超声导波的频散补偿与模式分离算法研究

超声导波已被广泛应用于无损检测与评价,针对超声导波应用中普遍存在的模式混叠与频散问题,本文在采用频谱相位与信号时延函数建模导波频散信号传递系统的基础上,提出了一种单一模式的频散补偿算法。进一步地,通过将选择性频散补偿技术与导波模式分离相结合,本文算法克服了传统补偿算法所不能解决的多模式导波频散问题。板中的Lamb波A0,A1和S0混合模式仿真分析表明,本算法不仅可用于单一导波模式信号合成与频散补偿,而且可在实现多模式混合导波信号选择性频散补偿基础上,解决多模式导波信号中单一模式提取与分离。本文研究有助于超声导波多模式频散信号的分析与处理.      

钢-混凝土结构弱粘接界面缺陷的超声导波检测*

钢-混凝土结构是土木工程中的一种常用结构形式,钢与混凝土粘接处可能出现弱粘接甚至完全脱粘的缺陷,严重影响结构的安全性。该文提出利用空气耦合超声导波衰减的方法实现钢-混凝土结构粘接状态的非接触无损检测方法,分析不同厚度粘接界面对超声导波衰减的影响。基于全局矩阵技术对钢-混凝土结构求解理论频散方程和衰减曲线,得到界面层不同粘接条件下的理论参数及衰减特性。建立不同粘接条件的有限元模型,定量分析不同模态对粘接缺陷的检测敏感度。研究界面层厚度分别为1 mm和2 mm两种情况下S0能量的衰减情况。研究结果表明:S0模态可有效判断粘接结构的粘接状态,对于同一界面层厚度,随着界面粘接条件变弱,S0最大幅值与A0最大幅值比不断增大;不同厚度同一粘接条件下,2 mm相较于1 mm该值更大。该方法在钢-混凝土结构粘接界面缺陷的检测方面具有良好的应用价值和发展前景。     

基于弹性模量检测骨疲劳的超声导波方法研究

研究早期诊断骨疲劳的方法是当前骨质评价方面的研究热点之一. 本文对不同弹性模量下长骨中超声导波的传播特性进行了理论分析和仿真研究.首先, 通过数值计算得到导波在管状长骨中的理论解析解.然后对管状长骨进行了时域有限差分(FDTD) 仿真, 并验证了它与理论解析解的一致性, 同时得到长骨中不同模式导波群速度、 中心频率和衰减与弹性模量的关系.研究结果表明各个导波模式的群速度和中心频率均随弹性模量的增加而增加, 而衰减随弹性模量的增加而减小.说明超声导波的传播特性参量可以反映长骨弹性模量的变化, 从而为长骨的早期疲劳诊断提供理论依据.     

管间界面特性对周向超声导波传播特性的影响

采用界面弹簧模型对圆管结构的管间界面特性进行描述, 推导出含弱界面的圆管结构中声波沿周向传播时的位移场及应力场的数学表达式. 在此基础上采用导波的模式展开分析方法, 给出了与管间界面特性及激励源密切相关的周向超声导波模式展开系数的解析表达式. 数值分析了管间界面特性的变化对周向超声导波的频散和声场产生的影响. 理论与数值分析结果表明, 通过选择适当的驱动频率及周向导波模式, 可使周向超声导波的相速度及圆管外表面的位移场随管间界面特性的变化表现出非常敏感且单调的性质. 这一结果有助于采用周向超声导波方法准确定征圆管结构的管间界面特性.     

SH波在中厚板对接焊缝中的传播特性

本文对应用于中厚板对接焊缝缺陷检测的SH波传播特性进行了理论和实验研究。基于半解析有限元法建立标准对接焊缝的有限元模型,获得SH波在结构中的能量分布和衰减特性,并探索不同对接焊缝结构对导波能量集中特性的影响,最后通过实验验证SH波的衰减情况和实际缺陷检测效果。结果表明,SH模态能量集中、衰减小、传播特性稳定,当焊缝结构特征加强时,模态主位移更为集中,实验得出利用SH波进行中厚板长距离对接焊缝的缺陷检测具有一定的研究价值和意义。本研究为提高中厚板对接焊缝缺陷检测效果提供理论依据,也为焊缝特征导波检测的实际应用奠定基础。     

低温超导体小型力学实验设备的研制

基于超导线材的研究及应用需求,为进一步探索其物理机理及推进其工程应用,设计研制了一套用于超导材料在力-电-磁-热耦合作用下,其临界电流衰减规律的测试设备。该设备可实现在10~300K、0~600A、1000N、0~5T范围内的超导材料性能测试。     

最小可分辨气体浓度的等效测试评价方法

最小可分辨气体浓度(MRGC)是最新提出的一种客观评价气体泄漏红外成像检测系统的性能参数, 但MRGC测试系统较为复杂. 本文首先推导建立了MRGC的数学模型, 然后在比较MRGC与常规热成像系统的最小可分辨温差(MRTD)性能参数模型原理以及测试方法的基础上, 依据最小可分辨辐射响应差相等的条件, 提出了一种气体泄漏红外成像检测系统的MRGC等效测试评价方法, 并对乙烯气体进行了MRGC的直接测量与等效测试结果的比较. 结果表明两者具有较好的一致性, 是一种可行的普适测试方法. 由于等效测试法只需常规MRTD 测试结果及气体红外光谱数据库, 方法简单可靠, 具有推广应用价值, 对气体泄漏红外成像检测系统的研发和应用具有重要的意义.     

激光超声检测中干涉特征提取算法的研究

为了有效地检测结构中的损伤位置及其形状,开展了基于超声导波干涉特征提取算法的损伤成像技术研究。在波场可视化的基础上,从波场历程中进一步分析了损伤对超声导波传播的影响;为了提取损伤附近超声导波干涉的能量,采用时间与空间域上的傅里叶变换对波场中的入射波和反射波进行分离,并根据计算出的干涉能量分布完成了损伤的成像;由于损伤产生的干涉能量在空间上的分布较广,为了减少损伤区域外的干涉能量,提高图像中损伤形状的分辨率,利用实Morlet小波分析的方法对宽频信号进行处理,提取窄带信号分量再进行干涉能量计算,提高了损伤成像的信噪比。     

孔隙介质包裹的充液管道结构中导波传播特性

研究孔隙介质包裹的充液管道中纵向导波传播特性,分析孔隙介质参数对频散曲线的影响。建立了孔隙介质包裹充液管道的结构模型,利用孔隙介质弹性波动理论,建立对应的频散方程,数值模拟计算得到该模型的频散曲线和时域波形,并分析了孔隙介质参数以及管壁厚度对频散曲线的影响。结果表明孔隙介质的渗透率对于导波频散的影响较小,孔隙度的改变对时域波形的位移幅度影响较大。同时,导波存在衰减,且衰减随孔隙度增大而增大。所得结论为埋地管道无损检测方面提供一定理论参考。      

圆管超声导波频散与多模态特性研究*

超声导波检测技术作为一种新兴的无损检测技术广泛应用于圆管类结构。为选择合适于不同缺陷检测的导波模态,推导分析了圆管导波传播的运动方程和频散方程;利用数值计算的方法得到了超声导波在圆管中传播的频散曲线和各模态沿壁厚方向的位移分布图,分析得出各个模态对不同缺陷的敏感程度;以一种特定的圆管为例,建立圆管缺陷有限元模型,对不同类型圆管缺陷对导波传播特性的影响进行仿真计算。结果表明,纵向模态对周向缺陷比较敏感,而扭转模态则对轴向缺陷更敏感,仿真结果与理论分析结果相吻合,为圆管缺陷检测的超声导波模态选择提供了理论依据。     

Leaky modes and the first arrivals in cased boreholes with poorly bonded conditions

The generation mechanism of the first arrivals in the cased boreholes for the poorly bonded conditions is investigated. Based on the analyses of the Riemann surface structure of the characteristic function, the dispersion features, excitation spectra and contributions of modes excited in the cased boreholes with different cementing types are studied. The phase velocity dispersion studies of leaky modes show that high-order modes form "plateau" regions with one approximate velocity denoted by v separated by their cutoff frequencies, in which the phase velocity changes little with a considerable frequency range, while the group velocity keeps a relatively constant high value. Usually, the operation frequency range of a specific cementing evaluation acoustic logging tool is covered by such a "plateau" region. Mode excitation and contribution analyses show that the first arrivals in the cased boreholes for the poorly bonded conditions are the contributions from leaky modes, where the traveling velocity of the first arrivals processed by slowness time coherence(STC) method is equal to the approximated velocity v. Analyses on generation of leaky modes in the cased boreholes supplement the understanding of the generation mechanism of the first arrivals.     

套管中模式波的响应特征*

在固井质量评价中主要利用套管中模式波的幅度或衰减变化反映水泥的胶结状况,不同测井仪器在套管中激发的模式波的类型不同,研究套管中各模式波的传播特征和影响因素可充分挖掘测量数据的潜在应用价值。CBL和SBT等测井仪器在套管中主要激发拉伸波,类同于平板中的零阶对称Lamb波,水泥环封隔测井仪器的斜入射模式在套管中主要激发套管弯曲波,类同于平板中的零阶反对称Lamb波,垂直入射模式激发套管共振波,类同于平板中的高阶对称Lamb波。该文重点分析了这些模式波的衰减特征及其对微环的响应,套管弯曲波在套后耦合轻质水泥时对微环不敏感,但在套后耦合常规水泥或重水泥时,其衰减明显高于胶结良好的状况;拉伸波对微环的存在最为敏感;套管共振波对微环不敏感。     

偶极子声波测井在套管井中的声场特征*

偶极子声波测井在套管井中的应用越来越多,本文重点研究了套管井不同胶结状况下偶极子声源在套管井中激发的声场特征,通过解析方法分析了水泥环第一界面和第二界面不同胶结状况下井孔模式波的频散和衰减。计算结果表明,在水泥环第一界面或第二界面胶结差时井孔声场中可观测地层弯曲波和套管弯曲波;与胶结良好时相比,地层弯曲波的频散曲线向低频偏移,水泥环第二界面胶结差时偏移较大;套管弯曲波对水泥界面存在的流体环厚度很敏感,随着流体环厚度的增加套管弯曲波的相速度逐渐增大,激发幅度也明显增强,这一特征为利用套管弯曲波的相速度估算流体环厚度提供了可能。本文的计算结果为利用套管井中越来越多的偶极子声波测井资料评价水泥胶结质量奠定了理论基础。     

套管中泄漏弯曲型Lamb波的传播特征

低阻抗水泥固井质量检测是油气田生产亟需解决的问题。套管中传播的最低阶泄漏弯曲型Lamb波(以下简称为A0弯曲型Lamb波)对套管后介质尤其是低阻抗水泥的声学参数和胶结状况具有很高的敏感性。通过建立多层介质模型,从理论上计算了其频散和衰减与套管后介质属性及水泥环第Ⅰ界面胶结状况的关系,并数值模拟了有限尺寸定向辐射探头激发和接收的全波波形。结果表明,在套管后耦合慢速水泥时,A0弯曲型Lamb波的频散曲线存在断点,曲线分为两个分支;A0弯曲型Lamb波的衰减在套管后耦合慢速水泥时最大并且对水泥环第Ⅰ界面胶结差时流体环厚度有很高的灵敏度,利用其衰减可以实现对套管后介质类型、水泥环第Ⅰ界面胶结状况及窜槽厚度的有效判别。      

The effects of cement density and pipe dimension on casing waves in oil wells

The acoustic field in a cased hole is studied through numerical modeling by combining experiment measurement when the first and scond interfaces are bonded well.The effects of the density of the cement,the diameter and thickness of the steel pipe on the amplitude of casing arrival(ACA) are investigated,and a part of the numerical results are compared with the experimental results.These results show that the ACA decreases with the increasing density of the cement.There exists a large difference between the ACAs for the low-and normal-density cements.Therefore,the different standard should be taken in the bonding evaluation for cements with different densities.As the thickness of the steel pipe increases while its diameter keeps as a constant,the arrival time of the casing wave remains unvaried,while the ACA increases. But,when the diameter of the pipe with a constant thickness increases,the arrival time of the casing wave is delayed,and the ACA decreases.As for three kinds of the steel pipe commonly used in oilfields,the relative amplitude of the casing arrival is larger in the big pipe. In addition,the numerical results of the varying trend of the relative amplitude of the casing arrival with the density of cements,on the whole,are in agreement with the experimental ones.     

一种过套管双源反激声波测井方法

套管井胶结差时,地层声速的测量是一个很重要的测井难题。为解决这一难题,提出了一种过套管双源反激声波测井方法,从数据采集上压制套管波,增强地层波的信噪比。模拟计算了这种情况下双源反激的测井声波波形,并在实验室制作了1:10的套管模型井,进行了物理模拟实验。计算结果表明利用该方法可以有效压制套管波,并能清晰地识别出地层纵波。对实测波形的分析表明,实验条件下采用双源反激方法套管波幅度能够被压制到单源激励时的0.12倍,有效提高了地层波的信噪比,并能有效提取地层波的速度。理论和物理模拟结果验证了该方法的可行性,为其工程应用奠定了基础。      

套管井中相控线阵声源激发声场的实验室物理模拟研究

为了探讨任意胶结状况下的套管井中均能直接并清晰的测量到地层信息的可行性,开展了套管井缩小模型的声波测井实验室物理模拟研究。实验测量了套管井不同胶结状况下相控线阵声源做发射器时的全波波形。通过对相控线阵声源不同偏转角时测量的全波波形分析表明,在Ⅰ、Ⅱ界面均胶结良好时随着相控线阵阵元间激励延迟时间的增加,当相控线阵声源的声束偏转角先后等于地层第一临界角和第二临界角时可使井孔中接收的地层滑行纵波和滑行横波幅度分别加强到最大;在套管井Ⅰ界面胶结差以及自由套管中,仍有效的探测到了地层的滑行纵波和横波信息。此实验结果验证了在任意胶结状况下的套管井中均能直接测量到地层信息的可行性,为开发新一代的套管井相控线阵声波测井仪奠定了实验基础。      

套管井中偏心对声场的影响分析*

目前在油田的实际应用中,声幅-变密度水泥胶结测井(CBL/VDL)在套管井的水泥胶结质量评价中发挥重要作用。但是,在一些大斜度井或者水平井中,往往由于仪器或者套管的重量等原因导致套管井中出现偏心现象,这给利用声波测井资料进行水泥胶结质量评价带来一些难题。为此,本文建立了套管偏心和仪器偏心两种情况下的三维声学模型,利用柱坐标系下的三维交错网格有限差分算法数值模拟了两种偏心情况下的声波传播情况,并着重研究了偏心率的变化对套管井中声场波形特征,尤其是套管波及地层波特征的影响。另外,模拟了具有不同外径尺寸的套管和偏心率的组合情况下的声场传播情况,在此基础上研究了偏心率的大小对声场特征的影响规律。本文的研究结果表明,套管偏心和仪器偏心均会给声场波形特征带来影响,且随着偏心率的增加而增大;相比较而言,仪器偏心对套管波的影响更大。     

Using a multi-layered transducer model to estimate the properties of paraffin wax deposited on steel

When using ultrasound for detecting low impedance materials on the surface of high impedance materials, a major challenge is the contrast difference between the strong reverberations from the high impedance material and the weak echoes received from the low impedance material. The purpose of this work is to present the theoretical and experimental validation of an ultrasonic methodology for estimating the acoustical properties of paraffin wax on the surface of steel. The method is based on modeling and inversion of the complete electro-acoustic channel from the transmitted voltage over the active piezoelectric element, to the received voltage resulting from the acoustic reverberations in the multilayered structure. In the current work, two conceptually different models of the same multi-layer transducer structure attached to steel is developed and compared with measurements. A method is then suggested for suppressing the strong reverberations in steel, hence isolating the wax signals. This contrast enhancement method is fitted to the model of the structure, facilitating parameter inversion from the wax layer. The results show that the models agree well with measurements and that up to three parameters (travel time, impedance and attenuation) can be inverted from the wax simultaneously. Hence, given one of the three parameters, density, sound speed or thickness, the other two can be estimated in addition to the attenuation.     

A cased-hole acoustic logging technique using the dual source of opposite polarity

It is usually difficult to measure acoustic velocities through a casing,especially when the casing is poorly bonded with formation.An acoustic logging technique using the dual source of opposite polarity is proposed to enhance the Signal to Noise Ratio of the formation signal and to reduce the casing wave in the data acquisition process.In what follows,a theoretical modeling is used to caculate the wavefroms of cased wells.And then,a scaled experiment was conducted in the 1:10 scaled experimental well using the proposed technique in the poorlybonded condition.The results show that this technique can effectively suppress the casing wave and enhance the formation wave,even in the poorly-bonded condition.By analyzing the measured wavefroms,the amplitude of casing wave is reduced to 12%compared to the conventional one-source technique,and the compressional wave velocity can be easily obtained by using this technique.Both the theoretical modeling and experiment results demonstrate the feasibility of the proposed technique.This study establishes the theoretical and experimental foundation for the cased-hole,dual source of opposite polarity,acoustic logging tool development.