洪曉斌，馮進(jìn)亨，林沛嵩，劉桂雄

(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，廣東 廣州 510640)

?

非金屬管道損傷的非線(xiàn)性超聲導(dǎo)波延時(shí)檢測(cè)定位方法

洪曉斌，馮進(jìn)亨，林沛嵩，劉桂雄*

(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，廣東 廣州 510640)

由于超聲導(dǎo)波難以準(zhǔn)確檢測(cè)非金屬管道的早期損傷，本文提出了一種非線(xiàn)性超聲導(dǎo)波延時(shí)方法對(duì)非金屬管道結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行測(cè)試和定位?；诜蔷€(xiàn)性超聲調(diào)制機(jī)理分析了非金屬管道損傷狀態(tài)，使用同側(cè)非線(xiàn)性超聲的混頻信號(hào)激勵(lì)方式并根據(jù)超聲導(dǎo)波傳播速度的差異產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)延時(shí)，然后在管道損傷處實(shí)現(xiàn)混頻信號(hào)的非線(xiàn)性調(diào)制。采用HHT(Hilbert-HuangTransformation)提取混頻延時(shí)信號(hào)的瞬時(shí)特征量，并通過(guò)分析非線(xiàn)性分量延時(shí)分組進(jìn)行損傷區(qū)域檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)非金屬管道裂紋損傷的定位。PVC(Ployninylchloride)非金屬管道實(shí)驗(yàn)顯示，無(wú)損傷狀態(tài)下延時(shí)信號(hào)分組的標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)值為0.518 8；單裂紋狀態(tài)下延時(shí)信號(hào)分組標(biāo)準(zhǔn)值為0.593 7，損傷定位相對(duì)誤差為3.277%；雙裂紋損傷狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)化瞬時(shí)平均幅值為0.580 1與0.607 3，損傷定位值絕對(duì)誤差小于4mm。相對(duì)于利用小波包絡(luò)分解的非線(xiàn)性延時(shí)定位檢測(cè)法，實(shí)驗(yàn)得到的單裂紋損傷準(zhǔn)確度提高了36.4%。結(jié)果表明該方法能夠?qū)Ψ墙饘俟艿懒鸭y損傷準(zhǔn)確定位，并能夠檢測(cè)早期多裂紋損傷。

非金屬管道；損傷定位；超聲導(dǎo)波延時(shí)檢測(cè)法；非線(xiàn)性調(diào)制

1　引　言

非金屬管材具有強(qiáng)度高、密度小、腐蝕性強(qiáng)、絕緣性?xún)?yōu)、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在石化行業(yè)、建筑業(yè)、市政工程、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域需求不斷加大，促使非金屬管道得到快速發(fā)展[1]。近年來(lái)，非金屬管道結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)研究發(fā)展迅速，主要集中在非金屬管材的直型管道、管道接頭等結(jié)構(gòu)。加拿大達(dá)爾豪斯大學(xué)N.Cheraghi與M.J.Riley采用壓電陶瓷對(duì)于非金屬管道的接頭連接處損傷進(jìn)行研究[2]；法國(guó)里昂中央理工學(xué)院O.Bareille與M.Kharrat設(shè)計(jì)扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波探頭研究了非金屬管道導(dǎo)波響應(yīng)特性與損傷特性[3]；意大利羅馬大學(xué)P.Annamaria通過(guò)高斯脈沖導(dǎo)波激勵(lì)對(duì)非金屬圓棒上凹槽損傷進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)研究[4]；法國(guó)巴黎高科礦業(yè)學(xué)院L.Laiarinandrasana通過(guò)研究非金屬管道上損傷的蠕變效應(yīng)預(yù)測(cè)了管道剩余壽命[5]。由于超聲導(dǎo)波具有長(zhǎng)距離檢測(cè)、隱蔽區(qū)域檢測(cè)、靈敏度高、實(shí)施方便等優(yōu)點(diǎn)，在非金屬管道結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)中得到了廣泛關(guān)注，但其在非金屬管材上存在衰減快、傳播速度低等特點(diǎn)，使得當(dāng)前所研究非金屬管道損傷類(lèi)型主要針對(duì)損傷占管道軸向與徑向區(qū)域較大，而針對(duì)非金屬管道上的早期損傷檢測(cè)方法研究較少，因此亟需對(duì)非金屬管道早期微小損傷有效超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行探究。

在材料非線(xiàn)性理論中，應(yīng)力波在非線(xiàn)性材料上傳播會(huì)產(chǎn)生高次諧波，多個(gè)應(yīng)力波傳播則會(huì)互相影響產(chǎn)生調(diào)制作用。由于損傷具有材料非線(xiàn)性特性，混頻超聲導(dǎo)波的非線(xiàn)性效應(yīng)對(duì)微小缺陷具有較好的敏感度，更有利于早期管道健康監(jiān)測(cè)。非線(xiàn)性超聲調(diào)制檢測(cè)原理近年來(lái)得到快速發(fā)展，美國(guó)西北大學(xué)M.H.Liu根據(jù)超聲共振調(diào)制方法得到壓縮變形構(gòu)件的非線(xiàn)性系數(shù)[6]；韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院H.Sohn針對(duì)非線(xiàn)性超聲分量小且難以提取，提取通過(guò)減去對(duì)不同激勵(lì)超聲信號(hào)的單獨(dú)接收信號(hào)來(lái)獲得非線(xiàn)性分量[7]；美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)G.D.Connolly通過(guò)多次非線(xiàn)性超聲信號(hào)在金屬裂紋缺陷上多次采集，使用數(shù)值識(shí)別技術(shù)達(dá)到非線(xiàn)性信號(hào)有效提取與增強(qiáng)信噪比[8]；哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉斌等使用振動(dòng)聲調(diào)制技術(shù)對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊縫缺陷實(shí)現(xiàn)檢測(cè)[9]。目前非線(xiàn)性超聲導(dǎo)波技術(shù)在金屬結(jié)構(gòu)損傷中研究較多，包括增強(qiáng)非線(xiàn)性信號(hào)信噪比、結(jié)構(gòu)損傷非線(xiàn)性系數(shù)獲取等，但仍未見(jiàn)面向非金屬管道的超聲非線(xiàn)性調(diào)制檢測(cè)技術(shù)研究。本文采用同側(cè)非線(xiàn)性超聲混頻激勵(lì)法，對(duì)非金屬管道裂紋損傷進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)合加載到混頻信號(hào)中的延時(shí)時(shí)間，對(duì)非金屬管道損失進(jìn)行損傷定位研究。

2　非金屬管道損傷非線(xiàn)性超聲延時(shí)檢測(cè)定位方法提出

非線(xiàn)性超聲導(dǎo)波調(diào)制技術(shù)，利用低頻信號(hào)對(duì)高頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)調(diào)制，若在線(xiàn)性介質(zhì)中傳播，并不產(chǎn)生非線(xiàn)性調(diào)制現(xiàn)象；而由于材料內(nèi)部損傷(如裂紋等)具有非線(xiàn)性特性，有利于損傷的檢測(cè)。根據(jù)波動(dòng)理論所闡述的彈性波非線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)方程，一個(gè)雙通道混頻信號(hào)超聲激勵(lì)后經(jīng)過(guò)損傷后所獲取信號(hào)為：

u(x，t)=u(0)+βu(1)=

A01cos(ω1τ)+A02cos(ω2τ)+

(1)

式中：信號(hào)1與信號(hào)2幅值為A01與A02，信號(hào)1與信號(hào)2角頻率為ω1和ω2，β為非線(xiàn)性系數(shù)，k1和k2為信號(hào)1與信號(hào)2的波數(shù)。從不同頻率分布的角度分析，式(1)中包含原來(lái)ω1與ω2的頻率，同時(shí)有2ω1與2ω2，以及和頻ω1+ω2和差頻ω1-ω2。通過(guò)彈簧模型可知，裂紋的開(kāi)合產(chǎn)生的位移，與材料的宏觀屬性，以及裂紋上的力學(xué)特性和裂紋形態(tài)相關(guān)，同時(shí)也可以看到非線(xiàn)性超聲調(diào)制現(xiàn)象。因此，非線(xiàn)性幅值調(diào)制現(xiàn)象是在混頻信號(hào)的作用下，超聲導(dǎo)波通過(guò)具有非線(xiàn)性特性損傷的非金屬管道后能夠產(chǎn)生多個(gè)不同頻率的非線(xiàn)性諧波信號(hào)，根據(jù)此特性，可建立有利于對(duì)非金屬管道損傷進(jìn)行檢測(cè)的方法。

由于導(dǎo)波在非金屬管材上衰減快，傳統(tǒng)的超聲“回波”檢測(cè)法難以實(shí)現(xiàn)，對(duì)于穿透式的混頻信號(hào)檢測(cè)方法，損傷信息攜帶在通過(guò)損傷的導(dǎo)波中，優(yōu)點(diǎn)尤為明顯。同時(shí)由于導(dǎo)波在非金屬傳播速度較金屬管道低，傳播距離短，只在時(shí)域上的損傷定位法效果并不理想，利用HHT提取時(shí)頻特征信息結(jié)合非線(xiàn)性調(diào)制原理能夠在實(shí)現(xiàn)檢測(cè)范圍較短的損傷定位。因此提出一種非金屬管道損傷非線(xiàn)性超聲延時(shí)定位檢測(cè)方法(如圖1所示)。采用一種非線(xiàn)性混頻激勵(lì)同側(cè)檢測(cè)方式，求取管道的導(dǎo)波頻散曲線(xiàn)，選取高頻與低頻信號(hào)頻率，控制混頻信號(hào)的激勵(lì)時(shí)間；速度較大者通過(guò)增加延時(shí)，從而使兩通道信號(hào)能夠在管道上同時(shí)到達(dá)任意位置，混頻信號(hào)在損傷處相遇時(shí)能夠產(chǎn)生的非線(xiàn)性調(diào)制分量；各個(gè)延時(shí)信號(hào)進(jìn)行分組，可以利用HHT，通過(guò)EMD(EmpiricalModeDecomposition)提取各組延時(shí)的混頻信號(hào)的非線(xiàn)性分量，利用Hilbert變換得到信號(hào)瞬時(shí)特征量，瞬時(shí)幅值作為損傷評(píng)價(jià)來(lái)選擇較大非線(xiàn)性分量對(duì)應(yīng)的組，結(jié)合混頻信號(hào)傳播速度，計(jì)算出損傷位置。

圖1　定位方法框架

3　非金屬管道損傷非線(xiàn)性超聲延時(shí)檢測(cè)定位新方法實(shí)現(xiàn)過(guò)程

3.1非線(xiàn)性同側(cè)混頻激勵(lì)檢測(cè)

非線(xiàn)性超聲混頻信號(hào)同側(cè)激勵(lì)法如圖2所示，為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)在結(jié)構(gòu)損傷處能夠產(chǎn)生聲調(diào)制現(xiàn)象，采用雙通道混頻激勵(lì)信號(hào)(換能器A激勵(lì)信號(hào)EA(t)、B激勵(lì)信號(hào)EB(t))，單通道接收信號(hào)(換能器R接收信號(hào)R(t))，同時(shí)激勵(lì)信號(hào)可采取正弦周期信號(hào)。激勵(lì)換能器A、B固定在非金屬管道一側(cè)，接收換能器R固定同一直線(xiàn)上另一側(cè)，激勵(lì)換能器A與B之間距離為lAB，接收換能器與激勵(lì)換能器A的距離為lR。假設(shè)裂紋損傷在離激勵(lì)換能器A的距離為L(zhǎng)，結(jié)合高頻激勵(lì)信號(hào)與低頻激勵(lì)信號(hào)不同的傳播速度(高頻信號(hào)速度vA大于低頻信號(hào)速度vB)，可以求出高頻信號(hào)與低頻信號(hào)各自到達(dá)接收換能器R各自對(duì)應(yīng)的時(shí)間為：

tA=lR/vA，

(2)

(3)

混頻信號(hào)在非金屬管道上傳播如圖3所示，虛線(xiàn)所表示的低頻信號(hào)傳播速度低于實(shí)線(xiàn)所表示的高頻信號(hào)傳播速度，通過(guò)在高頻信號(hào)中加載延時(shí)時(shí)間，混頻信號(hào)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)管道的掃查，假設(shè)混頻信號(hào)在損傷處相遇(見(jiàn)圖3虛線(xiàn)圓)能夠產(chǎn)生較強(qiáng)的非線(xiàn)性效應(yīng)。

圖2　混頻信號(hào)同側(cè)激勵(lì)示意圖

圖3　同側(cè)激勵(lì)混頻延時(shí)信號(hào)傳播

同時(shí)，為得到更好的非線(xiàn)性調(diào)制現(xiàn)象，采用多周期的激勵(lì)信號(hào)，其中高頻信號(hào)頻率fA，低頻信號(hào)頻率fB，即信號(hào)周期為T(mén)A=1/fA和TB=1/fB?？芍獙?dǎo)波到達(dá)傳感器時(shí)間需大于信號(hào)多個(gè)周期時(shí)間，假設(shè)高頻信號(hào)周期數(shù)為nA，有：

tA>nATA(nA=1，2，3，…).

(4)

同樣，設(shè)低頻信號(hào)周期數(shù)為nB，得：

tB>nBTB(nB=1，2，3，…).

(5)

可以得到最大延時(shí)時(shí)間tM應(yīng)滿(mǎn)足：

tM≥tB-tA.

(6)

設(shè)加載到高頻信號(hào)上延時(shí)固定步長(zhǎng)為ts，總延時(shí)次數(shù)為Nd(表示總共要激勵(lì)Nd次混頻信號(hào))：

Nd=tM/ts.

(7)

可知，每一個(gè)高頻信號(hào)具有按固定延時(shí)步長(zhǎng)ts的整數(shù)倍的td：

td=n*ts(n=1，2，3，…，Nd).

(8)

3.2基于Hilbert-Huang變換的瞬時(shí)特征量提取

當(dāng)損傷存在時(shí)，雙通道混頻信號(hào)激勵(lì)后可獲取多分量信號(hào)。為了計(jì)算瞬時(shí)特征量，采用對(duì)于多分量信號(hào)時(shí)域處理方法EMD，可把多分量信號(hào)分解成若干單分量IMF(IntrinsicModeFunction)以及剩余函數(shù)rn[10]，分離得到單分量信號(hào)可實(shí)現(xiàn)信號(hào)特征提取。滿(mǎn)足損傷檢測(cè)的IMF形式：

c(t)=a(t)cosφ(t)，

(9)

(10)

(11)

3.3基于非線(xiàn)性分量的結(jié)構(gòu)損傷判別

從非線(xiàn)性超聲調(diào)制特性與損傷關(guān)系可知非金屬管道損傷程度與非線(xiàn)性損傷分量呈單調(diào)增加關(guān)系[12]。但由于損傷自身對(duì)導(dǎo)波具有衰減作用，尤其在非金屬材料更為明顯，隨著損傷增大到一定程度后，采集信號(hào)R(t)幅值隨之下降，以致在R(t) 中的非線(xiàn)性損傷分量被大幅減少，影響其單調(diào)增加趨勢(shì)。因此可利用數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化補(bǔ)償對(duì)R(t)減小的部分來(lái)實(shí)現(xiàn)非線(xiàn)性損傷分量有效提取。

(12)

由于激勵(lì)信號(hào)采用多周期正弦信號(hào)可以產(chǎn)生強(qiáng)的非線(xiàn)性效應(yīng)，另一方面為了提高檢測(cè)精度則需要單周期正弦信號(hào)，因此針對(duì)實(shí)際所產(chǎn)生的非線(xiàn)性調(diào)制效果分為單周期與多周期信號(hào)激勵(lì)損傷評(píng)估方法。

(13)

(14)

3.4損傷區(qū)域定位

為實(shí)現(xiàn)區(qū)域損傷定位，需根據(jù)最大延時(shí)時(shí)間tM對(duì)所有延時(shí)時(shí)間進(jìn)行分組，得延時(shí)分組D1，D2，…，Dn，利用上述損傷判別方法從D1，D2，…，Dn損傷所在的組作為DTi(i=1，2，…，n)。如圖4，分別對(duì)各個(gè)DTi進(jìn)行分組Dk2，…，Dkn(k=2，3，…)表示第k次分組，同樣平均分成n個(gè)延時(shí)組，選出此時(shí)損傷所存在的組作為DSi。通過(guò)減小加載在高頻激勵(lì)信號(hào)的延時(shí)步長(zhǎng)ts，重復(fù)上述步驟直到固定延時(shí)ts到達(dá)設(shè)定精度得到DFi。

根據(jù)激勵(lì)與接收換能器布置求出vA，vB，可知2個(gè)信號(hào)在非金屬管道上某一位置相遇所需的延時(shí)時(shí)間，設(shè)L0為非金屬管道上的某一位置，T0為對(duì)應(yīng)L0的延時(shí)時(shí)間，可得L0與T0的關(guān)系：

(15)

Tmax=A-1(max{A(t1)，…，A(tn)})(i=1，2，…，n)，

(16)

式中：A-1為A(t)的反函數(shù)，max表示取A(ti)最大值。從而得出非金屬管道損傷為：

(17)

圖4　損傷局部定位流程示意圖

4　非金屬管道損傷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

4.1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)所采用PVC非金屬管道材料特性與尺寸參數(shù)如表1所示，壓電換能器特性如表2所示。

表1　PVC管道參數(shù)

表2　壓電換能器參數(shù)

壓電換能器通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂膠固定在PVC管道上(如圖5所示)。激勵(lì)換能器A與B之間距離lAB為10mm，接收換能器與激勵(lì)換能器A距離為lR為70mm。實(shí)驗(yàn)設(shè)備平臺(tái)如圖6所示，壓電換能器激勵(lì)源A以及壓電換能器激勵(lì)源B與波形發(fā)生器相連，同時(shí)，壓電激勵(lì)源A與信號(hào)放大器A相連，壓電激勵(lì)源B與信號(hào)放大器B相連。壓電接收換能器R與一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連接。

圖5　換能器在PVC管道上布置示意圖

圖6　非線(xiàn)性超聲損傷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖

4.2非金屬管道無(wú)損傷狀態(tài)實(shí)驗(yàn)

首先對(duì)PVC管道進(jìn)行一發(fā)一收頻率響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，換能器A激勵(lì)掃頻信號(hào)頻率從100Hz到300kHz，輸出峰-峰值為2V，信號(hào)進(jìn)行50倍放大。采集信號(hào)通過(guò)Fourier變換得到頻譜如圖7所示。為了增強(qiáng)非線(xiàn)性超聲調(diào)制現(xiàn)象與符合混頻信號(hào)傳播速度差異，低頻信號(hào)頻率選取為50kHz，高頻信號(hào)頻率選取120kHz，傳播速度測(cè)量是通過(guò)第一個(gè)到達(dá)傳感器的導(dǎo)波信號(hào)求得，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得兩者傳播速度為vA=1 925m/s和vB=1 213m/s，此速度用于計(jì)算損傷定位可以避免模態(tài)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的影響。根據(jù)式(2)～(3)可求出tA=5.19×10-5s，同時(shí)求得tB=7.41×10-5s，TA=6.66×10-6s，TB=2×10-5s。由此計(jì)算出高頻和低頻信號(hào)最大可以取的周期數(shù)，nA

圖7　PVC管道頻率響應(yīng)頻譜示意圖

圖8　延時(shí)信號(hào)EMD分解示意圖

D1與D2每一個(gè)混頻延時(shí)信號(hào)都需要提取其瞬時(shí)特征量，為了可以更好地闡述其信號(hào)處理過(guò)程，選取延時(shí)時(shí)間在總延時(shí)范圍中間部分的信號(hào)，這里選擇D1中的第9個(gè)混頻延時(shí)信號(hào)作為例子解釋瞬時(shí)特征量提取過(guò)程。為了EMD信號(hào)分解不會(huì)出現(xiàn)較多的模態(tài)混疊，采集信號(hào)通過(guò)頻率從80kHz到240kHz帶通濾波器，D1中的第9個(gè)混頻延時(shí)信號(hào)分解得到的IMF如圖8所示，選取包含主要信號(hào)及非線(xiàn)性分量的cs1作為c(t)。

通過(guò)Hilbert-Huang變換，結(jié)合式(10)～(12)求出其瞬時(shí)頻率與標(biāo)準(zhǔn)化瞬時(shí)幅值。對(duì)D1中的第9個(gè)混頻延時(shí)信號(hào)進(jìn)行分析，在圖9的瞬時(shí)幅值圖中找出對(duì)應(yīng)非線(xiàn)性分量的170kHz的第一旁瓣的頻率，得到t0=2.84×10-5s，從而得到其對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)瞬時(shí)幅值為0.636 1。

圖9　瞬時(shí)頻率與標(biāo)準(zhǔn)化瞬時(shí)幅值示意圖

4.3單裂紋損傷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

從圖5可知，裂紋到換能器A的實(shí)際距離L為70mm。PVC管道單損傷實(shí)驗(yàn)保持總延時(shí)次數(shù)Nd=24，延時(shí)信號(hào)同樣分成兩組D1、D2，高頻信號(hào)120kHz正弦信號(hào)，低頻信號(hào)50kHz正弦信號(hào)，最小延時(shí)步長(zhǎng)ts=3×10-7s。

第1次混頻信號(hào)分組與無(wú)損傷狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)一致，得到組D1的標(biāo)準(zhǔn)化瞬時(shí)幅值之和為0.491 9，組D2為0.593 7，滿(mǎn)足式(14)，可知存在損傷位于組的延時(shí)范圍內(nèi)，組D2記為組DS1。

表3　單裂紋檢測(cè)延時(shí)分組參數(shù)

圖10　單裂紋第2次分組不同延時(shí)瞬時(shí)幅值分布

Fig.10Instantaneousstandardizedamplitudeof2nddelaysignalgroup

圖11　單裂紋第3次分組不同延時(shí)瞬時(shí)幅值分布

4.4雙裂紋損傷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

如圖12，第一處裂紋到換能器A的實(shí)際距離L2為70mm，設(shè)最終測(cè)出裂紋定位長(zhǎng)度為l2；第二處裂紋到換能器A的距離為L(zhǎng)1為27mm，定位估計(jì)值設(shè)為l1。每次分組分為組D1、D2，總延時(shí)信號(hào)個(gè)數(shù)Nd=24，最小延時(shí)步長(zhǎng)為ts=3×10-7s。采用同樣的實(shí)驗(yàn)方法，分組實(shí)驗(yàn)所用激勵(lì)信號(hào)周期、延時(shí)時(shí)間、延時(shí)步長(zhǎng)如表4所示。

圖12　雙裂紋在PVC管道上位置示意圖

延時(shí)分組高頻信號(hào)周期數(shù)低頻信號(hào)周期數(shù)延時(shí)時(shí)間延時(shí)步長(zhǎng)142[0,2.4×10-5s]1×10-6s221[0,1.2×10-5s]5×10-7s311[0,7.2×10-6s]3×10-7s421[1.2×10-5s,2.4×10-5s]5×10-7s511[1.2×10-5s,1.92×10-5s]3×10-7s

分析第1次延時(shí)信號(hào)分組D1的標(biāo)準(zhǔn)化瞬時(shí)幅值之和為0.580 1，組D2為0.607 3。所以組D1和D2都滿(mǎn)足式(14)的條件，即檢測(cè)到有兩個(gè)損傷在PVC管道上，所以有D1為DT1，D2為DT2。

圖13　雙裂紋第2，3次分組不同延時(shí)瞬時(shí)幅值分布

Fig.13Instantaneousstandardizedamplitudeof2nd， 3rddelaysignalgroup

圖14　雙裂紋第4，5次分組不同延時(shí)瞬時(shí)幅值分布

Fig.14Instantaneousstandardizedamplitudeof4th， 5thdelaysignalgroup

4.5方法實(shí)驗(yàn)比較

對(duì)于常見(jiàn)的基于小波包絡(luò)分析的非線(xiàn)性超聲調(diào)制方法使用小波包絡(luò)[13-14]得到其對(duì)應(yīng)的小波能量值，通過(guò)比較各個(gè)延時(shí)狀態(tài)下的小波能量值獲取較大值時(shí)刻來(lái)求取裂紋定位估計(jì)值。

對(duì)圖12所示的PVC管道雙裂紋損傷，基于小波包分析法得到面向雙裂紋PVC管道的高頻分量小波能量值如圖16所示。取出小波能量值的最大值與次大值，求出其對(duì)應(yīng)的Tmax1=2.4×10-6s，Tmax2=1.44×10-5s，代入公式(17)求出l1=34.907mm，l2=74.262mm。

圖16　80個(gè)延時(shí)信號(hào)雙裂紋小波能量值

從定位精確度上比較，在同等延時(shí)步長(zhǎng)的情況下，無(wú)論是單裂紋損傷還是雙裂紋損傷，基于HHT的管道損傷定位法比小波包絡(luò)法的結(jié)果更精確，單裂紋情況準(zhǔn)確度可提高36.4%。從圖15可以看到，對(duì)于選取哪個(gè)延時(shí)時(shí)刻作為T(mén)max難度較大，對(duì)于雙裂紋情況，在整個(gè)延時(shí)范圍內(nèi)選取最大的小波能量值的難度更大。其相互區(qū)別非常小的主要原因是單脈沖激勵(lì)，帶通濾波器與小波包絡(luò)分析并不能得到最好的分析效果，以及信號(hào)時(shí)域疊加對(duì)信號(hào)幅值的影響；對(duì)于PVC管道損傷非線(xiàn)性超聲傷檢測(cè)延時(shí)新方法，由于采用了多脈沖串激勵(lì)，對(duì)應(yīng)不同激勵(lì)方式用不同方法選取延時(shí)范圍以及使用瞬時(shí)特征量作為判別依據(jù)，能夠較好地解決延時(shí)時(shí)刻難以確定的問(wèn)題。

5　結(jié)　論

本文提出了一種非線(xiàn)性超聲導(dǎo)波延時(shí)檢測(cè)新方法來(lái)研究非金屬管道早期損傷定位問(wèn)題。該方法采用同側(cè)混頻激勵(lì)的穿透式檢測(cè)方法，結(jié)合在激勵(lì)信號(hào)加載延時(shí)時(shí)間使超聲導(dǎo)波覆蓋整個(gè)管道結(jié)構(gòu)。使用HHT變換有效地對(duì)混頻延時(shí)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析，提取混頻信號(hào)中非線(xiàn)性損傷分量的瞬時(shí)特征量，對(duì)延時(shí)加以分組，從而對(duì)延時(shí)范圍內(nèi)的有效區(qū)域內(nèi)單裂紋與多裂紋損傷實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。尤其在PVC非金屬管道結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)中，相對(duì)于小波包絡(luò)法的檢測(cè)方法，更容易獲取損傷所在延時(shí)范圍，準(zhǔn)確度提高36.4%。同時(shí)該方法可進(jìn)一步拓展到過(guò)墻非金屬管道、內(nèi)襯防腐蝕管道界面的損傷檢測(cè)等，對(duì)非金屬管道復(fù)雜結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)深入研究提供指導(dǎo)作用。

[1]李成吾， 左繼成. 國(guó)內(nèi)外PVC技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J]. 當(dāng)代化工，2015(4)：711-714.LICHW，ZUOJCH.Technologystatus-quoanddevelopmentdirectionofPVCpipes[J]. Contemporary Chemical Industry， 2015(4)： 711-714.(inChinese)

[2]CHERAGHIN，RILEYMJ，TAHERIF.Anovelapproachfordetectionofdamageinadhesivelybondedjointsinplasticpipesbasedonvibrationmethodusingpiezoelectricsensors[C]. 2005 IEEE International Conference on Systems， Man and Cybernetics， 2005， 4： 3472-3478.

[3]BAREILLEO，KHARRATM，ZHOUW， et al..DistributedpiezoelectricguidedT-Wavegenerator，designandanalysis[C]. 2010 First Workshop on Hardware and Software Implementation and Control of Distributed MEMS， 2010：38-42.

[4]PAUA，VESTRONIF.Damagecharacterizationinbarsusingguidedwaves[C]. Proceedings of the XIX AIMETA Congress， Ancona， 2009： 65-75.

[5]LAIARINANDRASANAL，GAUDICHETE，OBERTIS， et al..Effectsofagingonthecreepbehaviourandresiduallifetimeassessmentofpolyvinylchloride(PVC)pipes[J]. International Journal of Pressure Vessels & Piping， 2011， 88(2-3)：99-108.

[6]LIUM，TANGG，JACOBSLJ， et al..Measuringacousticnonlinearitybycollinearmixingwaves[J]. Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation， 2011， 1335(1)： 322-329.

[7]SOHNH，LIMHJ，DESIMIOMP， et al..Nonlinearultrasonicwavemodulationforonlinefatiguecrackdetection[J]. Journal of Sound and Vibration， 2014， 333(5)：1473-1484.

[8]CONNOLLYGD，ROKLINSI.Quantitativeenhancementoffatiguecrackmonitoringbyimagingsurfaceacousticwavereflectioninaspace-cycledomain[C]. AIP Conference Proceedings， 2011：1499-1506.

[9]劉斌， 剛鐵， 萬(wàn)楚豪，等. 復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊縫的非線(xiàn)性超聲檢測(cè)方法[J].焊接學(xué)報(bào)， 2015， 36(3)：39-43.

LIUB，GANGT，WANGCH， et al..Nonlinearultrasonicmethodfordetectingweldofcomplicatedstructure[J]. Transactions of the China Welding Institution， 2015， 36(3)：39-43.(inChinese)

[10]羅玉昆， 羅詩(shī)途， 羅飛路，等. 激光超聲信號(hào)去噪的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解實(shí)現(xiàn)及改進(jìn)[J]. 光學(xué) 精密工程，2013， 21(2)：479-487.

LUOYK，LUOSHT，LUOFL， et al..Realizationandimprovementoflaserultrasonicsignaldenoisingbasedonempiricalmodedecomposition[J]. Opt. Precision Eng.， 2013， 21(2)：479-487.(inChinese)

[11]RAZIP，TAHERIF.A.Vibration-basedstrategyforhealthmonitoringofoffshorepipelinesgirth-welds[J]. Sensors， 2014， 14(9)：17174-17191.

[12]HONGXB，WANGH，WANGT， et al..Dynamiccooperativeidentificationbasedonsynergeticsforpipestructuralhealthmonitoringwithpiezoceramictransducers[J]. Smart Materials & Structures， 2013， 22(4)： 3-15.

[13]蘆吉云， 王幫峰， 梁大開(kāi). 基于小波包特征提取及支持向量回歸機(jī)的光纖布拉格光柵沖擊定位系統(tǒng)[J]. 光學(xué) 精密工程， 2012， 20(4)：712-718.

LUJY，WANGBF，LIANGDK.IdentificationofimpactlocationbusingFBGbasedonwaveletpacketfeatureextractionandSVR[J]. Opt. Precision Eng.，2012， 20(4)：712-718.(inChinese)

[14]MOSTAFAPOURA，DAVOODIS.Atheoreticalandexperimentalstudyonacousticsignalscausedbyleakageinburiedgas-filledpipe[J]. Applied Acoustics， 2015， 87：1-8.

洪曉斌(1979-)，男，廣東揭陽(yáng)人，教授，博士生導(dǎo)師，2002年于武漢理工大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2007年于華南理工大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事無(wú)損檢測(cè)技術(shù)與裝備、網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控技術(shù)及儀器等方面的研究。E-mail：mexbhong@scut.edu.cn

劉桂雄(1968-)，男，廣東揭陽(yáng)人，教授，博士生導(dǎo)師，1990年于重慶大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，1995年于重慶大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事新型智能傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控技術(shù)、制造過(guò)程質(zhì)量檢測(cè)、建模及控制等方面的研究。E-mail：megxliu@scut.edu.cn

(版權(quán)所有未經(jīng)許可不得轉(zhuǎn)載)

Damage detection of nonmetallic pipe by using nonlinear ultrasonic guided wave with signal delay

HONG Xiao-bin， FENG Jin-heng， LIN Pei-song， LIU Gui-xiong*

(School of Mechanical & Automotive Engineering，South China University of Technology， Guangzhou 510641， China)

*Corresponding author， E-mail：megxliuscut.edu.cn

Asthedamagesonnonmetallicpipes,especiallyearlydamages,aredifficulttobedetectedbyultrasonicguidedwave,thispaperproposesanonlinearultrasonicguidedwavewithsignaldelaytodetectandlocalizethedefectsonnonmetallicpipes.Basedonthenonlinearultrasonicwavetheory,thedamagestatesofnonmetallicpipeswereanalyzedandanincentivemethodwithmixedsignalsfromthesameendofthesignaldelaywasdevelopedtogeneratesignaldelayaccordingtodifferentspeedsofthemixingsignalsandtoimplementnonlinearmodulation.TheinstantaneouscharacteristicsofdelaysignalwereextractedbyHHT(Hilbert-HuangTransformation),anddamagelocationwasachievedbyanalyzingdifferentnonlinearmodulationgroupswithsignaldelay.PVC(Polyvinylchloride)pipeswereusedforexperiments.Inintactcondition,thestandardizedreferencevaluesofsignaldelaygroupsis0.518 8.Indamageofonecrack,standardizedvalueofsignaldelaygroupsis0.593 7andtherelativeerroris3.277%.Moreover,indamageoftwocracks,thestandardizedvalueofsignaldelaygroupsare0.593 7and0.607 3,andtheabsoluteerrorislessthan4mm.Comparedtothewaveletenvelopelocationapproach,therelativeerrorwithonecrackrisesto36.4%.Theseresultsturnoutthattheapproachproposedinthispaperiseffectiveandaccurateforthedamagedetectionandlocationofnonmetallicpipes,andisavailableforthemulti-damagedpipes.

nonmetallicpipe;damagelocation;ultrasonicguidewavedetectionwithdelaysignal;nonlinearmodulation

2016-03-20；

2016-04-15.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.51305141);廣東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.2014A030313248)；廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(No.201607010171)

1004-924X(2016)07-1685-09

TB553

Adoi:10.3788/OPE.20162407.1685