趙乃志 陳桂鳳

1.遼寧科技學(xué)院 資源與土木工程學(xué)院，遼寧本溪 117004；2.揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 110168

一、引言

對(duì)于管道結(jié)構(gòu)，超聲導(dǎo)波時(shí)間反轉(zhuǎn)檢測(cè)法要比直接導(dǎo)波檢測(cè)法獲得更大的缺陷反射系數(shù)，時(shí)間反轉(zhuǎn)法的時(shí)間聚焦效應(yīng)使得這些分散于不同導(dǎo)波模態(tài)的監(jiān)測(cè)能量均聚集在缺陷位置，使監(jiān)測(cè)能量得到較大增加[1]。但是由于軟件和儀器信息存儲(chǔ)容量限制，如果對(duì)接收到的信號(hào)做全信號(hào)的分析，對(duì)數(shù)據(jù)的處理和儀器的運(yùn)算都帶來(lái)比較大的困難。

本文提出基于采點(diǎn)率的信號(hào)處理方法，既能反應(yīng)整個(gè)信號(hào)的缺陷特征，又能有效減少運(yùn)算量，同時(shí)又可以保證健康監(jiān)測(cè)的精度。為確保選取的信號(hào)包含缺陷反射回波信息，分別采用不同取點(diǎn)率對(duì)這種方法進(jìn)行驗(yàn)證。

二、系統(tǒng)原理

取點(diǎn)率定義為所選取得點(diǎn)數(shù)和全信號(hào)點(diǎn)數(shù)的比值，用v來(lái)表示。即每間隔幾個(gè)點(diǎn)選一個(gè)點(diǎn)，這樣既能反應(yīng)整個(gè)信號(hào)的缺陷特征，又能有效減少運(yùn)算量[2]。

根據(jù)時(shí)間反轉(zhuǎn)導(dǎo)波監(jiān)測(cè)的理論分析結(jié)果，每個(gè)存在的波源都會(huì)導(dǎo)致時(shí)間反轉(zhuǎn)波場(chǎng)在源位置的聚焦，并且聚焦位置信號(hào)能量的大小，既與缺陷被動(dòng)波源產(chǎn)生的激勵(lì)能量大小相關(guān)，也與研究的時(shí)間反轉(zhuǎn)波場(chǎng)中包含哪些導(dǎo)波模態(tài)，以及這些模態(tài)的幅值相關(guān)。[3]

實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中，缺陷的特征是不受人為控制的，因此，在缺陷位置發(fā)生的反射和模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象也是不可控的。既然無(wú)法控制缺陷被動(dòng)波源產(chǎn)生的激勵(lì)能量大小，就只能通過(guò)選擇不同的導(dǎo)波模態(tài)信息來(lái)改變時(shí)間反轉(zhuǎn)波入射至缺陷的能量。應(yīng)盡可能完整地獲取缺陷波源產(chǎn)生的波形信息，用于時(shí)間反轉(zhuǎn)激勵(lì)信號(hào)的生成。[4]

三、試驗(yàn)系統(tǒng)

根據(jù)試驗(yàn)的目的我們建立了一套管道系統(tǒng)來(lái)驗(yàn)證信號(hào)不同的取點(diǎn)率對(duì)管道檢測(cè)結(jié)果的影響。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，由任意信號(hào)發(fā)生器、示波器、PZT壓電陶瓷傳感器（激發(fā)起和接收器）、試驗(yàn)用的管材，還有相應(yīng)的導(dǎo)線組成。

管道結(jié)構(gòu)的缺陷采用人工刻痕的方法，在管道外壁人工刻長(zhǎng)度60mm的軸向裂紋，如圖2所示。

信號(hào)發(fā)生器為RIGOL DG10×2系列雙通道函數(shù)/任意波形發(fā)生器。該設(shè)備可輸出5種基本波形和任意波形。任意波形的頻率特性為1μHz到5MHz，完全滿足本實(shí)驗(yàn)的要求。同時(shí)具有豐富的調(diào)制功能，輸出各種調(diào)制波形：調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相、線性和對(duì)數(shù)掃描及脈沖串模式。如圖3所示，本次試驗(yàn)中所采用的激勵(lì)信號(hào)為10波峰脈沖信號(hào)，激勵(lì)頻率為75kHz。[5]

本次試驗(yàn)選取的激勵(lì)信號(hào)為L(zhǎng)(0, 2)模態(tài)信號(hào)，頻率為70kHz，其波形圖如圖3所示。以長(zhǎng)為60mm軸向裂紋缺陷為例，選取不同的取點(diǎn)率下的時(shí)間反轉(zhuǎn)激勵(lì)信號(hào)，在管道一段激勵(lì)頻率70kHz的五峰波激勵(lì)信號(hào)。

四、試驗(yàn)結(jié)果與分析

選擇管端部的24個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)加載，記錄與各激勵(lì)節(jié)點(diǎn)相鄰的24個(gè)觀測(cè)節(jié)點(diǎn)上的軸向位移時(shí)程曲線，將它們進(jìn)行疊加得到直接導(dǎo)波監(jiān)測(cè)方式的模擬監(jiān)測(cè)結(jié)果，如圖4所示。

從圖4為L(zhǎng)(0, 2)模態(tài)信號(hào)可以看出，激勵(lì)L(0, 2)模態(tài)導(dǎo)波后，無(wú)論是直接監(jiān)測(cè)信號(hào)，還是時(shí)間反轉(zhuǎn)信號(hào)接收到的信號(hào)都含有豐富的信息，不僅含有入射波包、末端反射波包，而且還有表征裂紋的缺陷回波包。

本次試驗(yàn)采用時(shí)間反轉(zhuǎn)方法，可以將更多的監(jiān)測(cè)能量聚焦在缺陷位置，增強(qiáng)監(jiān)測(cè)能力，應(yīng)盡可能完整地獲取缺陷波源產(chǎn)生的波形信息，用于時(shí)間反轉(zhuǎn)激勵(lì)信號(hào)的生成，導(dǎo)波模態(tài)會(huì)隨著波的傳播最終在缺陷位置發(fā)生聚焦。因此，采點(diǎn)率v的大小是決定時(shí)間反轉(zhuǎn)導(dǎo)波激勵(lì)信號(hào)的關(guān)鍵。

為確保選取的信號(hào)包含缺陷反射回波信息，針對(duì)整個(gè)全信號(hào)分別采用不同取點(diǎn)率進(jìn)行分析。圖5為全信號(hào)在不同取點(diǎn)率下生成的時(shí)間反轉(zhuǎn)激勵(lì)信號(hào)時(shí)，在接收端得到監(jiān)測(cè)信號(hào)。不同取點(diǎn)率接收到的缺陷信號(hào)如圖6所示。

從圖5可以看出不同取點(diǎn)率得到的監(jiān)測(cè)信號(hào)的缺陷反射信號(hào)以在同一管道的相同位置出現(xiàn)的相同缺陷形成的被動(dòng)波場(chǎng)也是不同的，獲得的波形信息量不同，因此在實(shí)際的監(jiān)測(cè)過(guò)程中選擇合適的取點(diǎn)率對(duì)于監(jiān)測(cè)效果的好壞是十分重要的。

圖6可以看出，經(jīng)過(guò)時(shí)間反轉(zhuǎn)聚焦以后，隨著取點(diǎn)率的增加，回波信號(hào)所包含的導(dǎo)波模態(tài)信息也就越多，缺陷反射回波幅值與激勵(lì)波包幅值的差距就越小。

圖7為取點(diǎn)率與缺陷反射系數(shù)關(guān)系。從圖7可以看出，當(dāng)取點(diǎn)率為0.20時(shí)，缺陷反射系數(shù)為0.0950，比未采用時(shí)間反轉(zhuǎn)方法時(shí)提高了近4.3倍。隨著取點(diǎn)率的增加，所包含的導(dǎo)波模態(tài)信息越多，缺陷反射回波幅值與激勵(lì)波包幅值的差距就越小。當(dāng)取點(diǎn)率為0.50時(shí)，在另一端接收傳感器接收到的回波信號(hào)波形信息幾乎全被用于時(shí)間反轉(zhuǎn)激勵(lì)信號(hào)的生成，此時(shí)，缺陷反射系數(shù)高達(dá)0.8090，比之前幾乎提高了10倍。

五、結(jié)論

對(duì)于管道結(jié)構(gòu)時(shí)間反轉(zhuǎn)檢測(cè)法要比直接導(dǎo)波檢測(cè)法獲得更大的缺陷反射系數(shù)，且該反射系數(shù)隨著取點(diǎn)率的增加而增大。隨著取點(diǎn)率的增加，更多的轉(zhuǎn)換模態(tài)信息被用于生成時(shí)間反轉(zhuǎn)激勵(lì)信號(hào)，時(shí)間反轉(zhuǎn)法的時(shí)間聚焦效應(yīng)使得這些分散于不同導(dǎo)波模態(tài)的監(jiān)測(cè)能量均聚集在缺陷位置，使監(jiān)測(cè)能量得到較大增加。所以在實(shí)際的監(jiān)測(cè)過(guò)程中選擇合適的取點(diǎn)率也可以得到比較好的檢測(cè)效果。