凌華科技PCI-9846高速數字化儀 在基于超聲導波的結構健康狀態無損檢測及在線監測中的應用

應用領域：

基于超聲導波的結構材料損傷快速無損檢測及損傷在線監測應用。

挑戰：

目前廣泛應用的超聲波檢測技術大多基于超聲體波，由于超聲體波的傳播特點，需要對結構進行逐點檢測，因此存在檢測效率低，成本高等缺點;同時逐點掃描的檢測方式也限制了其在結構健康監測領域的應用。

超聲導波是體波在結構界面反射疊加形成的沿結構界面傳播的應力波。超聲導波相對于體波具有衰減小，傳播距離長的特點，可實現對形狀規則的大結構件的快速無損檢測;并且具有在線應用潛力，可作為結構健康在線監測的技術手段。

但是超聲導波相對于體波更加復雜，主要表現為兩方面：一方面為導波的多模態特性，即同一頻率下同時存在有多種導波模態;另一方面為頻散特性，即同一模態導波在不同頻率下的傳播速度不同。超聲導波的復雜性對檢測平臺和檢測方法提出了更高的要求。

解決方案：

超聲導波檢測方法為主動檢測，包括信號的激發的和接收。針對導波的多模態的特性，擬采用單一模態導波作為檢測信號，因此需要在檢測平臺從信號激發和接收兩方面抑制其他模態。主要通過傳感器尺寸，信號激發頻率，優化匹配實現單一導波模態激發。

為了實現對被檢對象的快速檢測，根據雷達原理發展了適用于超聲導波的相控陣列及信號處理算法，以此實現對材料損傷的快速成像檢測。

1 應用背景

隨著當前對大型設備結構安全性的日益關注，無損檢測技術已成為現代結構設備制造和使用過程中必不可少的檢測手段之一, 廣泛應用于各個領域，如航空航天領域、電力生產領域、石化輸運加工領域等。這些領域的設備結構通常處于較惡劣的工作條件，容易發生磨損、腐蝕、疲勞、蠕變等損傷，進而造成結構內部產生缺陷，危害結構安全性。因此對這些設備結構進行實時監測和診斷成為無損檢測技術應用中的一個重要方面。

目前工業界常用的五大無損檢測方式包括：滲透檢測，磁粉檢測，渦流檢測，超聲波檢測，射線檢測。在這五種檢測方式中，超聲波檢測由于適用范圍廣(既可檢測金屬，也可檢測非金屬)，對人體無害而應用較為普遍。目前常規的超聲波檢測主要使用體波，只能檢測探頭覆蓋區域或者探頭周圍很小范圍，因此通常采用逐點檢測的方法。逐點檢測方法的缺點就是檢測效率低，檢測成本高。而使用超聲導波的無損檢測技術則可以有效地解決這一問題。

超聲導波是目前常規應用超聲體波的疊加組合。在無限均勻各向同性彈性介質中, 只存在兩種超聲波：縱波和橫波，這兩種超聲波稱為超聲體波， 二者分別以各自的特征速度傳播而無波型耦合。 在有限尺寸波導(如平板、圓管) 中傳播的縱波和橫波由于受到邊界的制約以及在邊界處發生不斷的模態轉換，將會產生沿波導傳播的超聲導波。因此超聲導波是由超聲體波(包括縱波和橫波)在波導上下界面間反射疊加而形成的沿波導傳播的一種應力波。

由于超聲導波是在具有上下界面的固體中傳播的應力波，其衰減主要是由材料吸收造成的，因此與傳播距離成正比。而超聲體波在固體材料是從激發點向三個方向擴散，其衰減與傳播距離的平方成正比。因此超聲導波的衰減相對體波來說小很多，可以沿波導傳播很長距離。

基于超聲導波傳播距離長的特點，其在無損檢測應用中可以實現一次檢測數米距離，是對傳統逐點掃描方式的極大改進。同時，對于發電領域和石化領域常見的包覆及埋地結構，利用超聲導波檢測技術只需要一點接入就可以檢測數米距離，不需要完全暴露結構，可以極大的提高效率并降低成本。

由于超聲導波檢測距離長、范圍廣，具有在線應用潛力，可以作為結構健康狀態檢測(SHM)的技術手段。

2 面臨問題

由于超聲導波是超聲體波在波導中的反射和疊加，因此超聲導波相對體波來說更加復雜，表現為多模態和頻散特性。

對于表面處于自由邊界條件下的各相同性板狀構件，其頻散關系可表達為：

其中，h是平板半壁厚，ω角頻率，k是波數，VL和VS分別是材料中縱波和橫波波速。此種表達方式，當α=0代表對稱模態，當α=π/2代表非對稱模態。

根據平板中的頻散關系可以得出導波頻散曲線，如圖1所示。從中可以看出，在同一頻率下同時存在多種導波模態。如800kHZ以下，同時存在有有三種模態，分別為A0模態、S0模態和SH0模態。隨著頻率的增加，同時存在的導波模態數也會隨之增加，如在2MHz下，平板內存在有8種可傳播模態。導波這種多模態效應會使得接收到的缺陷反射信號復雜化，對其檢測應用產生較大影響。

另外從頻散曲線圖中還可以看出，同一模態導波在不同頻率下的傳播速度會發生變化，這將導致激發信號中不同頻率的成分隨傳播距離的增加逐漸分散，導致激發信號時域延長，幅值降低。圖2為中心頻率為200kHz的A0模態在2mm厚鋼板中激發波包隨傳播距離的變化過程，從中可以看出，隨著傳播距離的增加，導波的頻散特性將會導致波包在時域上的延長，同時波包幅值也將嚴重降低。這種現象將造成檢測信號的疊混和減弱，使得缺陷特征無法識別。

(a)頻率-波數曲線

(b)頻率-相速度曲線

(c)頻率-群速度曲線

圖1. 2mm厚鋼板的頻散曲線

(彈性模量216.9GPa，泊松比0.28，密度7.9×103kg/m3)