超声导波管道缺陷定位方法研究*

本文提出了一种基于多换能器的超声导波管道缺陷定位方法,利用两个环形换能器阵列分别接收与缺陷相关的反射信号和透射信号,实现管道缺陷轴向及周向定位。首先利用变分模态分解法对信号进行滤波,在滤除噪声的基础上对信号进行小波变换,获得缺陷反射的导波时频信息,根据反射波的渡越时间计算缺陷在管道轴向的位置。在缺陷的周向定位上,提出一种损伤指数迭代方法,根据透过缺陷后导波的损伤指数来计算缺陷的周向位置及周向长度。仿真和实验结果表明,本文所采用的方法能够较为准确的测量出管道上缺陷的位置及周向长度。     

基于周向SH0导波的管道轴向缺陷定量表征*

随着管道服役时间的增加，其损伤逐渐累积，最终导致泄漏或爆炸事故。引入导波在线监测管道损伤是确保其安全运行的重要保障。周向零阶水平剪切(CSH0)波具有不易频散、对管道轴向缺陷敏感等优秀特性，非常适用于管道轴向缺陷的定量表征。该文 基于周向SH0导波在管道的传播特性，通过有限元模拟和试验对管道周向SH0模态导波与轴向缺陷的定量关系展开研究。结果表明：管道曲率半径越大，周向SH0模态的传播特性越接近板中SH0模态的传播特性；导波信号的反射系数和透射系数对轴向缺陷的长度和深度均呈现单调变化。依此建立了缺陷定量表征的关系云图，可用于评估缺陷尺寸。     

多元阵时间反转镜被动定位技术研究

摘要单水听器和二元阵时间反转镜处理都可以有效实现目标检测和定位，但多元阵时反镜处理的定位精度和水平定位距离远优于单水听器或二元阵定位处理。本文先简述了时间反转镜定位技术的发展和近况，又详细介绍了多元阵时间反转镜定位技术的基本原理，并借鉴乘积阵处理理论利用射线传播模型给出了多元被动时间反转镜定位的算法和公式。仿真和试验数据处理证明，多元阵时反镜处理效果明显优于二元阵时间反转镜处理，即利用阵增益后时反镜性能改善明显。对四元阵海试数据时间反转镜分析处理结果表明：该方法能实现目标被动定位，且对10公里处静止目标其水平定位误差仅为15％。但该方法运算量太大，很难实现实时运算，因此，其工程应用还有许多问题待解决。     

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。     

圆管超声导波频散与多模态特性

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。     

接触缺陷的振动调制超声导波检测技术研究

针对常规线性超声检测方法无法实现板结构接触类缺陷(如微裂纹、脱粘等)检测问题,将超声导波技术与振动声调制技术相结合,利用稀疏分布传感器发展了一种板结构中接触缺陷非线性超声检测方法。通过低频振动改变缺陷的接触状况,使得通过接触面的高频导波信号的相位和幅值受到调制。对受低频振动调制的超声导波二维时间序列进行时频分析,由于接触类缺陷的存在,在振动调制超声导波序列的时频分布上出现明显的低频振动频率分量。利用提取出的低频振动频率下的超声导波信号,进行了结构接触缺陷成像处理。检测试验表明,基于振动声调制的超声导波缺陷成像方法可以实现结构中的接触类缺陷检测。      

时间反转和逆时偏移混合法用于层状介质中目标的声学检测和定位

一般超声回波检测、时间反转和逆时偏移技术,都不能将界面附近的目标(缺陷)检测出来。这是因为目标反射波和界面(或底面)反射波相重叠的缘故。虽然改进的时间反转法(即换元的时间反转法)能够区别目标和界面(或底面),但还是不能定位。本文提出一种时间反转和逆时偏移混合方法。分析和仿真结果表明该方法不但能够鉴别出层状介质中的目标,而且可以定位。对于多个目标,也能给出其位置分布图。特别地,本文方法对于分层介质中的缺陷和浅海海底下的目标检测和定位具有重要的潜在价值。      

基于激光多普勒频移的钢轨缺陷监测

针对现阶段我国铁路上应用的探伤设备只能在天窗时间进行人工巡检,无法在线监测的问题,提出一种基于超声导波的激光多普勒频移法钢轨内部缺陷监测方法。首先,引入环境温度作为变量改进了半解析有限元方法,并应用该方法获得了我国无缝线路CHN60钢轨在特定温度下的频散曲线。通过分析振型并结合激励响应算法确定了适于检测缺陷的模态及其激励方式,从而激励该超声导波模态使其在钢轨中传播。然后,应用半反半透玻璃镜将激光分为参考光和测量光,测量光通过Bragg Cell进行频偏照射钢轨表面,通过反射光产生的多普勒频移与参考光干涉得到光强度变化曲线,经过信号处理及标定测得钢轨内部缺陷的回波速度信号,再经过数字化处理和计算得到缺陷的位置。最后,在北京环形铁路试验基地进行了现场实验,以钢轨接地孔模拟钢轨内部核伤,得到缺陷定位误差均小于0. 5 m,验证了该方法的可行性。使用激光多普勒频移方法检测导波信号从而定位缺陷的方法可以有效避免由于换能器接触性测量而产生的误差。该方法在不影响列车的正常运营的同时,实现了全天候无间断的在线监测,提高了检测效率。     

基于超声红外技术对金属管内壁缺陷的检测

为提高管道的运送效率,及时检测排除管道内壁的缺陷非常重要。提出利用超声红外无损检测方法对管道内部进行检测。超声主动热激励试件,高频红外热像仪记录试件表面温度变化,结合了超声摩擦生热和红外热成像的优点。对壁厚约为3.3mm检测难度较大的金属管内壁缺陷进行了检测。通过对采集数据和热图的处理分析,准确快速地确定缺陷所在的位置。实物对比分析表明：超声热激励红外无损检测技术可以对金属管道内壁缺陷进行准确检测定位。     

基于反转路径差信号的兰姆波成像方法

针对传统基线相减成像方法受环境温度影响的问题,考虑到反转路径下超声波在缺陷处散射场的差异性,提出了一种基于反转路径差信号的兰姆波稀疏阵列成像方法.通过数值仿真,对反转路径差信号的来源进行了分析,并研究了缺陷与两个传感器的夹角及路径差对反转路径差信号幅值的影响规律.在此基础上,通过数值仿真及检测实验,研究了基于反转路径差信号的兰姆波成像方法对板中缺陷检测的有效性.结果表明,基于反转路径差信号的兰姆波成像方法可以很好地消除直达波对缺陷成像的影响,实现板中不同位置的圆孔和矩形缺陷成像,且成像分辨率较高,定位较准确.本文为板结构大范围健康监测提供了一种可行的新方案.