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| 基于宽带脉冲激励的管道导波时反检测方法 |
| | 内容来源：机械设计与制造工程杂志 浏览次数：1261 更新时间：2020-05-14 |
周进节1，贾浩东1,2，郑〓阳2
（1.中北大学机械工程学院，山西 太原〓030051)
(2.中国特种设备检测研究院，北京〓100029)
摘要：提出一种基于宽带信号激励的超声导波时间反转检测方法(时反检测方法)，利用时间反转波包的自聚焦特性抑制管中导波的频散、多模态特性，以拓展激励信号的频率范围。该方法首先采用宽带脉冲信号作为初始激励信号，从接收信号中提取缺陷波包信息进行时间反转(时反)，并将时反后的信息作为激励信号，将再次检测到的缺陷波包作为时反检测结果。研究结果表明，利用时反检测方法得到的检测信号较之前的宽带检测信号，其缺陷波包的波形在时域变得更窄，反射系数得到有效提高，更容易区分出缺陷波包的时间位置。
关键词：宽带脉冲；管道；超声导波；时反检测
中图分类号：TB51〓文献标识码：A〓文章编号：2095-509X(2020)02-0069-05
超声体波在介质中的传播速度不随频率变化，在检测过程中采用时域窄、频率宽的脉冲作为激发信号时，可有效实现缺陷信息的逐点检测。而超声导波在管中传播距离远、衰减小，且质点振动包含了整个壁厚的信息，可实现远距、大范围的检测。超声导波具有频散、多模态特性，使得利用超声导波对管道缺陷进行检测时，要根据管道材料、直径和壁厚计算频散曲线，才能选出合适的激励模态和激发信号类型、频率。在常规超声导波技术中，在合适频率点采用低阶轴对称模态进行检测时，选用时域和频率均有限的窄带脉冲激发，这是因为有限的激发信号频率，可避免出现频散、多模态现象，便于分辨缺陷信号。
但是由于在轴对称模态下沿管道圆周方向能量分布均匀，因此采用轴对称模态难以对小缺陷进行有效检测。而非轴对称模态下沿管道圆周方向能量分布不均匀，会导致常规检测时缺陷反射回波波包难以辨识。当缺陷恰好位于非轴对称模态的自聚焦点时，可有效增强缺陷反射回波能量，有望提高对小缺陷的检测精度，但在该检测过程中需反复调整传感器的入射角度、激发频率等参数。近年来，针对非轴对称模态能量聚焦的检测方法得到广泛研究。其中，Rose等基于正交模态展开法提出的超声导波相控阵聚焦方法，经各通道延迟时间、幅值系数的调整，可将超声导波能量聚焦在预定位置。文献［8］～［11］研究了基于时间反转过程将超声导波能量聚焦在缺陷位置的检测方法。但上述的超声导波检测方法均采用窄带脉冲作为激励信号。
在超声导波检测过程中，当采用时域窄、频率宽的激励信号时，会导致频散现象；而采用时域宽、频率窄的激励信号时，会发生不同缺陷波形的叠加。目前，在导波检测领域，已采用宽带信号激励，不仅可激发更多的能量，且可有效提高检测速度。文献［12］采用宽带激励板中的Lamb波，并进行虚拟时反成像，有效提高了缺陷位置分辨率。
鉴于管道导波的复杂性，目前采用宽带信号进行管中时间反转导波检测的研究尚不充分。为扩展管道导波检测时的激发频率范围，本文提出一种宽带脉冲激励的时反检测方法。虽然采用宽带脉冲激发时，会发生频散和多模态混叠的现象，但利用时间反转检测方法(时反检测方法)后，能将较宽频率范围内的导波能量积攒在同一时间到达缺陷处，可以有效增加缺陷回波的能量。且采用宽带时反脉冲激发时，能提高缺陷波包时域分辨率，便于缺陷波包位置的判读。
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基金项目：国家重点研发计划课题（2016YFF0203003）；国家自然科学基金资助项目(61601413)
作者简介：周进节(1981—)，男，讲师，博士，主要研究方向为超声和超声导波检测方法、传感器与检测仪器、声场可视化技术等，zhoujinjiechina@126.com.
通讯作者：郑阳，男，高级工程师，zhengyangchina@126.com.
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