s s o r t ot h e o s c i l l o s c o p e s ，p e r m i r i n g f a s t e r a c q u i s i t i o n s t h a n c o n v e n t i o n a lh a r d w a r el i n k s t h e na ne f f e c t i v es y s t e mh a sb e e nd e s i g n e da n ds e tu p t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tm a n yc h o i c e so ft r a n s d u c e rn u m b e r a n de x c i t i n g f r e q u e n c yc a nb em a d et op r o d u c eag o o dr e s u l t a n db e c o m et h e r e f e r e n c eo ft h e p i p e d e f e c t i n s p e c t i o nw i 也g u i d e dw a v e a x i s y m m e t r i ca n d n o n a x i s y m m e t r i cs u r f a c el o a d i n g o np i p eh a v eb e e ns t u d i e d ，t h ee x p e r i m e n t a l s t u d yd e m o n s t r a t e st h eu s eo f a p r a c t i c a ln o n a x i s y m m e t r i cp a r t i a ll o a d i n gt e c h n i q u e ， p a r t i c u l a r l yu s e f u li ut h ei n s p e c t i o no fp i p i n gw i t hl i m i t e dc i r c u m f e r e n t i a l a c c e s s f i n a l l y ，t h et e c h n i q u e o ft i m ea n d f r e q u e n c ya n a l y s i se s p e c i a l l y t h ew a v e l e t t r a n s f 0 1 t nh a sb e e nu s e d t h ed i f f i c u l t yt od i f i e r e n t i a t et h ew a v e f o w f l sc o r r e s p o n d i n g t ot h ec o r r o s i o na n dw i t h o u tc o r r o s i o nc a s eh a sb e e ns o l v e db yw a v e l e tt r a n s f o r m w a v e l e tt r a n s f o r mp r o c e s s i n gr e v e a l sv e r yc l e a r l yt h ep e a ki d e n t i f y i n gt h ee n e r g y b a c k s c a t t e r e db yt h ef l a wo f p i p e 0 1 1t h i sb a s i s ，t h ef l a wo f t h ep i p ec a l lb ed e t e c t e d a n d1 0 c a t e d k e y w o r d s ：u l t r a s o n i cg u i d e dw a v e s ；p i p e s ；f l a w ；t i m e a n df r e q u e n c ya n a l y s i s w a v e l e tt r a n s f o r r n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了请 意。 签名：盔e 垂鱼日期：2 。垒，z ! ! ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工、l k 大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名： 盏垂刍 导师签名：血煎同期：避五：! ! 第1 章绪论 1 1 研究背景及其理论与实际意义 管道作为广泛应用的运输工具之一，在运送液体、气体、浆液等方面具有 特殊的优势，尤其在石油化工、天然气及城市供水等行业中有着不可替代的作 用，并以其有效、安全、对环境影响小等特点在国民经济、社会发展中占有举 足轻重的地位。目前，我国建设的输油和输气管道已经达到3 万余公里，且正 以1 0 0 0 2 0 0 0 公里年的速度铺设新管线“。随着我国西部大开发及海洋油田 的丌发，还将有大量的地下及海洋管道不断地铺设，保证它们在安全的状态下 运行是一件重要的任务。然而，管道在长期服役中，受冲刷和腐蚀，导致管壁 减薄，常常发生泄漏事故，不仅造成经济上的巨大损失，且会污染环境，影响 生态平衡。据近期统计，热力设备事故中锅炉占6 0 ，其中管道破损事故占锅 炉事故的6 5 。在美国锅炉管道损伤也是热力发电设备可用率低的首要原因， 近l o 年来，已发现5 万多台锅炉管道损伤，相当于可用率减少6 。“。在我国， 据国家质量监督局统计显示，2 0 0 0 年全国共发生锅炉、压力容器、气瓶、压力 管道爆炸事故1 5 5 起，严重事故1 5 l 起，死亡1 7 5 人，受伤3 6 8 人，直接经济 损失4 5 0 3 2 3 万元。另一方面，自来水管网泄漏的检测和维修是城市给水工程 的一个重要环节“j 。在我幽城市供水管网因跑、冒、滴、漏现象造成的漏水率 超过2 0 ，地下供水管线平均每公晕有漏点0 2 4 个，平均每公里每小时漏水1 3 8 立方米，全国城市供水管网平均漏损率达2 0 2 5 ，全国水管线总长度为6 0 万 公早，如水价按每立方米l _ 4 元计算，则全国每年该项经济损失近百亿元。仅 北京市每年自来水管漏掉的水就相当于两个昆明湖”1 。由此可见，管道的无损 检测评价技术，以预知隐患，对确保管道的安全、可靠运行具有十分重要的理 论意义和实用价值。 目前管道无损检测的方法主要有“。“：超声、光学、涡流及射线法等，由于 工业现场管状结构的外侧常常不易触及，需要将探头伸入管道内部螺旋式前进， 逐点探测管道内侧及管壁的状况。这些无损检测方式 分费时，在检测时间要 北京t 业大学t 学钡卜学位论文 求较紧的条件下无法做到管道百分之百的检测。另一方面，典型的传统的超声 检测方法，是利用换能器在被测物体的整个表面上扫描，得到的结果通常以c 扫描的方式显示，这一过程往往费时费事。由于裂缝和腐蚀等缺陷在管道的内 外表面都可以发生，由于大部分管道是被掩盖的，如果不移去隔离部分，即使 是外部缺陷也无法用传统的超声无损检测技术来检测。鉴于此人们希望发展一 种新的省时省力的超声检测技术以弥补常规超声检测技术的不足，超声导波 ( u l t r a s o n i cg u i d e dw a v e ) 检测技术应运而生。 超声导波技术具有突出的优点。在结构的一点处激励超声导波，由于导波 本身的特性( 沿传播路径衰减很小) ，其可以沿构件传播非常远的距离，最远可 达几十米。接收探头所接收到的信号包含了有关激励和接收两点间结构整体性 的信息。因此，这种技术实际上是检测了一条线，而非一点。另一方面，由于 超声导波在管( 或板) 的内、外( 上、下) 表面和中部都有质点的振动，声场 遍及整个壁厚( 板厚) ，因此整个壁厚( 或板厚) 都可以被检测到，这就意味着 既可以检测构件的内部缺陷也可以检测构件的表面缺陷。利用超声导波检测 管道时具有快速、可靠、经济且无须剥离外包层的优点，是管道检测新兴的和 前沿的一个发展方向。同时，由于压力管道的广泛应用，管道的长距离超声导 波快速检测研究近年来受到国内外无损检测学者的极大关注。因此研究超声导 波在结构中的激励、接收、应用与缺陷定位等问题，对将导波技术应用在工程 中具有重要的学术意义和很好的应用前景。 1 2 本课题及相关领域国内外发展现状 1 2 1 超声导波技术 国外对本课题的研究可以追溯到2 0 世纪5 0 年代，对导波的研究经历了 从理论推导到实验验证；从简单的板中的导波理论研究到较复杂的管中导波管 道缺陷检测的实际运用。由于超声导波在管状结构、板材检测上的优越性，利 用导波对多种类型、结构进行缺陷检测和性能评价，已成为近年来导波检测技 术研究与应用的热门话题。 a l l e v n e 和c a w l e y 嘲3 研究了扳中缺陷与l a m b 波的相互作用，并分析了模 态转换现象，提出了模态选择的推荐值和应用超声导波检测的一些技术。 第1 常绪论 i i i i a r m e n a k a s 等详细讨论了圆柱壳中的弹性波传播理论，他指出在管线结构中存 在许多神模态，并且在相速度频散曲线中给出了可能出现的模态。j o s e p hl r o s e ”在他所著的书中对超声导波在咧体介质中的传播、散射以及利用超声导 波检测各种材料等问题，从理论到实践均进行了深入的分析与讨论。 在众多导波检测管道的文献中多数是用l ( o ，2 ) 模态导波( 一种纵向导波) 检测管道上的缺陷，这是由于l ( o ，2 ) 模态频散现象弱、传播速度最快。多篇文 献也介绍了如何在管道中激励出l ( o ，2 ) 模态导波，实际上用l ( o ，2 ) 波检测管道 的技术已经比较成熟了。a l l e y n e 和c a w l e y ”、】已检测了l ( o ，2 ) 模态在焊逢和管道 接头的反射，证明了此模态可以在湿或干的、具有外包层的条件下，沿管道传 播几十米的距离。另外，在导波的激励方式l 国外已经发展了在管道上周向 对称激励产生导波“1 12 、利用梳：淡传感器在板上激励导波“2 “、利用相阵传感器 阵列。“3 在管道上激励单向导波等技术，在这一点l 英国的c a w l e y 和美国的r o s e 分别作出了各自的用于检测的传感器阵列。英国的l o w e ”“”在理论研究方 面做了很多工作，且丌= 发出了用于计算板和管道频散曲线的d i s p e r s e 软件。 j a m e s b a r s h i n g e r 等o ”通过。组斜探头激励接收导波，进行了一定频率范围内单 个平底孔与平底孔簇两种刁i 同缺陷的反射回波幅值的实验分析。目前，美国的 p e t e r c a w l e y ，d n a l l e y n e 等i ”。4 ”已实现超声导波检测技术的商业化应用，开发 出检测板、管道、铁轨的专用仪器与分析软件。j o s e p hl r o s e 和x i a o l i n g z h a o 、= “。 已经在进行管道弯头处缺陷检测的研究；英国的c a r i s t e g u i 、m j s l o w e 和 r c a w l e y 。”在进行导波检测充液的管道的研究。 此外，利用非轴对称模态( 在圆柱空腔中又称弯曲模态) 进行管道检测方 面的报道较少。s h i n 和r o s e 【3 “采用非轴对称局部加载技术，通过控制表面加 载的条件，在管道中激励轴对称或非轴对称模态导波迸行检测。 国内超声导波检测技术方面的研究与外国相比起步较晚，但在相关领域也 已开展了一些研究。刘镇清”“1 介绍了有关导波检测的综述性方面的内容。在 工业应用中，杜好阳“8 设计r 小管径专用超声导波探头，对煤器管件的涡流检 测盲区进行了超声导波检测。同济大学声学研究所的他得安”3 对超声纵向导波 在管状结构中的传播特性进行了研究。本实验室已毕业硕士研究生王智”采用 在管道表面粘贴压电陶瓷的方法来激励和接收超声导波，得到了比较理想的结 北京t 业大学t 学倾卜学位论文 果。硕士研究生于海群”研制了套可拆卸的超声导波专用探头实现了传感器 的可重复使用。 总结国内外对超声导波技术的研究内容，主要集中在以下几个方面”1 ： ( 1 ) 理论研究目前对导波理论的研究主要有几个方向：1 ) 导波在管状 结构、板材中的传播特性研究；2 ) 管状结构、板材中规则有限尺寸的缺陷对导 波散刺问题的研究；3 ) 用有限元法对管状结构内部缺陷的数值分析研究，用边 界元法对板材内部缺陷的数值分析研究；4 ) 导波检测时的模态选择及优化。 ( 2 ) 实验研究目前对导波的实验研究主要集中在缺陷的检测上。导波在 超声检测中的应用主要有以下几个方面：1 ) 各种管道、板材缺陷的检测；2 ) 导波测厚；3 ) 有关泄漏的导波检测技术的应用。 1 2 2 检测中的信号处理 在超声检测中，一个需要着重考虑的问题是回波信号采集、识别及分析。 随着7 0 年代末时频变换、人工神经网络、小波分析等新概念的提出和推广，人 们开始在超声检测的信号处理方而进行新的尝试。 吕干霖，张海燕等用模糊模式识别方法对未知缺陷进行了分类。为了突破 传统超声检测中只利用回波峰值来检测缺陷的局限性，m ，t h a v a s i m u t h u 等。73 在 回波特征量提取时按重要性的大小提取多个特征量，应用人工神经网络，并在 训练网络中在输入与输出层之间引入一套反馈系统，即形成所谓的监视学习方 法。z h e n q i n gl i u 等。“在网络的输入和输出之间引入延时及反馈系统来降低结 构噪声，以提高信噪比。 小波变换是近2 0 年来发展起米的一种信号处理方法，与信号的时域分析和 频域分析不同的是，小波变换具有同时在时域和频域表征信号局部特征的能力， 既能够刻划某个局部时间段信号的频谱能力，又可以描述某一频谱信息对应的 时域信息。这对于分析含有瞬态信息的超声导波信号是最合适的。 a b b a t e ，k o a y 等。”利用小波变换实现了噪声的抑制以及缺陷的定位。 b e n h e l o t “0 1 利用小波变换解决了周向导波缺陷检测中的缺陷定位问题。h c p a r k ， d 一s k i m m l 利用小波变换方法对多层结构中声波信号进行了分析，得到了相速 度和群速度的频散关系，分析结果与理论计算吻合较好。h y u n j 0j e o n g ， y o u r g - s uj a n g t 4 2 - 。43 用小波变换方法对板结构中声发射信号的频散特性进行分 第1 章绪论 析，较好地得到了波到达传感器的时间，实现了声发射源的精确定位。 简晓明等“8 1 分别利用小波变换和自适应噪声抵消方法对三种具有不同形状 和位置缺陷的试件进行了检测分析并对结果进行比较，得到了一致的结果。蔡 正敏、吴浩江利用小波变换的方法对泄漏信号进行去噪处理，提高了管道泄漏 的检测精度。张海燕等“”从小波变换的“显微”能力出发，提取出非稳态缺陷 回波信号的特征值，通过模糊模式识别算法对1 8 个焊缝中的常见缺陷进行分 类，表明了小波变换对提取特征值的可行性。行鸿彦等“”实现了基于小波变换 的超声多模式兰姆波参量时延估计。 小波变换作为一种新的数学工具引入n d t 信号处理中，还处于刚刚起步阶 段，使用起来不如傅里叶变换那样得心应手，但由于其具有傅氏变换无可比拟 的优点，可以预见，小波变换将迅速渗透到n d t 信号处理领域中。 1 3 本课题的来源及主要研究内容 本课题为国家自然科学基会项目。 本课题在实验室前一阶段采用分布式压电传感器激励接收特定轴对称模态 进行管道检测已初步获得成功的基础上，对实验系统进行了进一步的优化，实 现管道的超声导波单端激励接收，研究在管道外表面采用轴对称与非轴对称局 部加载激励接收超声导波的技术，通过信号分析实现缺陷回波信号的识别与缺 陷的定位。在实验室阶段，对个别种类人工缺陷进行实验，在己知缺陷大小、 位置条件下，对回波信号进行分析，反演缺陷的位冒并通过软件实现检测及信 号处理。主要内容包括： ( 1 ) 管道单端激励接收超声导波的实现 在管道上采用单一激励接收环时，用于驱动激励用压电陶瓷探头的电压信 号幅度与用于接收的压电探头的输出电压信号幅度相差悬殊，因此，直接采用 单一激励接收环实现信号的激励与接收是不可能的，必须将激励与接收信号的 电路相隔离。目前实验室所采用的是间隔激励接收的方式，压电传感器的利用 率低，因此要设计一个隔离电路，实现激励接收的自动转换，从而使所有的压 电传感器均参与激励与接收的过程，以此达到提高传感器利用率的效果。 ( 2 ) 数据采集 出于信号的频率较高，须选用高采样率的数掘采集卡。实验室目前用的 北京工业人学t 学硕l ：。字叫立论文 p o w e r d a q 的采样速率最高达l2 5 m h z ，但仍显不足。数字示波器将待测模拟 信号实时数字化，在波形处理方面有很大改进，同时又具有很高的采样率 ( g h z ) ，但它的波形存储容量有限，也不可能进行更复杂的数据处理，因此考 虑将数字示波器与计算机相结合，用计算机控制示波器，通过r s 一2 3 2 通讯接 口进行串行通讯，并尝试通过以太网口进行网络通讯，从而将示波器采集到的 数据存储入计算机，实现数据采集并为后续的信号处理做好准备。 ( 3 ) 轴对称与非轴对称加载激励接收超声导波 在实验室前一阶段的研究中，基本实现了用周向均布的压电传感器激励和 接收超声导波，但还存在着一些问题。采用陡度伸缩型p z t 5 探头，周向轴对 称均匀固定在管道上进行检测的激励接收方式为管道检测带来很多不便，操作 麻烦，传感器利用效率低，若管道周向空间受到限制则无法保证轴对称的激励 的条件，为解决这一问题，考虑研究非轴对称局部加载激励接收超声导波进行 管道检测的可行性，研究表面加载角度对超声导波激励接收的影响，探索采用 非轴对称激励接收方式，减少传感器数量进行管道检测的方法。 此外，目前所采用的胶粘的干耦合方式将传感器一次性固定在管道上，一 旦测试完成，探头不可拆卸，因此经济性不好，且探头直接贴于管道表面，没 有任何保护措施，实验中探头易断裂。为解决这一问题，在实验室已开发出的 一种可拆卸传感器的基础上，将其应用于管道检测的实际系统中，结合非轴对 称激励接收技术，真正实现实际应用中切实可行的激励接收超声导波信号的方 法。 ( 4 ) 缺陷信号的识别和定位 超声导波检测的目的在于检测管道上的缺陷。由于在缺陷的回波中包含大 量的导波模念，怎样准确识别各导波模念一直是本课题的滩点，在时域范围讨 论导波模态的基础上，利用小波分析在时域和频域中良好的分析能力，采用小 波分析方法，对缺陷回波细化分析。在实验室阶段对几种人工缺陷进行检测实 验，在管道上加工出人工缺陷，在已知缺陷大小、位置的情况下，采用小波分 析的方法对回波信号进行分析，确定缺陷所在的位置，实现管道的缺陷检测与 定位。 1 4 本章小结 本章分析了课题的学术背景及其理论和实际意义，综述了国内外相关文献， 介绍了国内外在本课题上研究的历史和现状，最后介绍了本课题主要的研究内 容。 北京工业大学t 学颅 学位论文 第2 章基本理论 2 1 超声导波基本理论 2 1 1 导波的概念 在无限均匀介质中传播的波称为体波，体波有两种：一种叫做纵波，- - + 十h q 做横波，它们以各自的特征速度传播而无波形耦合。而在一弹性半空间表面处， 或两个弹性半空间表面处，由于介质性质的不连续性，超声波将经受一次反射 或透射而发生波形转换。随后，各种类型的反射波和透射波及交界面波均以各 自恒定的速度传播，而传播速度只与介质材料密度和弹性性质有关。然而当介 质中有一个以 二的交界面存在时，就会形成一些具有一定厚度的“层”。位于层 中的超声波将要经受多次来回反射，这些往返的波将会产生复杂的波形转换且 波之间发生复杂的干涉。若一个弹性半空间被平行于表面的另一个平面所截， 从而使其厚度方向成为有界的，这就构成了一个无限延伸的弹性平板。位于板 内的纵波、横波将会在两个平行的边界上产牛来回的反射而沿平行板面的方向 行进，即平行的边界制导超声波在板内传播。这样的一个系统称为平板超声波 导。在此板状波导中传播的超声波即板波或称l a m b 波。l a m b 波是超声无损检测 中最常用的一种导波形式，由2 0 世纪初hl a m b 先生研究无限大板中正弦波问 题而得名。图2 - 1 能够很好地说明板中的导波( l a m b 波) 是如何激励出来并且 传播的。首先，由激励传感器发别出超声波，山于激励传感器为一斜探头，所 接收 图2 1 板中导波 以超声波在板的上下表面发生不断的反射 并且向前传播，板的上下表面制导着超声波 在板内的传播，由此形成了板中的导波 l a m b 波。除此之外，圆柱壳、棒及层状的弹 性体都是典型的波导。其共同特性是由两个 或更多的平行界面存在而引入一个或多个 特征尺寸到问题中来( 如壁厚、直径、厚度等) 。在波导中传播的超声波称为超 声导波。在圆柱和圆柱壳中传播的导波称为柱面导波。 第2 章桀奉理论 2 1 2 导波的群速度与相速度 群速度与相速度是导波理论中两个最 基本的概念，所谓群速度是指弹性波的包 络上具有某种特性( 如幅值最大) 的点的 传播速度，是波群的能量传播速度。而相 速度是波上相位固定的一点传播方向的传 播速度。值得注意的是，导波以其群速度 向前传播。如图2 2 ，波形a 为弹性波在 传播一定距离时得到的一个导波波形。波 图2 - 2 群速度与相速度的关系 形b 为传播距离加大了f 后得到的一个导波波形。比较两图，b 图中的包络明 显向后移动了一段时间f ，两个波形的等相位点( 这里将其视为某一固定波形 的过零点) 相差的时间为f ：。在工程上，就可以借此粗略地估计这种模式导波 在图2 - 2 所示超声波频率附近的群速度c 。和相速度c ，为 c 一：型 ( 2 1 ) 。g 2 。2 1 c 。：型( 2 2 ) 。p 2 。2 。2 群速度与相速度的关系如下 ( 2 3 ) 其中：耐为频率一厚度积。厂为所要求导波的频率，d 为所测试件的厚度。对 于板而言1 ，d 为板的厚度；对于圆管，d 为管的壁厚。 2 1 3 导波的频散现象与多模态特性 受几何尺寸的影响，不同频率下波导中传播弹性波的速度不同，从而导致 超声波的几何频散，称之为频散现象。在导波的长距离检测中，导波频散现象 使得初始位置的弹性波信号波形在传播过程中发生畸变，并将对测量的结果产 北京工业大学t 学硕j 学位论文 生较大的影响。图2 3 所示为2 7 6 m m 厚钢板内a 2 模态的l a m b 波传播情况的 数值模拟波形。图中激励信号为一个十周期加i l a n n i n g 窗中心频率为1 5 m h z 幅 度 时间( m s ) ( a ) 幅 度 图2 - 3 频散现象示意图 的单音频信号。图中，波包a 为激励信号，图2 - 3 ( a ) 、( b ) 中波包b 分别表示 原始激励信号传播到5 0 m m 处和信号传播到1 0 0 m m 处时的波形信号。可以看出， 随着传播距离的增加以及频散现象，信号的时域宽度增加、信号幅度减小，原 始激励信号波形发生了较大畸变。信号展宽为分析有用的信号带来了很大的困 难，幅度的减小降低了检测的灵敏度，使得信号特征的识别与提取变的困难并 由此导致检测结果的失真。 多模念的存在使得问题更加复杂化。对于超声导波，人们通常用频散曲线 来表示导波模态与频率( 或频一厚积) 、速度之间的关系。图2 4 为由理论计算 柏 速 度 孓 频率( m h z ) ( a ) 27 6 m m 厚钢板的相速度| ； 1 线 频率( m h z ) ( b ) 2 7 6 m m 厚钢板的群速度曲线 幽2 - 4 铡板的相速度、群速度频散f | j 线 群速度 昌0 第2 荦基本理论 出来的自由边界条件下2 7 6 m m 厚的钢板的相速度和群速度频散曲线。图中每条 曲线表示一种模念，每种模念在不同的频率下具有不同的群速度和相速度；而 管中的频散曲线更为复杂，如图2 - 5 所示，为外径d = 8 8 8 m m ，壁厚d = 4 m m ， 纵波速度c ，= 5 9 6 0 m s ，横波速度c ，= 3 2 6 0 m s ，密度p = 7 9 3 2 9 c m 3 管道频 fr 日q = 012 口0 v a p l5 e 删m o 圈2 - 5 铡管的相速度、群速度频散曲线 散曲线。导波在结构中传播时，在低频一厚积的情况下，至少存在两个模态，随 着频厚积的增长，会出现更多的模念。即使激励了单模态的超声导波，在边界 或其他不连续处，如缺陷处，也要发生模态转换。因此，接收到的信号通常包 含两个或两个以上的模态，多模态的信号处理将成为必然。 2 1 4 圆管中的导波 为了建立导波的传播方程，需要对管道系统进行一定的假设，基本假设如 下： 1 ) 假设管道是轴对称且无限长的，如图2 - 6 所示； 2 ) 管道材料特性是均匀的、横向各向同性的线弹性体，管轴平行于各向同 性轴： 3 ) 假设导波是连续的、具有实频的能量有限信号。连续波和实频的假设表 明瞬时效应不能包含在模型中；能量有限的假设意味着外部能量不能附加进去， 所求出的也只是沿轴向传播的导波的解； 4 ) 假设管道的周围介质是真空。在这种情况下，在内外表面上没有位移限 制；而法向应力和两个切向应力在界面上变为零，即在内半径为a ，外半径为b 的两个边界上，边界条件为： 北京 _ 业人学t 学埘卜学位论文 盯。= 盯。= 1 3 = 0 ( r 2a ，f b ) ( 2 4 ) 图2 - 6 无限长无麻力窄心圆柱壳 这种边值问题的精确解首先由o a z i s 发表。可假设质点位移分量为： “r = u ，( r ) c o s n o c o s ( c o t + k z ) “口= u 日( r ) s i n n o c o s ( c o t + k z ) ( 2 5 ) “：= u ：( r ) c o s n os i n ( 0 2 t + k z ) 其中，周向阶数n = 0 ，1 ，2 ，3 ，。“，“：分别表示径向、周向、轴向位移分量； ，u ，是由b e s s e l 函数( 或者为修正的b e s s e l 函数，取决于幅角) 构成的 相应的位移幅度。 研究应力波在空心圆柱壳中的传播时，应分别研究三种不同的传播模念： 即纵向、扭转和弯曲模态。考虑所有沿z 轴方向传播的模态( 图2 - 6 ) ，纵向模 态和扭转模态是轴对称模态，而弯曲模态是非轴对称模态。在位移分量表达式 中，n = 0 对应轴对称模态的位移，n = l ，2 3 对应弯曲模态的位移，此位移中含 有自变量为h 0 的正弦函数，用s i l k 、b a i n t o n ”采用的符号，可表示如下： 纵向模态：l ( o ，m ) ( 轴对称模态) 扭转模态：t ( o ，i t i ) ( 轴对称模态) 弯曲模态；f ( n ，i r l ) ( 非轴对称模态) 其中，周向阶次n = l ，2 ，3 ，反映该模态绕管壁螺旋式传播形态；模数m = 1 ，2 ，3 ， 反映该模态在壁厚方向上的振动形态。 当n = 0 时，有无限多个扭转模念和无限多个纵向模态。当n = l ，2 ，3 ，时，对 于每个n 将有无限多个模态。通常，对于给定的第n 阶模态，可以做出m 个模 态的频散曲线。 各导波模态在圆柱状钢棒中传播的位移形态示意图如图2 7 所示，此图是直 径为2 m m ，在频率为1 m h z 附近的位移形态图。其中图2 - 7 ( a ) 为纵向模态，图 第2 章基率理论 2 - 7 ( b ) 曼d 扭转模态，图2 - 7 ( c ) 为弯曲模态。 霹固黉霉麓 ( a 1 纵向模态 ( b ) 扭转模态 ( c ) 弯曲模态 图2 7 各学波模态冉- 网柱钏棒中传播的位移形态示意图 214 1 纵向轴对称模态 求解管中超声波的位移场，最终归结为求解以下频散方程： 当n = 0 时，空心圆柱壳的轴对称模态的频散特征或频率方程为“5 ： = 0( 2 6 ) 其中，c 。是与管径尺寸( 内径a 、外径b ) 、材料的l a m e 常数 丑，密度p ，频率国以及波数k 有关的函数。求解该方程就可得到相应的相 速度和群速度曲线。 如果n = 0 ，则是轴对称模态，且频率方程可分解为几个子行列式的积： d = d l d 2 = o ( 2 t7 ) 其中： 卟睡 c 1 4c 15 c 3 4c 3 5 c 4 4c 4 5 0 “c 6 5 和d ，：1 c 2 3 2 6 ( 2 8 ) 。 l c 5 3 。蚓 d 。：o 和d ：= 0 的解分别对应于纵向模态和扭转模态。纵向模态中质点位移的 偏振向量在( ，z ) 平面内( 见图2 - 6 ) 。因此质点位移的周向分量为零，即“目= 0 。 而扭转模态只包含质点位移分量“。但实际应用中，由于在实验中纵向模态的 6 6 6 6 6 印咖伽嘶伽粥 ，”、”，盯，铆，甜 ”，h、蚪，饼，坝，n，蛆”、嘲印印哪印印。印 h b h h 北京t 业人学工学硕j ：学位论文 可激发性和可重复性，因此它比扭转模态应用更为广泛。通常情况下，由于对 称性，纵向模态要比弯曲模态易于激励，这便于对空心圆柱壳进行周向3 6 0 。 的全范围检测。另一方面，由于空心圆柱壳上周向缺陷的有限尺寸，缺陷的反 射波通常是非对称的。 将纵向模态的理论结果用相速度和群速度曲线表示。图2 8 为一个镍铬铁 合会管的实例计算结果。图2 - 9 为一不锈钢管的扭转模态的实例结果。 l l i m ” j n ll_ “ l - c 阻封 1 、 、1 十k 1 l il i1l l l1 卜_ 一 0 1l m ” ili oo51152253 354455 ( a ) 相速度频散曲线图 一 。这种分析方法将信号分解 为基本函数的加权和的形式，这些基本函数可以被看作是“砖块”或者“核”， 每个“核”可以由窗函数的时域或频域变换得来，这些基本成分即“核”在时 域和频域内具有很好的局域化性质。典型的线性时频表示有短时傅罩叶变换( 简 记为s t f t ，也称为短时频谱) 、小波变换( w a v e l e tt r a n s f o r m a t i o n ，简记为w t ) 和g a b o r 展丌等。第二类时频分析方法是能量分布法，也称作非线性时频描述， 非线性时频表示主要是各种二次型表示，其中，w i g n e r v i l l e 分布就是其中最基 本的一种方法。各种不同的时频分析方法有各自的特性和不同的最佳适用场合， 本文中采用了小波变换的时频分析方法对超声导波信号进行了分析。 非平稳信号时频分析理论在超声导波检测中的引入将有效的提高导波检测 的实际效果，解决单一时域信号分析中，由于多模态与频散的同时存在而导致 的信号识别困难的问题。a l l e y n e 3 提出的一种二维f f t 可以在一定程度上解决 多模态与频散的同时存在而导致的信号识别困难，但这种方法需要对信号进行 二维采样，采用时一频分析的方法对信号进行分离，只需一次采样就可满足分 析要求。 2 3 本章小结 本章主要介绍了与超声导波密切相关的概念及特性，讨论了圆管中导波的 振动位移形态及导波的频散啦线，选择了纵向轴对称l ( o ，2 ) 导波作为分析研究 的重点，介绍了非平稳信号时频分析的基本理论，作为进行下一步工作的理论 指导。 北京l _ 业人学i 。学坝 ，学位论文 第3 章超声导波检测系统的建立 3 1 管道检测实验系统 在大范围检测中，利用的导波是由合适的传感器在结构的单一位置上激发 的一能量短脉冲。激发的导波波包从传感器向结构周围传播丌，然后用同一传 感器或另一传感器来检测由周围结构特性或缺陷引起的反射信号。根据实验的 要求建立超声导波检测实验系统在管道中激励接收超声导波进行管道检测实 验，实验系统示意图如图3 1 所示。 倒3 - 1 趔声导波检测实验系统函意图 该系统由薄壁管道、任意波形发生器h p 3 3 1 2 0 a 、功率放大器u l t r a 2 0 2 0 、 前置放大器、数字示波器t d s 3 0 3 2 b 和分布式压电传感器组成。激励信号由计 算机编程产生并通过r s 2 3 2 串行接1 ：3 传递给任意波形发生器，控制任意波形发 生器产生所需的特定激励信号：激励信号经功率放大器进行功率放大，使电压 值达到1 0 0 v 左右；放大信号通过激励接收转换装置激励传感器，在管道中产 生超声导波；激励出的超声导波在管道中传播，反射回波返回传感器，此时传 感器又作为接收传感器接收导波信号，信号经前置放大器放大后，在数字示波 器上显示并传送到计算机进行进一步的分析。实验系统中，各部分实验装置均 有特定的要求，下面将分别进行介绍。 第3 荦超声导波检测系统的建立 3 2 任意波形函数发生器 通常，超声波的激励采用脉冲激励，激励所产生的超声波信号是宽带信号， 该信号在传播过程中仍然保持脉冲形状。如果同样采用脉冲激励超声导波，由 于管道的几何形状将导致导波在管道中传播时发生频散，造成在管道中传播的 导波异常复杂。这种情况将对导波信号的接收和分析处理等产生极为不利的影 响，极大增加了数据分析量，甚至使信号无法分析。在实验中，希望能产生经 过h a r m i n g 窗调制的l o 个周期、频率可调的单音频信号，然后把此信号进行功 率放大即可激励导波。现有的任意波形发生器，如实验室使用的h p 3 3 1 2 0 a 。 只能产生几种常规的信号，如正弦波、余弦波、三角波和心电波等。但是，如 果利用计算机编程生成经过h a n n i n g 窗调制的1 0 个周期单音频信号，通过 r s 2 3 2 接口发送到h p 3 3 1 2 0 a 函数发生器，通过函数发生器处理后，就可以生 成所需的模拟电信号，形成一个真正意义上的任意波形发生器，满足实验的要 求。 在实验室前一阶段的工作中，已实现了计算机通过r s 一2 3 2 对任意波形函数 发生器的任意波形输出控制，但存在着两个方面的问题需要解决。 醒 r r 1 黪一 第一个方面：函数发生器采用1 0 0 0 0 个点模 拟任意波形，然后自动将其周期化输出，由于函 数发生器波形周期化特征不可改变，用此信号激 励后必将产生多个接收信号相互重叠的现象，造 成信号分析上的困难。原有算法采用在单音频信 号数据点即有效数据点后添加一定长度的幅值 为0 的数据点的方法，有意延长由于波形周期化 产生的信号周期，使前后两单音频信号在时域上 分离开一定的距离，避免信号混叠。算法采用 2 0 0 0 个数掘点模拟h a r m i n g 窗调制的l o 个周期 单音频信号，用8 0 0 0 点产生0 值点，由此产生 的有效信号波形曲线具有明显的阶梯边缘，信号 不够光滑，如图3 - 2 ( a ) 所示。第二个方面，原有 算法2 0 0 0 个数据点产生的有效单音频信号的频率同函数发生器周期化频率之间 北京工业大学t 学硕一：学位论文 有一定的关系，当实验中需要改变单音频激励信号的频率进行分析时，周期化 频率也将随之改变，有效单音频信号频率越高，周期化频率也越高，导致在时 域相邻两次激励信号之间的距离变短，对于长距离的管道检测接收信号必将产 生混叠。为解决这两个问题，重瓤进行了算法设计，将函数发生器可用的1 0 0 0 0 个数据点全部用于模拟单音频信号，产生光滑的单音频信号波形，如图3 - 2 ( b ) 所示，并将其作为一种脉冲信号存储于函数发生器中，然后采用脉冲串调制技 术实现有效单音频信号频率与脉冲调制重复频率的分离，避免二者的相关变化。 图3 3 为实验室开发的任意波形函 数发生器控制软件，通过r s 一2 3 2 口实 现实验所需单音频信号