趙鈺龍 于灝

摘要：說(shuō)明了導(dǎo)波在無(wú)損檢測(cè)方面的重要地位，論述了導(dǎo)波檢測(cè)原理和方法，通過(guò)模擬得到了管中導(dǎo)波的群速度，并通過(guò)數(shù)值仿真的方法對(duì)缺陷進(jìn)行定位。有限元數(shù)值仿真的結(jié)果顯示與實(shí)際缺陷位置相吻合，并得出缺陷回波時(shí)間與材料和位置相關(guān)的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)波橫波無(wú)損檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：U461.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）12（a）-0000-00

1 引言

管道在現(xiàn)代社會(huì)的生活與生產(chǎn)中極為重要[1]。在長(zhǎng)時(shí)間的服役中，管道容易受到外部環(huán)境影響以及管道內(nèi)介質(zhì)侵蝕產(chǎn)生缺陷。超聲導(dǎo)波無(wú)損檢測(cè)在滿足檢測(cè)精度和可靠性要求的前提下，可以進(jìn)行在線檢測(cè)，檢測(cè)范圍也大大提升。由于超聲導(dǎo)波傳播距離長(zhǎng)且衰減很小，因此超聲導(dǎo)波廣泛應(yīng)用于規(guī)模化的無(wú)損檢測(cè)和健康狀態(tài)評(píng)估，大幅提高效率的同時(shí)保障了生命財(cái)產(chǎn)安全。

2 導(dǎo)波概述

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，而超聲技術(shù)是其中一種。超聲波進(jìn)入物體遇到缺陷時(shí)聲波會(huì)產(chǎn)生反射、折射、衍射，接收器可接收回波，分析回波可以精確的探測(cè)缺陷的位置、形狀、大小等特征。但傳統(tǒng)超聲波技術(shù)也有不足，逐點(diǎn)掃查式的工作過(guò)程導(dǎo)致工作量巨大，在長(zhǎng)距離、大尺寸的檢測(cè)上效率低下[2]。超聲導(dǎo)波技術(shù)有效提升了檢測(cè)效率[3，4]，在理想的管道檢測(cè)中可以一次可檢測(cè)200米的長(zhǎng)度。在固體中傳播的超聲導(dǎo)波，由于本身的特性沿傳播路徑衰減很小，所以可以克服逐點(diǎn)掃描法的缺點(diǎn)進(jìn)行長(zhǎng)距離、大范圍的缺陷檢測(cè)。超聲導(dǎo)波也可以在充液、帶包覆層的管道中傳播，使得檢測(cè)工業(yè)管道的費(fèi)用大大降低[5]。

超聲導(dǎo)波是一種新興的無(wú)損檢測(cè)方法，其優(yōu)勢(shì)是檢測(cè)距離長(zhǎng)、范圍廣，可以對(duì)難以觸碰的區(qū)域進(jìn)行在線檢測(cè)。其原理是應(yīng)力波在不同介質(zhì)中反射、折射、衍射，碰到缺陷后會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)回波射信號(hào)（如圖1所示），對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行提取、分析便可探測(cè)到被測(cè)物體的損傷情況。由被測(cè)物的邊界條件不同，又有Lame波、管狀導(dǎo)波、柱狀導(dǎo)波等，由其波結(jié)構(gòu)不同又可分為多種模態(tài)，模態(tài)中又根據(jù)周向振型n和徑向振型m加以細(xì)分。

3有限元仿真分析

單音頻疊加信號(hào)經(jīng)漢寧窗函數(shù)調(diào)制后其信號(hào)主瓣高而旁瓣迅速衰減，頻譜中能量集中在中心頻率附近。這種窄帶激勵(lì)可以提高信號(hào)強(qiáng)度，也可以增加導(dǎo)波的傳播距離。此仿真采用10個(gè)周期信號(hào)疊加經(jīng)漢寧窗調(diào)制的信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)，其中心頻率為70KHz。

ANSYS是工程計(jì)算中廣泛使用的有限元仿真軟件，在數(shù)十年的時(shí)間里其精確性與實(shí)用性獲得廣泛認(rèn)同，使用此軟件的計(jì)算參數(shù)如表1所示。

式中λmin為計(jì)算中的超聲波中最小的波長(zhǎng)。

4信號(hào)處理

依據(jù)脈沖回波原理來(lái)對(duì)裂紋位置進(jìn)行測(cè)定。此模擬中以自激自收的方法提取信號(hào)數(shù)據(jù)，在對(duì)仿真信號(hào)進(jìn)行處理的過(guò)程中使用式（2）進(jìn)行定位：

（2）

式中 是波速， 是距離差，與其對(duì)應(yīng)的時(shí)間為 。

超聲導(dǎo)波在管道中傳播時(shí)，其不連續(xù)處會(huì)發(fā)生反射和透射現(xiàn)象，由此可以進(jìn)行缺陷定位?；夭〞r(shí)間取兩波峰之間的時(shí)間差，即激勵(lì)信號(hào)與底端回波信號(hào)的時(shí)間差，可以計(jì)算該波群速度為5291m/s。根據(jù)分析導(dǎo)波信號(hào)的基本原理和算法，可以計(jì)算出缺陷的具體位置：

5總結(jié)

本文模型中預(yù)設(shè)的單裂紋模型裂紋位置在距接收信號(hào)位置1.150m-1.152m處，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際裂紋位置吻合較好。計(jì)算中發(fā)現(xiàn)反射波返回的時(shí)間與裂紋大小相關(guān)性較小而與裂紋位置和材料參數(shù)關(guān)系較大，與理論一致。

參考文獻(xiàn)

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