溫宇立， 武 靜， 林 榮， 馬宏偉,3

(1. 廣東海洋大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，廣東 湛江 524088；2.東莞理工學(xué)院 建筑工程系，廣東 東莞 523808；3.暨南大學(xué) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，廣州 510632)

隨著社會對能源需求的急速加劇，作為主要運輸油氣資源的管道運輸發(fā)展步伐不斷加快。國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示，2004年至2015年上半年，我國油氣管道總里程累計增長206.3%，增長幅度巨大。由于管道運輸?shù)谋姸鄡?yōu)點，已成為繼鐵路運輸、航空運輸、公路運輸、水路運輸之后的第五大運輸方式，屬于城市生命線之一。然而，在管道長期服役過程中，不可避免的出現(xiàn)缺陷、損傷。若不能及時的發(fā)現(xiàn)并修復(fù)缺陷管道，后果不堪設(shè)想。因此，對管道進行安全檢測意義重大。超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)是近年來發(fā)展較快的一種無損檢測技術(shù)[1-2]，相比于傳統(tǒng)檢測技術(shù)，超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)具有檢測方便、檢測速度快、單次檢測距離長、檢測范圍廣等優(yōu)點[3-4]。

由于導(dǎo)波的頻散、多模態(tài)、衰減特性，在實際的長距離檢測中，若缺陷較小，則被測量的缺陷回波信號微弱，而傳感器本底噪聲、功率放大器的固有噪聲以及外界的干擾噪聲等往往遠高于有用信號的幅值，因此反射回波信號必將呈現(xiàn)出強噪聲下弱信號的特征，這將嚴重的影響檢測信號的識別、定位，從而影響檢測結(jié)果的準確性。現(xiàn)時，國內(nèi)外學(xué)者對于超聲導(dǎo)波檢測的主要研究方向分別為：超聲導(dǎo)波在不同波導(dǎo)介質(zhì)中的傳播特性[5-6]、激發(fā)與接收導(dǎo)波的儀器[7-8]以及信號處理。信號處理作為超聲導(dǎo)波檢測的最后一個階段，其對檢測結(jié)果起著至關(guān)重要的作用，而現(xiàn)時的信號處理方法在導(dǎo)波信號處理上均有一定的局限性，如二維傅里葉變換[9]在特定情況下會出現(xiàn)假頻現(xiàn)象；小波變換[10]要選擇十分合適的母小波較為困難；時間反轉(zhuǎn)聚焦法[11]在聚焦過程中容易出現(xiàn)其他的雜波，影響檢測結(jié)果。由于混沌理論對混沌模型的初始條件具有極端敏感性而對噪聲具有一定免疫能力，因此基于混沌系統(tǒng)突變效應(yīng)的檢測方法給信號處理領(lǐng)域提供了一個新方向?；煦缯褡訖z測簡單正、余弦信號的有效性已被驗證[12-13]，但用于識別超聲導(dǎo)波信號的研究較少，且研究的混沌模型主要為Duffing方程等非自治混沌系統(tǒng)[14-16]。相比于二維的Duffing方程，Lorenz方程的非線性特性以及動力學(xué)行為更加豐富，在弱信號處理領(lǐng)域更具優(yōu)勢。因此，本文將以Lorenz方程為基礎(chǔ)，通過非共振周期信號的參數(shù)激勵實現(xiàn)受控Lorenz系統(tǒng)的構(gòu)建，并用于識別數(shù)值模擬和試驗所得的管道超聲導(dǎo)波信號，以此驗證方法的有效性。

1 混沌模型及參數(shù)選擇

1.1 基于混沌理論的弱導(dǎo)波信號識別原理

混沌現(xiàn)象是非線性系統(tǒng)所特有的一種運動方式，表現(xiàn)為確定性系統(tǒng)在確定的初始狀態(tài)下出現(xiàn)類似隨機的非周期運動，混沌振子的動力學(xué)行為對運動的初始條件十分敏感，且對噪聲免疫。超聲導(dǎo)波信號是由多個單音頻正弦信號加窗調(diào)制而形成的帶寬信號，信號主瓣高，旁瓣迅速衰減，能量主要集中在中心頻率附近?；诨煦缯褡拥膶?dǎo)波信號檢測則是利用了混沌系統(tǒng)的動力學(xué)行為對系統(tǒng)參數(shù)及其敏感的這一特點，基本思想是通過利用非線性系統(tǒng)中的時間項對導(dǎo)波信號的中心頻率敏感而對噪聲信號不敏感的特性構(gòu)建特定的混沌系統(tǒng)，使得系統(tǒng)處于平衡的臨界狀態(tài)，將待測信號作為混沌系統(tǒng)的一個微小擾動引入系統(tǒng)，若待測信號為導(dǎo)波信號，則系統(tǒng)會發(fā)生非平衡相變，動力學(xué)行為狀態(tài)發(fā)生改變；若待測信號為噪聲信號，則系統(tǒng)狀態(tài)不發(fā)生改變，最后根據(jù)待測信號中有無導(dǎo)波信號及待測信號的時間段來進行損傷的識別。

1.2 Lorenz系統(tǒng)的建立

Lorenz方程是描述空氣流體運動的模型，是歷史上研究最早的混沌模型之一，也是全局動力學(xué)行為已得到深入分析和嚴格證明的經(jīng)典自治系統(tǒng)，其系統(tǒng)方程為

(1)

標準的洛倫茲方程中各系統(tǒng)的參數(shù)為σ=10，r=28,b=8/3，此時對應(yīng)的系統(tǒng)處于混沌狀態(tài)?；煦缦到y(tǒng)檢測弱信號的基礎(chǔ)是混沌的控制，利用周期信號非共振激勵進行混沌控制近年來應(yīng)用較好的自治系統(tǒng)開環(huán)控制方法，通過利用與檢測信號同頻的周期信號進行參數(shù)激勵使得Lorenz系統(tǒng)處于系統(tǒng)狀態(tài)改變的臨界點。因此當檢測信號輸入時，即改變參數(shù)激勵幅值，Lorenz系統(tǒng)狀態(tài)會發(fā)生根本性的改變，從而檢測出待測目標信號。非共振周期信號參數(shù)激勵后的Lorenz系統(tǒng)表達式為

(2)

1.3 Lorenz系統(tǒng)參數(shù)的選擇

在研究Lorenz系統(tǒng)混沌特性時，最常用的方法是固定σ=10、b=10/3，將r作為變量研究。根據(jù)大量的仿真研究結(jié)果表明，r=4較為適合超聲導(dǎo)波信號檢測。由混沌系統(tǒng)檢測弱信號的原理可知，參數(shù)激勵的頻率需要與檢測目標信號頻率一致。而在管道超聲導(dǎo)波檢測中，檢測信號多用Hanning窗調(diào)制的10周期，中心頻率70 kHz的單音頻正弦信號，其表達式為

(3)

式中:n為周期數(shù)，fc為信號的中心頻率。因此周期信號參數(shù)激勵的頻率為ω=0.439 823 rad/μs，激發(fā)信號的時域波形和頻譜分析,如圖1所示。

(a) 時域波形

(b) 頻譜

(4)

(5)

(6)

實際計算時，取d=1，根據(jù)式(4)、式(5)、式(6)計算式(2)表示的Lorenz檢測系統(tǒng)在有無導(dǎo)波信號輸入時對應(yīng)的四個Lyapunov指數(shù)L1、L2、L3、L4隨強迫激勵幅值k的變化。

如圖2(a)、圖2(b)所示，在未輸入導(dǎo)波信號時，隨著k的增大，Lorenz系統(tǒng)的y，z，t方向?qū)?yīng)的Lyapunov指數(shù)均為非正數(shù)，而x方向?qū)?yīng)的Lyapunov指數(shù)逐漸增大，最終大于0。輸入導(dǎo)波信號時，系統(tǒng)各方向?qū)?yīng)的Lyapunov指數(shù)變化的趨勢與未輸入導(dǎo)波信號時類似。因此，為了選取適合導(dǎo)波信號檢測的閾值，只需要對比有無標準導(dǎo)波信號輸入時Lorenz系統(tǒng)x方向?qū)?yīng)的Lyapunov指數(shù)即可。從圖2(c)可知，k在區(qū)間[0.475 7,0.990 3]以及[1.144 7,1.144 9]時，未輸入導(dǎo)波信號時系統(tǒng)為周期狀態(tài)，輸入導(dǎo)波信號系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛煦鐮顟B(tài)。為了提高系統(tǒng)的靈敏度，從中選取輸入導(dǎo)波信號前后使得系統(tǒng)Lyapunov指數(shù)變化最大的策動力幅值作為Lorenz系統(tǒng)的檢測閾值，因此系統(tǒng)的參數(shù)激勵幅值設(shè)為k=0.986 6。

2 數(shù)值模擬與試驗信號識別

2.1 數(shù)值模擬信號識別

利用ANSYS有限元軟件模擬超聲導(dǎo)波在無損、單裂紋、雙裂紋鋼質(zhì)管道中的傳播。管道的有限元模型參數(shù)如下：管道總長6 m，直徑50.8 mm，壁厚1 mm，選用shell181單元進行有限元分析，傳播總時間t=2.5 ms。大量的試驗和Murigendrappa等[18]的研究證實，工業(yè)中管道的損傷多為環(huán)向裂紋，因此設(shè)置本文的管道缺陷類型為環(huán)向裂紋，單裂紋損傷位于管道左端3 m處、雙裂紋損傷位于管道左端2 m和4 m處且損傷大小相同。檢測信號由管道左端面激發(fā)，接受信號位置距管道左端50 mm，并通過平均信號減少彎曲波的影響。檢測示意圖及缺陷截面形狀如圖3所示，并考慮表1所示的4種工況。

(a) 無導(dǎo)波信號輸入

(b) 標準導(dǎo)波信號輸入

(c) 有無導(dǎo)波信號輸入對比

圖2 Lorenz系統(tǒng)Lyapunov指數(shù)隨k變化

Fig.2 The Lyapunov exponents of Lorenz system change withk

通過提取接收點的位移時程曲線可以得到導(dǎo)波信號的傳播過程，此外為了模擬實際檢測中外部噪聲的影響，向數(shù)值模擬得到的管道超聲導(dǎo)波信號中添加噪聲水平為0.02的高斯白噪聲，其結(jié)果如圖4所示。

表1 缺陷設(shè)置

(a) 工況1

(b) 工況2

(c) 工況3

(d) 工況4

圖4 數(shù)值模擬信號

Fig.4 The simulation signals

從圖4可知，在單裂紋以及雙裂紋缺陷的截面損失率較小時，缺陷回波信號極容易被噪聲所淹沒，只有當缺陷的截面損失率高于9.4%時，才能直接觀測到缺陷回波。此外在雙裂紋管道中，相比于單裂紋管道，模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象更加嚴重，使得缺陷回波波形愈加復(fù)雜。這些都不利于缺陷的識別，容易造成誤判或者漏判的結(jié)果，影響檢測的準確性。通過計算，單裂紋管道缺陷回波的時刻位于t1=1.132 ms，雙裂紋管道的缺陷回波時刻約在t2=0.755 ms，t3=1.51 ms。為了驗證Lorenz系統(tǒng)Lyapunov指數(shù)識別管道中弱導(dǎo)波信號的可行性，從4種工況的回波信號中截取0.60～0.95 ms，0.95～1.35 ms，1.35～1.7 ms輸入Lorenz檢測系統(tǒng)中，觀察對應(yīng)的Lorenz系統(tǒng)Lyapunov指數(shù)的響應(yīng)狀態(tài)。

如圖5所示，當工況1表示的無損管道待測信號輸入后，由于管道中不存在損傷，輸入信號為純噪聲信號，因此Lorenz檢測系統(tǒng)的Lyapunov指數(shù)正負值并沒有發(fā)生改變，與無信號輸入時的響應(yīng)相同，說明Lorenz檢測系統(tǒng)具有較好的噪聲免疫能力，將工況2、工況3、工況4對應(yīng)的損傷管道的三段信號輸入后，含有缺陷回波的信號輸入后系統(tǒng)的Lyapunov指數(shù)從負值轉(zhuǎn)為正值，說明系統(tǒng)從周期狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛煦鐮顟B(tài)；而不含缺陷回波信號輸入后，系統(tǒng)的Lyapunov指數(shù)依然為負值，系統(tǒng)運動狀態(tài)仍為周期狀態(tài)，成功的識別出單裂紋與雙裂紋。數(shù)值模擬的識別結(jié)果有效地證明了Lorenz系統(tǒng)Lyapunov指數(shù)識別管道中弱超聲導(dǎo)波的可行性。

(a) 工況1

(b) 工況2

(c) 工況3

(d) 工況4

圖5 不同數(shù)值信號的Lyapunov指數(shù)

Fig.5 The Lyapunov exponent with simulated signals inputting

2.2 試驗研究

數(shù)值模擬算例從數(shù)值理論上驗證了該方法的可行性，為了證明該方法同樣能很好的應(yīng)用于實際檢測中，選用與數(shù)值模擬算例尺寸相同的管道進行試驗研究，利用鋸弓在管道上制造人工缺陷進行試驗，同時為了驗證數(shù)值模擬得到的結(jié)果，缺陷位置、大小、類型的設(shè)置參考表1中4種工況的設(shè)置。試驗中采用PZT5材料作為超聲導(dǎo)波的激發(fā)和接收傳感器，為了激發(fā)時能夠產(chǎn)生對稱的L(0,2)模態(tài)導(dǎo)波，按照管道截面尺寸加工壓電環(huán)，利用壓電環(huán)激發(fā)導(dǎo)波，加工的壓電陶瓷片尺寸為15.4 mm×3.2 mm×0.9 mm，將一組16片均布管道一周的壓電片并聯(lián)作為接收傳感器，可有效的減少接收信號中的彎曲模態(tài)。試驗設(shè)備如圖6所示。波形信號發(fā)生器將編輯好的導(dǎo)波信號通過功率放大器放大后施加于管道端面的壓電環(huán)，利用逆壓電效應(yīng)在管道中產(chǎn)生縱向超聲導(dǎo)波，最后通過壓電片接收信號，并利用示波器采集和保存信號，示波器的采集數(shù)據(jù)的時間步長為0.04 μs。

圖6 試驗設(shè)備

圖7為表1所示的4種工況下接收到的試驗信號，從中可以看出，在損傷較小時，在外界噪聲的影響下，使得回波信號與無損管道的結(jié)果相類似，難以直觀地判別出管道的損傷情況，容易造成誤判或漏判。當缺陷的截面損失率逐漸增大至9.4%時，才能觀察到缺陷回波的輪廓。然而在實際檢測中來自環(huán)境、儀器等外部的噪聲必然會遠遠高于試驗進行時的噪聲，因此在實際應(yīng)用時超聲導(dǎo)波檢測的識別精度會比9.4%更差。

(a) 工況1

(b) 工況2

(c) 工況3

(d) 工況4

圖7 試驗信號

Fig.7 The experimental signals

為了提高超聲導(dǎo)波檢測的靈敏度以及檢測范圍，使得檢測能夠應(yīng)用的更加廣泛，分別截取入射波和端面回波之間0.60～0.95 ms，0.95～1.35 ms，1.35～1.7 ms等三個時間段作為待測信號，輸入到Lorenz檢測系統(tǒng)中，其Lyapunov指數(shù)的響應(yīng)結(jié)果如圖8所示。

(a) 工況1

(b) 工況2

(c) 工況3

(d) 工況4

圖8 不同試驗信號的Lyapnov指數(shù)

Fig.8 The Lyapunov exponent with experimental signals inputting

當將無損管道的3個待測段信號輸入后，由于信號中不含缺陷回波，因此Lorenz系統(tǒng)響應(yīng)的Lyapunov指數(shù)均為負值，系統(tǒng)仍為周期狀態(tài)，與無信號輸入時相同。而當工況2、工況3表示的單裂紋管道信號輸入后，對應(yīng)著損傷的0.95～1.35 ms段信號輸入后系統(tǒng)的Lyapunov指數(shù)從負值轉(zhuǎn)變?yōu)檎?，而另外兩段無缺陷回波的純噪聲輸入后系統(tǒng)的Lyapunov指數(shù)正負值沒有發(fā)生改變且最終收斂數(shù)值差異很小，從而判斷出0.95～1.35 ms信號中存在著損傷。同理，工況4所表示的雙裂紋管道信號輸入后，對應(yīng)著損傷的0.60～0.95 ms、1.35～1.7 ms信號使得Lorenz系統(tǒng)Lyapunov指數(shù)正負值發(fā)生改變，且最終收斂數(shù)值接近，表明系統(tǒng)由周期狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛煦鐮顟B(tài)，表明0.60～0.95 ms以及1.35～1.7 ms信號中含有缺陷回波。此外，通過對比發(fā)生損傷處的信號輸入后Lorenz系統(tǒng)Lyapunov指數(shù)的響應(yīng)數(shù)值，可以發(fā)現(xiàn)，缺陷截面損傷率與響應(yīng)的Lyapunov指數(shù)數(shù)值呈一個正相關(guān)的關(guān)系，這說明Lyapunov指數(shù)的收斂值能夠一定程度反映缺陷回波的幅值以及缺陷的大小。

3 缺陷定位

上述的數(shù)值模擬與實驗研究證明了基于Lorenz系統(tǒng)Lyapunov指數(shù)識別管道超聲導(dǎo)波信號的可行性以及有效性，但在實際的管道損傷檢測中，除了檢測有無損傷，損傷定位更是無損檢測中極為重要的一部分。

參考文獻[19]的研究證明了不同長度的導(dǎo)波信號均可以相軌跡發(fā)生改變，說明混沌系統(tǒng)對導(dǎo)波信號的響應(yīng)與導(dǎo)波信號的完整性關(guān)聯(lián)不大。因此，基于Lyapunov指數(shù)定量識別混沌系統(tǒng)狀態(tài)的特點，利用二分法對導(dǎo)波信號進行分解，逐步定位出缺陷回波信號的發(fā)生時間，在一定精度下實現(xiàn)缺陷的定位。具體步驟如下：

步驟1 首先將接收到的回波信號進行幅值歸一化；

步驟2 通過軟件計算波速，然后去除回波信號的入射波以及端面反射波，得到待檢測信號；

步驟3 利用二分法將待測信號分解為兩段等長的A信號與B信號；

步驟4 將A信號輸入混沌檢測系統(tǒng)當中，取系統(tǒng)計算的Lyapunov指數(shù)的收斂值作為系統(tǒng)的狀態(tài)判據(jù)，若A段信號的Lyapunov指數(shù)從負值變?yōu)檎禃r，則判定該段信號中含有缺陷回波信號，對A段信號繼續(xù)分解定位；若Lyapunov指數(shù)不變則說明其中無導(dǎo)波信號，轉(zhuǎn)而檢測B段信號。

步驟5 將B段信號輸入混沌檢測系統(tǒng)中，若Lyapunov指數(shù)正負值改變則對B段信號繼續(xù)分解，若不變則說明其中無導(dǎo)波信號；

步驟6 重復(fù)步驟3、4、5，對導(dǎo)致系統(tǒng)Lyapunov指數(shù)正負值改變的信號段進行逐級的等長度分解，最后通過波速計算距離，直到獲得滿足檢測精度的定位結(jié)果。

以試驗研究中工況4表示的雙裂紋管道為例，選取0.4～1.8 ms部分作為待檢測信號，以±0.5 m為損傷定位的精度，對缺陷回波信號進行時域定位，其應(yīng)用二分法分解過程中對應(yīng)的Lyapunov指數(shù),如表2所示。直接將0.4～1.8 ms部分信號輸入后，系統(tǒng)Lyapunov指數(shù)響應(yīng)變?yōu)檎担f明該段信號中存在缺陷回波；因此對該段檢測信號進行第一次對等二分，分為0.4～1.1 ms以及1.1～1.8 ms兩部分，分別將兩段信號輸入Lorenz系統(tǒng)中，兩段信號對應(yīng)的Lyapunov指數(shù)正負值也發(fā)生了改變，因此證明了這兩段信號中分別存在著缺陷回波。對這兩段信號分別再次對等二分，得到0.4～0.75 ms、0.75～1.1 ms、1.1～1.45 ms、1.45～1.8 ms四段信號，輸入Lorenz檢測系統(tǒng)后僅有0.75～1.1 ms、1.45～1.8 ms兩部分信號使得Lyapunov指數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)檎担ㄟ^計算，定位的精度不符合要求，因此對0.75～1.1 ms、1.45～1.8 ms再進行一次對等二分，最終確定缺陷回波位于0.75～0.925 ms、1.45～1.625 ms中，分別對應(yīng)管道1.975～2.436 m、3.819～4.280 m，與損傷設(shè)置的情況相符，滿足精度要求，實現(xiàn)了缺陷的簡單定位。

表2 工況4的損傷定位

4 結(jié) 論

混沌控制是混沌系統(tǒng)檢測弱信號的基礎(chǔ)，基于周期信號非共振激勵能夠?qū)崿F(xiàn)自治系統(tǒng)混沌控制的特質(zhì)，本文提出了一種基于Lorenz系統(tǒng)Lyapunov指數(shù)的弱超聲導(dǎo)波檢測方法。利用Lyapunov指數(shù)定量識別混沌系統(tǒng)狀態(tài)的優(yōu)勢，分別對比加入導(dǎo)波信號前后Lorenz系統(tǒng)Lyapunov指數(shù)隨周期信號激勵幅值變化的規(guī)律，選擇合適的Lorenz檢測系統(tǒng)激勵幅值。通過數(shù)值模擬與試驗研究，利用該Lorenz檢測系統(tǒng)對在管道中傳播的弱超聲導(dǎo)波信號進行識別，從而實現(xiàn)損傷檢測，并得到以下結(jié)論：

(1) 識別結(jié)果表明了Lorenz檢測系統(tǒng)具有一定的噪聲免疫能力，具有應(yīng)用在強噪聲環(huán)境下弱超聲導(dǎo)波檢測的潛力。

(2) 在有限元與實驗結(jié)果中，當缺陷截面損失率為9.4%以上時，才能觀察到缺陷回波的波形，而通過Lorenz系統(tǒng)Lyapunov指數(shù)可識別到6.3%甚至更小的缺陷。

(3) 在一定的范圍內(nèi)，Lorenz系統(tǒng)Lyapunov指數(shù)與缺陷的截面損失率成正相關(guān)關(guān)系，能夠通過Lyapunov指數(shù)簡單判斷下?lián)p傷。

綜上所示，利用本文的識別方法能夠判斷管道有無損傷、損傷個數(shù)和損傷定位，實現(xiàn)了管道缺陷的識別；此外，該識別方法能夠有效的免疫噪聲，實現(xiàn)高噪環(huán)境下的損傷識別，提高了超聲導(dǎo)波檢測識別小損傷的精度，具有實際的工程應(yīng)用價值。