溫宇立， 武 靜， 林 榮， 馬宏偉,3

(1. 東莞理工學院 建筑工程系， 東莞 523808;2. 暨南大學 理工學院， 廣州 510632； 3. 青海大學 土木工程學院， 西寧 810016)

基于相軌跡的多裂紋管道超聲導波檢測研究

溫宇立1,2， 武 靜1， 林 榮1， 馬宏偉1,2,3

(1. 東莞理工學院 建筑工程系， 東莞 523808;2. 暨南大學 理工學院， 廣州 510632； 3. 青海大學 土木工程學院， 西寧 810016)

在超聲導波多裂紋管道損傷檢測中，缺陷回波信號幅值較小且波形復雜，不利于損傷的識別?；诨煦缦到y(tǒng)的初值敏感性及較強的噪聲免疫特性，通過數(shù)值模擬和實驗研究，驗證了杜芬混沌系統(tǒng)的相軌跡識別多裂紋管道超聲導波信號的有效性。給出了混沌系統(tǒng)相軌跡識別導波信號的原理，并結合超聲導波檢測，確定基于相軌跡識別的系統(tǒng)檢測參數(shù)。利用ANSYS有限元軟件和搭建的超聲導波實驗平臺分別進行數(shù)值模擬和實驗，獲得超聲導波在含有不同損傷大小的6 m長的雙裂紋管道中傳播的數(shù)值模擬信號和實驗信號，并在數(shù)值模擬信號中添加一定的高斯白噪聲，用以分析噪聲對混沌系統(tǒng)的影響。利用選取的杜芬混沌系統(tǒng)檢測數(shù)值模擬信號與實驗信號并進行對比驗證，最后根據(jù)二分法確定缺陷位置。檢測的相軌跡結果表明，該杜芬系統(tǒng)能夠有效地免疫噪聲并識別管道中的雙裂紋小缺陷，并且提高了超聲導波檢測的靈敏度。

超聲導波； 杜芬混沌系統(tǒng)； 雙裂紋； 相軌跡

近年來，管道在石油化工、能源等許多現(xiàn)代工業(yè)中起著十分重要的作用，已成為繼鐵路、公路、航空運輸、水運之后的第五大運輸工具。據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界現(xiàn)有的管道總長已達數(shù)百萬公里，承擔著大部分油氣水的運輸重任，被譽為城市的生命線。然而，管道系統(tǒng)在長期服役中，不可避免的會出現(xiàn)如裂紋、腐蝕等的損傷，若不能及時發(fā)現(xiàn)這些潛在的安全問題并加以修復，可能會導致極大的經(jīng)濟損失、生態(tài)破壞以及人員傷亡。因此，對管道進行無損檢測至關重要。超聲導波檢測技術是近年來興起的一種高效檢測技術，能夠很好地應用于管道損傷檢測中[1-4]。與傳統(tǒng)檢測技術相比，超聲導波檢測技術具有檢測方便、檢測速度快、單次檢測距離長、檢測范圍廣等優(yōu)點。

在實際檢測過程中，管道中可能存在多處損傷且損傷程度較低，由于導波經(jīng)過不同損傷位置時會發(fā)生模態(tài)轉換、回波信號混疊，同時受到導波頻散和衰減特性的影響，因此缺陷回波信號幅值較小且波形復雜，難以直接通過觀測識別出損傷的情況。為了提高超聲導波檢測技術的檢測精度以及檢測范圍，國內(nèi)外的研究人員多從超聲導波的傳播特性[5-6]、激發(fā)與接收導波的儀器[7-8]以及信號處理等三方面進行研究，而現(xiàn)時超聲導波信號的信號處理方法主要有快速傅里葉變換，短時傅里葉變換，小波變換等。如，Alleyne等[9]利用二維傅里葉變換對模擬的導波信號進行處理，能夠測得較遠距離Lamb波的幅值和相速度，但在特定情況下會出現(xiàn)假頻現(xiàn)象。宋振華等[10]利用小波變換成功識別了微弱且無法直接觀測的缺陷檢測信號，但小波變換中要選擇十分合適的母小波較為困難?；诨煦缯褡訉Τ跏紬l件的極端敏感性以及較強的噪聲免疫能力，混沌振子檢測方法成為弱信號檢測處理領域的一個新方向和研究熱點?；煦缯褡訖z測簡單正、余弦信號的有效性已被驗證[11-12]，但用于識別超聲導波信號的研究較少。張淑清等[13]通過杜芬振子對簡單的超聲信號進行識別，證明杜芬混沌振子在超聲導波信號識別的潛力。武靜等[14-15]利用杜芬檢測系統(tǒng)成功識別了管道中單個小裂紋的缺陷回波信號，提高了超聲導波檢測的靈敏度?；煦缦到y(tǒng)識別單裂紋研究的可行性研究已較為充分，但相對于實際的多裂紋管，由于信號中各種模態(tài)轉換的存在，混沌系統(tǒng)能否識別缺陷回波尚存在疑問。因此，本文在前人的基礎上，采用數(shù)值模擬和實驗研究相結合的方式，利用杜芬混沌系統(tǒng)識別雙裂紋小缺陷管道的超聲導波信號，實現(xiàn)管道多裂紋損傷檢測。

1 杜芬混沌系統(tǒng)

1.1 杜芬混沌系統(tǒng)相軌跡檢測原理

杜芬混沌檢測系統(tǒng)是根據(jù)改進型的杜芬方程建立的，改進型杜芬方程可描述[14]為

(1)

(2)

式(2)與(1)的本質(zhì)是相同的，待測信號的輸入會使得混沌系統(tǒng)的策動力幅值和相位發(fā)生改變。由于混沌系統(tǒng)對初始條件的極端敏感性，選擇合適的內(nèi)策動力幅值F，使得系統(tǒng)處于周期狀態(tài)向混沌狀態(tài)躍變的臨界狀態(tài)，當有同頻率的外界微弱信號輸入時，可視為改變了混沌檢測系統(tǒng)的外策動力F，從而使得混沌檢測系統(tǒng)的動力學行為發(fā)生顯著變化。此外，若輸入不同頻率的信號或輸入噪聲信號時，系統(tǒng)的動力學行為卻幾乎不會發(fā)生改變。

1.2 杜芬混沌系統(tǒng)的參數(shù)選擇

(3)

式中：n為周期數(shù)；fc為信號的中心頻率。由于杜芬系統(tǒng)對于頻率相差較大的信號具有免疫特點，內(nèi)策動力的頻率需要與導波信號頻率一致。因此：

70 kHz=0.07(1/μs)

(4)

ω=2π×0.07rad/μs=0.439 823 rad/μs

(5)

為了便于觀察，將處于大周期狀態(tài)向混沌狀態(tài)轉變的臨界狀態(tài)作為混沌檢測系統(tǒng)的初始狀態(tài)，參考文獻[14]選取混沌系統(tǒng)閾值的方式，分別計算不同策動力下有無導波信號輸入時杜芬混沌系統(tǒng)的最大Lyapunov指數(shù)并加以對比，發(fā)現(xiàn)時間步長為0.04 μs時，在F∈[0.269 5,0.281]范圍，輸入導波信號前后系統(tǒng)的最大Lyapunov指數(shù)乘積小于0，能夠?qū)崿F(xiàn)導波信號識別。Lyapunov指數(shù)是表示非線性系統(tǒng)在相空間中相鄰軌道隨著時間的推移收斂或發(fā)散的平均指數(shù)率。要想得到精確的Lyapunov指數(shù)收斂結果并用以判斷系統(tǒng)狀態(tài)，必須經(jīng)過足夠長時間的迭代，其計算量十分大且耗時較長，不利于實際檢測中的實時信號處理。為此，本文直接利用相軌跡作為描述系統(tǒng)狀態(tài)的指標，提高了識別效率，并在已得到的閾值范圍內(nèi)選擇一個能與相軌跡對應的F值作為系統(tǒng)的閾值。根據(jù)上述的閾值范圍，以F=0.269 5為起點，F(xiàn)=0.281為終點，以0.000 1為間隔逐漸增加策動力幅值，不斷計算在有無導波情況下不同策動力的系統(tǒng)相軌跡，以尋找最適合檢測導波信號的閾值。通過觀察，發(fā)現(xiàn)在F=0.280時，未加入導波信號時系統(tǒng)相軌跡為大周期狀態(tài)，而輸入導波信號時相軌跡為混沌狀態(tài)，相軌跡轉變十分明顯，并且能夠較好地與Lyapunov指數(shù)對應，因此本文選取F=0.280作為杜芬檢測系統(tǒng)的臨界閾值。下文將通過數(shù)值模擬與實驗研究的方式，利用該杜芬混沌系統(tǒng)，討論小缺陷多裂紋管道的導波信號識別問題。

(a) F=0

(b) F=0.150

(c) F=0.250

(d) F=0.280

2 數(shù)值模擬與實驗研究

2.1 數(shù)值模擬算例

利用ANSYS有限元軟件模擬超聲導波在鋼質(zhì)雙裂紋管道中的傳播。管道的有限元模型參數(shù)如下：管道總長6 m，直徑50.8 mm，壁厚1 mm，選用shell181單元進行有限元分析，傳播總時間t=2.5 ms，計算步長為0.04 μs，軸向單元長度為0.005 m。大量的實驗和Murigendrappa等[17]的研究證實，工業(yè)中管道

的損傷多為環(huán)向裂紋，因此設置本文的管道缺陷類型為環(huán)向裂紋。在數(shù)值計算中，通過設置缺陷處殼單元厚度的變化來模擬因損傷造成的徑向尺寸變化，損傷位置分別位于管道左端2 m和4 m處且尺寸相同，檢測信號由管道左端面激發(fā)，接受信號位置距管道左端50 mm，并通過平均信號減少彎曲波的影響。管道模型及缺陷截面形狀如圖2所示，并考慮表1所示的5種工況。

圖2 管道有限元模型和缺陷示意圖Fig.2 FE model of pipes and Schematic diagram of defects

圖3所示為上述5種工況的數(shù)值模擬超聲導波信號以及疊加了幅值為0.000 3的高斯白噪聲的模擬信號。從中可以發(fā)現(xiàn)，在噪聲的影響下，當缺陷的截面損失率到達12.6%以上時，才能較為明顯的直接觀測到兩個缺陷回波。而當缺陷較小時，缺陷回波的幅值比較小，并且兩個缺陷回波之間有其他類型的波形，如果考慮到實際檢測中的噪聲影響，缺陷回波很容易被噪聲信號所掩蓋，從而無法直接觀察到缺陷回波或只能觀察到其中一個缺陷回波，造成誤判或漏判的結果。

表1 缺陷設置Tab.1 Defects setting

截取圖3所示5種工況的疊加了高斯白噪聲的數(shù)值模擬信號，并將其輸入至上述選取的杜芬檢測系統(tǒng)中，通過觀察系統(tǒng)的相軌跡，判斷檢測信號中是否有缺陷回波。在本算例中，從圖3可以看出，缺陷回波信號主要為兩個裂紋的回波以及中間的模態(tài)轉換，比之單裂紋管道，回波信號更為復雜。由于L(0,2)模態(tài)導波傳播速度約為5 300 m/s，由于缺陷位于距離管道左端2 m和4 m處，缺陷回波的時間分別為

(6)

(7)

圖3 數(shù)值模擬信號

Fig.3 The simulation signals

式中:c為L(0,2)模態(tài)導波的波速;x1,x2為缺陷離管道左端面的距離。

根據(jù)上式計算得到的缺陷回波時間，選取歸一化回波信號中0.60 ms～0.95 ms，0.95 ms～1.35 ms，1.35 ms～1.7 ms這三個時間段的信號作為待測信號。將待測信號分別輸入杜芬檢測系統(tǒng)后，系統(tǒng)的相軌跡圖如圖4所示。

將工況一，即完好管道的3段待測信號分別輸入杜芬檢測系統(tǒng)后，如圖4(a)所示，檢測系統(tǒng)的相軌跡均處于大周期狀態(tài)，與圖1(d)所展示的沒有導波信號輸入時系統(tǒng)的相軌跡相同，說明了杜芬檢測系統(tǒng)具有較強的噪聲免疫能力。在管道存在兩個小裂紋缺陷情況下，如圖4(b)所示，由于兩個缺陷的截面損失率均只有6.3%，缺陷回波最大幅值僅為0.000 27，在噪聲的影響下無法直接通過觀測識別兩個損傷，當把第一個缺陷回波信號和第二個缺陷回波信號分別輸入杜芬混沌檢測系統(tǒng)后，系統(tǒng)相軌跡轉變混沌狀態(tài)；而把兩個缺陷回波信號中間模態(tài)轉換的信號輸入杜芬檢測系統(tǒng)，此時系統(tǒng)相軌跡仍為大周期狀態(tài)，并沒有改變，因此，通過觀察杜芬檢測系統(tǒng)的相軌跡變化，可成功識別兩個損傷。如圖4(c),(d)所示，隨著管道雙裂紋損傷處截面損失率的增大，系統(tǒng)相軌跡對缺陷信號以及模態(tài)轉換信號輸入的響應仍為混沌狀態(tài)和大周期狀態(tài)。數(shù)值模擬信號的識別結果有效地證明了混沌振子系統(tǒng)識別雙裂紋小缺陷管道的超聲導波信號方法的可行性。

(i) 0.60 ms～0.95 ms

(ii) 0.95 ms～1.35 ms

(iii) 1.35 ms～1.7 ms (a) 工況一

(i) 0.60 ms～0.95 ms

(iii) 1.35 ms～1.7 ms (b) 工況二

(i) 0.60 ms～0.95 ms

(ii) 0.95 ms～1.35 ms

(iii) 1.35 ms～1.7 ms (c) 工況三

(i) 0.60 ms～0.95 ms

(ii) 0.95 ms～1.35 ms

(iii) 1.35 ms～1.7 ms (d) 工況四

(i) 0.60 ms～0.95 ms

(ii) 0.95 ms～1.35 ms

(iii) 1.35 ms～1.7 ms (e) 工況五圖4 不同輸入信號的相軌跡Fig.4 The phase trajectory with different input signals

2.2 實驗研究

數(shù)值模擬算例從數(shù)值理論上說明了該方法的可行性，為了證明該方法能夠適用于實際檢測中，選用與數(shù)值算例尺寸相同的管道進行實驗研究。利用鋸弓在距離管道端面2 m和4 m處設置人工缺陷，雙裂紋缺陷大小相同，缺陷形狀如圖5所示。在上一小節(jié)的數(shù)值模擬中可以看出，當裂紋的截面損失率大于12.6%時，模擬信號中即可較為明顯地觀測到缺陷回波信號，對于信號處理的需要并不大，因此實驗中對于缺陷截面損失率超過12.6%的情況，研究意義并不大。同時為了驗證數(shù)值模擬得到結果，實驗中雙裂紋尺寸參考表1的前四種工況設置。

(a)2m處損傷(b)4m處損傷

圖5 管道中的人工缺陷

Fig.5 The artificial defects in pipes

實驗采用PZT5材料作為導波的激發(fā)和接收傳感器，按照管道截面尺寸加工壓電環(huán)，使得激發(fā)時產(chǎn)生對稱的L(0,2)模態(tài)導波；加工的壓電陶瓷片尺寸為15.4 mm×3.2 mm×0.9 mm，將一組16片均布管道一周的壓電片并聯(lián)作為接收傳感器，可有效的減少接收信號中的彎曲模態(tài)。實驗設備如圖6所示，波形信號發(fā)生器將編輯好的導波信號通過功率放大器放大后施加于管道端面的壓電環(huán)，利用逆壓電效應在管道中產(chǎn)生縱向超聲導波，最后通過壓電片接收信號，并利用示波器采集和保存信號，示波器的采集數(shù)據(jù)的時間步長為0.04 μs。

(a)管道試件、壓電傳感器(b)實驗儀器

圖6 實驗設備

Fig.6 Experimental equipment

(a) 工況一

(b) 工況二

(c) 工況三

(d) 工況四圖7 實驗信號Fig.7 The experimental signals

圖7為上述4種工況下接收到的實驗信號，從中可以看出，外界噪聲較小情況下，在缺陷較大的時候，可以直接從信號中觀察到缺陷回波，但中間存在一些由于模態(tài)轉換，給缺陷的識別帶來了干擾，如圖7(d)代表的工況四。圖7(b)、(c)、(d)中，對于雙裂紋小缺陷的管道，缺陷回波的幅值本就較小，兩個缺陷之間的回波會發(fā)生混疊以及相互影響，同時在檢測過程中受到噪聲影響，使得在采集信號時無法直接觀察到缺陷回波，容易造成誤檢或者漏檢。為了提高檢測的靈敏度和檢測范圍，使得檢測能夠更適應實際，分別截取入射波和端面回波之間0.60 ms～0.95 ms，0.95 ms～1.35 ms，1.35 ms～1.7 ms等三個時間段作為待測信號，輸入到杜芬檢測系統(tǒng)中，利用杜芬振子系統(tǒng)的初值敏感性和較強的噪聲免疫力，實現(xiàn)雙裂紋小缺陷管道的檢測。圖8為待測信號輸入杜芬檢測系統(tǒng)后系統(tǒng)的相軌跡。

如圖8(a)所示，將完好管道的3個待測時間段信號輸入杜芬檢測系統(tǒng)后，由于管道沒有損傷，3個待測時間段信號均為純噪聲信號，因此系統(tǒng)的相軌跡仍然為大周期狀態(tài)，與無信號輸入時相同，通過實驗說明杜芬檢測系統(tǒng)能夠較好的免疫噪聲。當管道存在雙裂紋缺陷時，分別將三個待測時間段的信號輸入后，其對應的杜芬檢測系統(tǒng)相軌跡如圖8(b)、(c)、(d)所示。從中可以發(fā)現(xiàn)含有缺陷回波信號的0.60 ms～0.95 ms以及1.35 ms～1.7 ms待測信號使得杜芬檢測系統(tǒng)的相軌跡從大周期狀態(tài)轉變?yōu)榛煦鐮顟B(tài)，而沒有缺陷回波信號的0.95 ms～1.35 ms待測信號沒有使得杜芬檢測系統(tǒng)的相軌跡發(fā)生改變，通過相軌跡圖的對比，成功識別出管道中雙裂紋小缺陷，證明了基于混沌振子系統(tǒng)的雙裂紋管道超聲導波檢測能夠適用于多缺陷管道損傷檢測中。此外，在本實驗中，當雙裂紋管道缺陷的截面損失率均大于12.6%，兩處裂紋的缺陷回波較為明顯，能夠直接通過示波器觀察到缺陷回波，而在小缺陷中，缺陷回波小且混亂，難以識別，但通過杜芬混沌振子檢測，能夠檢測到雙裂紋的截面損失率為6.3%的小缺陷，提高了多缺陷的檢測靈敏度。

(i) 0.60 ms～0.95 ms

(ii) 0.95 ms～1.35 ms

(iii) 1.35 ms～1.7 ms (a) 工況一

(i) 0.60 ms～0.95 ms

(ii) 0.95 ms～1.35 ms

(iii) 1.35 ms～1.7 ms (b) 工況二

(i) 0.60 ms～0.95 ms

(ii) 0.95 ms～1.35 ms

(iii) 1.35 ms～1.7 ms (c) 工況三

(i) 0.60 ms～0.95 ms

(ii) 0.95 ms～1.35 ms

(iii) 1.35 ms～1.7 ms (d) 工況四圖8 實驗信號的相軌跡圖Fig.8 The phase trajectory with the experimental signals

3 缺陷定位

上述的數(shù)值模擬和實驗研究證明了基于杜芬系統(tǒng)相軌跡能夠識別多裂紋管道中傳播的超聲導波信號，從而實現(xiàn)缺陷有無的判識，但在實際檢測中，定位導波對于定位結構的缺陷具有重要的意義。參考文獻[16]的研究證明了不同長度的導波信號均可以相軌跡發(fā)生改變，因此根據(jù)杜芬系統(tǒng)識別導波的特點，可以利用二分法對導波進行分解，逐步定位出導波的發(fā)生時刻。具體方法如下：

(1) 將信號歸一化，并從中選取待檢測信號。

(2) 利用二分法將待檢測信號分解為等長度的A信號與B信號。

(3) 將A、B信號分別輸入檢測系統(tǒng)中并同時觀察其相軌跡變化，若兩者中僅有一者的相軌跡發(fā)生變化，則取使相軌跡發(fā)生變化的信號繼續(xù)進行分解；若兩者同時發(fā)生變化，則同時對A、B信號進行二分，并繼續(xù)觀察分解后的信號對應的相軌跡。

(4) 重復以上步驟，對導致相軌跡發(fā)生顯著變化的信號逐級分解，直至獲得滿足缺陷定位精度的識別結果。

以數(shù)值模擬中工況一中未加噪聲的信號為例，其利用二分法分解過程中對應的相軌跡如圖9所示。取該信號中0.2 ms～1.9 ms部分為待檢測信號，將待檢測信號輸入該混沌檢測系統(tǒng)后，系統(tǒng)相軌跡由大周期狀態(tài)轉變?yōu)榛煦鐮顟B(tài)，說明該信號中存在缺陷回波；因此，對該檢測信號進行第一次二分，分為0.2 ms～1.05 ms與1.05 ms～1.9 ms兩段信號，分別將這兩段信號輸入杜芬檢測系統(tǒng)，可以看到，兩段信號對應的相軌跡都發(fā)生了變化，因此證明了這兩端信號中分別存在著缺陷回波。因此對這兩段信號分別進行二分，得到0.2 ms～0.625 ms、0.625 ms～1.05 ms、1.05 ms～1.475 ms、1.475 ms～1.9 ms四段信號，分別將這四段信號輸入混沌檢測系統(tǒng)，可以觀察到0.2 ms～0.625 ms和1.05 ms～1.475 ms這兩段信號對應的相軌跡仍為周期狀態(tài)，而0.625 ms～1.05 ms和1.475 ms～1.9 ms處信號對應的相軌跡轉為混沌狀態(tài)，因此0.675 ms～1.05 ms和1.475 ms～1.9 ms這兩段信號中存在缺陷回波，對應管道，即1.688 m～2.835 m和3.983 m～5.13 m這兩端間存在缺陷，驗證了2 m與4 m處的缺陷，實現(xiàn)了缺陷的簡單定位。若想得到滿足一定缺陷定位精度的識別結果，則需多次使用二分法分解信號。

(a) 待測信號及第一次二分處理的相軌跡

(b) 第二次二分處理的相軌跡圖9 二分法處理信號的相軌跡Fig.9 The phase trajectory by dichotomy

4 結 論

多裂紋管道超聲導波檢測中，回波信號的波形復雜且信號幅值較小，難以通過觀察直接判斷管道是否存在缺陷?；诨煦鐧z測系統(tǒng)的初值敏感性以及噪聲免疫特性，本文提出了基于混沌系統(tǒng)相軌跡的多裂紋管道超聲導波信號識別方法。結合實際超聲導波檢測頻率以及示波器采樣頻率，設置了該混沌檢測系統(tǒng)的驅(qū)動力頻率以及時間步步長，并通過對比有無導波信號輸入時系統(tǒng)相軌跡對不同策動力幅值的響應，得到了適合檢測多裂紋管道超聲導波信號的閾值。通過數(shù)值模擬與實驗研究，利用該杜芬檢測系統(tǒng)對多裂紋管道中傳播的超聲導波信號進行識別，從而實現(xiàn)損傷檢測，并得到以下結論：

(1) 識別結果表明了該杜芬檢測系統(tǒng)具有較強的噪聲免疫能力，能夠很好地應用在強噪聲的檢測環(huán)境中。

(2) 在上述數(shù)值模擬和實驗中，當損傷處截面損失率低于12.6%時，難以直接通過觀察識別，但該杜芬檢測系統(tǒng)最低能識別到截面損失率為6.3%的損傷。

(3) 該杜芬檢測系統(tǒng)能夠很好地識別雙裂紋管道的導波信號，并且不受到兩個缺陷回波間模態(tài)轉換的影響，通過二分法對缺陷回波時刻進行確定，從而實現(xiàn)損傷的簡單定位。

綜上所示，該識別方法通過識別缺陷回波信號定性地判斷管道有無損傷以及損傷個數(shù)和損傷定位，實現(xiàn)了管道多裂紋的識別，并提高了超聲導波檢測識別小損傷的精度，同時能夠有效的免疫噪聲，實現(xiàn)高噪環(huán)境下的損傷識別，具有實際的工程應用價值。

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Multi-crackdetectioninpipesusingultrasonicguidedwavebasedonphasetrajectories

WEN Yuli1,2， WU Jing1， LIN Rong1， MA Hongwei1,2,3

(1. Department of Civil Engineering, Dongguan University of Technology, Dongguan 523808, China;2. College of Science and Engineering, Jinan University, Guangzhou 510632, China;3. School of Civil Engineering, Qinghai University, Xining 810016, China)

In multi-crack detection of ultrasonic guided wave, defects are not easy to recognize because the amplitudes of defect echoes are small and the waveforms are complex. Here, an approach for detection of steel pipes was proposed based on phase trajectories of a Duffing chaotic system. Firstly, the principle of using a chaotic system’s phase trajectories to recognize ultrasonic guided wave signals was introduced, the parameters of the chaotic system were determined based on phase trajectories recognition combined with ultrasonic guided wave detection. Then, guided waves propagating in pipes were simulated via ANSYS, and the white Gaussian noises were added into the simulated signals to simulate the environmental noise. The test signals were obtained from a six-meter long steel pipe with different sizes of two-crack in it. The simulated and test guided wave signals were detected, respectively with the chosen Duffing chaotic system, they were compared. Finally, the defects’ position was determined with the dichotomy method. The detected phase trajectories results showed that the proposed approach can be applied to effectively recognize defects of two-crack in pipes, and it improves the sensitivity of ultrasonic guided wave detection.

ultrasonic guided wave； Duffing chaotic system； double defects； phase trajectory

國家自然科學基金(11472146)；國家自然科學青年基金(11402098)

2016-06-15 修改稿收到日期：2016-09-25

溫宇立 男，碩士生，1992年生

馬宏偉 男，博士，教授，1966年生

TG115.28

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.23.017