陳銘桐 李法新

(1.北京大學(xué) 工學(xué)院 力學(xué)與工程科學(xué)系，北京 100871;2.北京大學(xué) 湍流與復(fù)雜系統(tǒng)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 ，北京 100871)

超聲導(dǎo)波作為一種新型的檢測(cè)技術(shù)，具有衰減小、檢測(cè)距離長(zhǎng)、對(duì)缺陷分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，十分適合管道的長(zhǎng)距離結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)[1]。管道的超聲導(dǎo)波檢測(cè)主要面臨多模態(tài)和頻散兩個(gè)難題。早期的管道檢測(cè)主要采用縱向?qū)Р↙(0,2)，因?yàn)檫@種模態(tài)的導(dǎo)波在部分頻段內(nèi)頻散小，傳播速度最快[2]。但L(0,2)波的位移主要沿管道徑向，對(duì)埋地管道而言，其能量會(huì)同時(shí)泄漏到土壤和輸運(yùn)的液體中，極大地減小了可探測(cè)距離。此外，在設(shè)計(jì)L(0,2)波換能器時(shí)，還需要實(shí)現(xiàn)L(0,1)波的抑制[3]。

與L(0,2)波相比，基頻扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波T(0,1)是完全非頻散的。由于液體無(wú)法承受剪切變形，T(0,1)波不能在液體中傳播，能量衰減更小。此外，低頻下管道中也不存在其他的扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波模態(tài)[4]。因此，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者將研究重點(diǎn)放在T(0,1)波上。KWUN等[5]設(shè)計(jì)了一種電磁超聲換能器(EMAT)，可以激發(fā)高信噪比的T(0,1)波。但EMAT體積大，能量轉(zhuǎn)化效率低，無(wú)法滿足管道長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)的需要。相比之下，壓電換能器體積小，能量轉(zhuǎn)化效率高，更適合管道的長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)。ZHOU等[6]采用面內(nèi)剪切d36模式的壓電單晶環(huán)形陣列，成功在管道中激發(fā)出T(0,1)波。因?yàn)閐31,d33和d36的系數(shù)是耦合的，這種換能器會(huì)同時(shí)激發(fā)出其他模態(tài)的導(dǎo)波。ALLEYNE等[7]基于壓電材料的厚度剪切d15模式，提出了一種T(0,1)波壓電環(huán)形陣列。由于d15變形模式是非自平衡的簡(jiǎn)單剪切，所以這種換能器激發(fā)T(0,1)波的性能優(yōu)越，但接收效率低。MIAO等[8]采用壓電材料面內(nèi)剪切d24模式，發(fā)展了一種T(0,1)波壓電環(huán)形陣列。d24模式的壓電單元具有高阻抗和自平衡的面內(nèi)剪切變形，所以激發(fā)T(0,1)波的效率低但接收性能優(yōu)越。

針對(duì)不同變形模式壓電換能器激發(fā)與接收T(0,1)波的特點(diǎn)，筆者提出了一種一發(fā)一收式T(0,1)波壓電環(huán)形陣列。其中，厚度剪切d15模式的壓電圓環(huán)用于T(0,1)波的激發(fā)，面內(nèi)剪切d24模式的壓電圓環(huán)用于T(0,1)波的接收。區(qū)別于單變形機(jī)制的壓電換能器，這種組合變形機(jī)制的換能器同時(shí)實(shí)現(xiàn)了T(0,1)波激發(fā)與接收的最優(yōu)化，極大地提升了對(duì)埋地管道的探測(cè)距離。試驗(yàn)結(jié)果表明，該換能器對(duì)環(huán)氧涂層埋地管道的探測(cè)距離超過(guò)60 m，對(duì)瀝青涂層埋地管道的探測(cè)距離超過(guò)20 m。

1 試驗(yàn)方法

對(duì)管道而言，扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波T(0,1)只存在軸對(duì)稱的切向位移。為了實(shí)現(xiàn)T(0,1)波的激發(fā)，需要給管道施加軸對(duì)稱的切應(yīng)力。提出的一發(fā)一收式T(0,1)波壓電環(huán)形陣列結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。將兩組壓電環(huán)形陣列黏貼在管道表面，分別用于T(0,1)波的激發(fā)與接收，如圖1(a)所示。每組陣列均包含24個(gè)單元，沿著管道的周向均勻分布，如圖1(b)所示。其中：厚度剪切d15模式的壓電圓環(huán)用于T(0,1)波的激發(fā)，其基本單元為鋯鈦酸鉛(PZT)壓電長(zhǎng)條，結(jié)構(gòu)如圖1(c)所示；面內(nèi)剪切d24模式的壓電圓環(huán)用于T(0,1)波的接收，其基本單元為PZT方片，結(jié)構(gòu)如圖1(d)所示。

圖1 基于組合變形機(jī)制的一發(fā)一收式T(0,1)波壓電環(huán)形陣列結(jié)構(gòu)示意

圖2 一發(fā)一收式T(0,1)波壓電環(huán)形陣列的埋地管道試驗(yàn)方法示意與試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

為了準(zhǔn)確表征換能器的性能，采用埋地管道進(jìn)行試驗(yàn)。如圖2(a)所示，管道外徑、壁厚、長(zhǎng)度分別為159，4.5 mm和10.62 m，材料為低碳鋼。管道埋地端的長(zhǎng)度為8.22 m，埋地深度為0.8 m。對(duì)于管道的埋地部分，分別采用了環(huán)氧油漆、環(huán)氧煤瀝青油漆兩種涂層，對(duì)管道外壁進(jìn)行防腐蝕處理。在兩種涂層管道的外壁，均黏貼了厚度為20 mm的聚乙烯泡沫作為包覆層，并用扎帶固定。由于聚乙烯泡沫的聲阻抗與管道、土壤均存在顯著差異，包覆層的使用可以減小管道中聲波的能量泄漏，提升換能器的檢測(cè)距離。試驗(yàn)中，換能器黏貼在管道的非埋地端，距離管道端面1 m。d15壓電圓環(huán)的單個(gè)單元尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為10 mm × 4.5 mm × 2 mm， d24壓電圓環(huán)的單個(gè)單元尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為8 mm × 8 mm × 1 mm。換能器的兩個(gè)圓環(huán)陣列間距為0.4 m。試驗(yàn)時(shí)，由函數(shù)發(fā)生器(Agilent, 33220A)產(chǎn)生一個(gè)漢寧窗調(diào)制的5周期正弦脈沖信號(hào)，經(jīng)門控射頻脈沖放大器(Ritec, GA-2500A)放大至650 V，施加到d15壓電圓環(huán)上，用于管道中扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波T(0,1)的激發(fā)。d24壓電圓環(huán)接入示波器(Agilent, DSO-X 3024X)，對(duì)管道中傳播的T(0,1)波進(jìn)行信號(hào)采集和顯示。通過(guò)分析換能器激發(fā)/接收T(0,1)波的信噪比和聲波在埋地管道中的衰減率，就可以評(píng)估換能器探測(cè)埋地管道的能力。圖2(b)為埋地管道試驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

圖3 激勵(lì)中心頻率為35 kHz時(shí)，d24壓電圓環(huán)采集的非埋地裸管信號(hào)

圖3為管道無(wú)涂層(裸管)且不埋地，激勵(lì)中心頻率為35 kHz時(shí)，d24壓電圓環(huán)接收的信號(hào)。如圖3(a)所示，原始信號(hào)中出現(xiàn)了四個(gè)典型波包。其中，第一個(gè)為d15壓電圓環(huán)激發(fā)后直接傳播到d24壓電圓環(huán)的波包，定義為直達(dá)波；第二個(gè)為經(jīng)管道近端面(距離換能器近的一端)反射后傳播到d24壓電圓環(huán)的波包，定義為近端反射波；第三個(gè)為經(jīng)管道遠(yuǎn)端面(距離換能器遠(yuǎn)的一端)反射后傳播到d24壓電圓環(huán)的波包，定義為一次遠(yuǎn)端反射波；第四個(gè)為先經(jīng)管道近端面反射，再經(jīng)管道遠(yuǎn)端面反射，最后傳播到d24壓電圓環(huán)的波包，定義為二次遠(yuǎn)端反射波。采用連續(xù)小波變換分析信號(hào)，如圖3(b)所示，計(jì)算得出的各個(gè)波包群速度均為3 250 m·s-1，與鋼管的剪切波波速一致。比較不同波包的幅值可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激勵(lì)的中心頻率為35 kHz時(shí)，T(0,1)波在不埋地的裸管中傳播時(shí)的幅值衰減較小。

試驗(yàn)中，需要測(cè)量的是換能器激勵(lì)T(0,1)波的信噪比和T(0,1)波在不同涂層埋地管道中的衰減率，由此評(píng)估換能器對(duì)埋地管道的探測(cè)能力。衰減率a的定義如下

(1)

式中：A0為參考信號(hào)幅值；A1為經(jīng)過(guò)埋地管道衰減后的測(cè)量幅值；L為埋地管道長(zhǎng)度。

實(shí)際測(cè)量的信號(hào)中，有兩組數(shù)據(jù)可以用于衰減率的計(jì)算：① 直達(dá)波與一次遠(yuǎn)端反射波；② 近端反射波與二次遠(yuǎn)端反射波。這里，以兩組數(shù)據(jù)計(jì)算出的衰減率的平均值作為T(0,1)波在埋地管道中的實(shí)際衰減率。

圖4 激勵(lì)中心頻率為35 kHz時(shí)，d24壓電圓環(huán)采集的埋地管道信號(hào)

圖4為激勵(lì)中心頻率為35 kHz時(shí)，d24壓電圓環(huán)采集的埋地管道信號(hào)。如圖4(a)所示，T(0,1)波在環(huán)氧涂層埋地管道中傳播后，其幅值顯著減小。這主要由以下兩個(gè)因素決定：① 涂層存在黏性阻尼，會(huì)耗散部分能量；② 對(duì)于埋地管道而言，T(0,1)波在傳播過(guò)程中有部分能量會(huì)泄漏到土壤中。與環(huán)氧涂層埋地管道相比，T(0,1)波在瀝青涂層埋地管道中傳播后，幅值減小更明顯，如圖4(b)所示。這表明瀝青涂層埋地管道中的T(0,1)波衰減率遠(yuǎn)高于環(huán)氧涂層埋地管道中的。從圖4可以發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)的一發(fā)一收式壓電換能器激發(fā)T(0,1)波的信噪比超過(guò)40 dB。這主要是因?yàn)閾Q能器在激發(fā)端與接收端采用了不同變形機(jī)制的壓電單元，實(shí)現(xiàn)了換能器性能的最優(yōu)化。

圖5 一發(fā)一收式T(0,1)波壓電環(huán)形陣列對(duì)埋地管道的探測(cè)結(jié)果

針對(duì)不同涂層的埋地管道，研究了T(0,1)波衰減率與頻率的關(guān)系，評(píng)估了換能器對(duì)于埋地管道的可探測(cè)距離。圖5為一發(fā)一收式T(0,1)波壓電環(huán)形陣列對(duì)埋地管道的探測(cè)結(jié)果，如圖5(a)所示，隨著頻率的升高，埋地管道中T(0,1)波的衰減率逐漸升高。這主要是因?yàn)殡S著頻率的升高，波長(zhǎng)減小，涂層的能量耗散、聲波能量泄漏均會(huì)增大。對(duì)于環(huán)氧涂層的埋地管道，T(0,1)波在25 kHz時(shí)的衰減率約為0.25 dB·m-1。當(dāng)頻率上升到50 kHz時(shí)，其衰減率升高至0.45 dB·m-1。與環(huán)氧涂層的埋地管道相比，T(0,1)波在瀝青涂層的埋地管道中衰減率顯著升高。在頻率為25 kHz時(shí)，其衰減率為0.81 dB·m-1；當(dāng)頻率升到50 kHz時(shí)，其衰減率高達(dá)2.3 dB·m-1。當(dāng)評(píng)估換能器探測(cè)埋地管道的能力時(shí)，取其激勵(lì)T(0,1)波的信噪比為41 dB，并以6 dB作為檢測(cè)極限，得到的結(jié)果如圖5(b)所示。由圖5(b)可見，對(duì)于環(huán)氧涂層的埋地管道，換能器的可探測(cè)距離在25 kHz時(shí)超過(guò)70 m；當(dāng)頻率上升到50 kHz時(shí)，其可探測(cè)距離仍有35 m。與環(huán)氧涂層的埋地管道相比，換能器對(duì)于瀝青涂層埋地管道的可探測(cè)距離顯著減小：在頻率為25 kHz時(shí)，其可探測(cè)的距離約為22 m；當(dāng)頻率升高到50 kHz時(shí)，其可探測(cè)距離只有約8 m。盡管如此，與傳統(tǒng)的EMAT換能器或者單變形機(jī)制的壓電換能器相比，這種組合變形機(jī)制的換能器對(duì)埋地管道檢測(cè)的能力上有了顯著提升。

雖然提出的一發(fā)一收式T(0,1)波壓電環(huán)形陣列可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離埋地管道的檢測(cè)，但其在實(shí)際檢測(cè)中也存在一些不足。由于T(0,1)波只存在軸對(duì)稱的周向位移，所以其對(duì)于管道中的周向缺陷不敏感。相比之下，軸向位移主導(dǎo)的L(0,2)波對(duì)管道中的周向缺陷更敏感。當(dāng)管道外壁存在強(qiáng)支撐時(shí)，T(0,1)波在支撐處會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的能量泄漏，減小了換能器的探測(cè)距離。此外，外部的支撐也會(huì)引起T(0,1)波的反射，給后續(xù)的缺陷辨識(shí)帶來(lái)難度。

3 埋地管道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)策略

對(duì)于埋地管道，可以在鋪設(shè)管道或者挖坑檢測(cè)時(shí)，將換能器永久地安裝在管道上，實(shí)現(xiàn)管道的終身監(jiān)測(cè)?；谝话l(fā)一收式T(0,1)波壓電環(huán)形陣列的埋地管道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法示意如圖6所示。對(duì)于已經(jīng)安裝好換能器的埋地管道，在激勵(lì)端可以引出導(dǎo)線到地面，用于驅(qū)動(dòng)電壓的施加；在接收端，可以采用數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸技術(shù)，將檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)返回并分析。采用這種策略，在后續(xù)的埋地管道檢測(cè)中，只需攜帶集成的設(shè)備，即可實(shí)現(xiàn)埋地管道的快速檢測(cè)，極大地減小了埋地管道的檢修成本。

圖6 基于一發(fā)一收式T(0,1)波壓電環(huán)形陣列的埋地管道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法示意

4 結(jié)語(yǔ)

基于壓電材料不同變形模式激發(fā)與接收基頻扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波T(0,1)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種一發(fā)一收式T(0,1)波壓電環(huán)形陣列，用于埋地管道的長(zhǎng)距離結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。其中，d15模式的壓電圓環(huán)用于T(0,1)

波的激發(fā)，d24模式的壓電圓環(huán)用于T(0,1)波的接收。試驗(yàn)測(cè)量了換能器激發(fā)T(0,1)波的信噪比以及T(0,1)波在不同涂層埋地管道中的衰減率，評(píng)估了換能器檢測(cè)埋地管道的能力。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的換能器成功地在埋地管道中激發(fā)出了高信噪比的T(0,1)波。對(duì)于不同涂層的埋地管道，T(0,1)波的衰減率差異較大，但衰減率都隨著激勵(lì)頻率的上升而增大。設(shè)計(jì)的換能器探測(cè)環(huán)氧涂層埋地管道的距離超過(guò)60 m，探測(cè)瀝青涂層埋地管道的距離超過(guò)20 m。這種組合變形機(jī)制的一發(fā)一收式壓電換能器極大地提升了超聲導(dǎo)波檢測(cè)埋地管道的能力，在埋地管道的長(zhǎng)距離結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中具有很好的應(yīng)用前景。