(廣西電力有限責任公司 科學研究院，南寧 530012)

近年來，超聲導波檢測技術快速發(fā)展，特別是在板狀和管狀等波導結構中的應用日趨成熟[1-2]，相比傳統(tǒng)的超聲波檢測法，超聲導波對結構表面或內(nèi)部的裂紋等缺陷進行大面積長距離的檢測具有很大優(yōu)勢。

戴翔等[3]通過計算不同激勵角度下的厚壁管道周向導波傳播特性，優(yōu)化了探頭的入射角度，研究了周向導波與厚壁管道壁厚方向不同位置缺陷的相互作用，發(fā)現(xiàn)不同激勵角度對壁厚方向不同位置缺陷的檢測靈敏度不同，當入射角度為45°時，整個壁厚范圍上的缺陷都能夠被檢測。HAYASHI等[4]開發(fā)了一種用于彎管結構的半解析有限元法，并通過數(shù)值模擬得到彎管結構導波的傳播特性，計算了經(jīng)過4個彎管區(qū)域后的導波回波信號，得到導波在彎管區(qū)域會發(fā)生模態(tài)轉換的結論。張旭等[5]計算了鋁環(huán)在2.5 MHz中心頻率時最低階模態(tài)的頻散特性，并利用該模態(tài)對鋁環(huán)進行檢測，發(fā)現(xiàn)導波在鋁^環(huán)內(nèi)壁缺陷處會發(fā)生模態(tài)轉換。吳斌等[6]通過對比不同入射角的斜探頭組合，優(yōu)化選取信噪比較好的斜探頭在厚壁管道中激勵出C-Lamb3模態(tài)導波對缺陷進行了檢測，并證明了周向導波的指向性。YU等[7]基于線性三維彈性理論，采用正交多項式級數(shù)展開法確定均勻各向異性球形曲面板中的導波頻散特性和位移分布，計算了不同曲率半徑下正交各向異性球面曲線板的導波頻散曲線，討論了曲率半徑對波傳播特性的影響。王國峰等[8]提出基于橢圓法的圓管損傷定位，并通過在圓管上引入切槽損傷、孔損傷進行驗證，對損傷大小、位置對定位誤差的影響進行了分析。勵爭等[9]將連續(xù)小波變換應用到周向導波檢測技術中，提出了一種以沖擊載荷作為導波激勵源，且適于薄壁管道內(nèi)部徑向裂紋檢測的導波檢測方法，該方法可定量地檢測出圓環(huán)內(nèi)部徑向裂紋的位置，并進一步判斷裂紋的損傷程度。

以上的研究都是以固定曲率的管狀或者球狀波導結構為研究對象，對于蝸卷彈簧等變曲率彎板結構的導波檢測研究很少有報道。蝸卷彈簧各圈曲率變化不大，且軸向距離很短，因此對于此類構件的周向導波檢測，不僅可以實現(xiàn)軸向和徑向缺陷的檢測，而且耗時少，只需移動傳感器進行軸向掃查便可獲取蝸卷彈簧整個厚度上的缺陷信息，實現(xiàn)對缺陷的快速檢測和定位。因此，筆者把要檢測的蝸卷彈簧外圈近似為固定曲率的空心圓柱體結構，通過數(shù)值求解該空心圓柱體的周向導波群速度頻散曲線，來表征蝸卷彈簧外圈周向導波的傳播特性，并由周向導波頻率和入射角之間的關系選擇探頭的中心頻率和入射角，搭建周向導波試驗系統(tǒng)，對彈簧缺陷區(qū)域和非缺陷區(qū)域進行檢測，通過端面回波分析計算導波群速度，驗證是否激勵了特定的周向導波模態(tài)，根據(jù)缺陷回波以及聲程計算缺陷的位置，實現(xiàn)缺陷的定位。

1 蝸卷彈簧周向導波檢測原理

以蝸卷彈簧實際使用中最易產(chǎn)生缺陷的最外圈為研究對象，研究周向導波在蝸卷彈簧最外圈的傳播特性，建立與其曲率近似的內(nèi)外表面均為自由表面的空心圓柱體結構，基本參數(shù)如表1所示。利用彈性力學知識以及邊界條件推導,能得到該空心圓柱體周向導波頻散方程，推導過程可參照文獻[10-12]。通過對頻散方程進行數(shù)值求解可得到蝸卷彈簧周向導波群速度頻散曲線(見圖1)。從圖1可以看出，在頻率為01.5 MHz范圍內(nèi)存在10個導波模態(tài)，且每個頻率下至少存在兩個導波模態(tài)，在不同頻率下各模態(tài)頻散程度不同。如何選取合適單一的導波模態(tài)對卷簧進行檢測是一個關鍵的問題。由Snell定律，楔塊材料縱波波速為2 337 m·s-1，可計算出周向導波頻率和探頭入射角以及導波模態(tài)的關系(見圖2)。由圖2可以看出,在特定頻率和探頭入射角度下，可以激勵出單一的周向導波模態(tài)。由于低階模態(tài)的導波在材料中的衰減小，且模態(tài)結構簡單，導波檢測中多采用低階導波模態(tài)進行檢測。由圖2可知，選擇的楔塊角度過小會導致激發(fā)的模態(tài)較多，從而影響檢測分辨率，因此應選擇較大的角度入射才能激勵出較為單一的導波模態(tài)。根據(jù)蝸卷彈簧導波檢測的實際情況，采用中心頻率為1 MHz的導波傳感器以及52°楔塊的組合探頭在蝸卷彈簧中激勵1模態(tài)的周向導波進行檢測。

表1 空心圓柱體結構基本參數(shù)

圖1 蝸卷彈簧周向導波群速度頻散曲線

圖2 導波頻率和探頭入射角的關系

圖3 周向導波檢測試驗系統(tǒng)示意

2 蝸卷彈簧周向導波檢測

試驗裝置主要由RAM-5000-SNAP系統(tǒng)、示波器、計算機、匹配電阻和1個導波探頭等組成(見圖3)。RAM-5000-SNAP系統(tǒng)作為信號發(fā)生和接收器，可通過計算機調節(jié)其激勵信號寬度和增益，利用示波器觀察發(fā)射和接收的時域波形。為了降低周向導波的頻散，使得接收波形易于分析，激勵信號應盡量選擇窄帶信號，試驗采用10個周期的正弦信號作為激勵信號，且利用一個導波探頭自激勵自接收的方式進行檢測，目的是為了減小由于兩個探頭接收帶來的系統(tǒng)誤差，降低耦合程度不一或對探頭施壓不同等因素對回波幅值的影響。蝸卷彈簧外圈展開及傳感器分布示意如圖4所示，蝸卷彈簧外圈長為855 mm，寬為120 mm，厚為11.5 mm。在蝸卷彈簧外表面，距離周向右端面315 mm和515 mm處分別有兩個軸向長為3 mm，寬為1 mm，深為0.5 mm的預置缺陷，兩個缺陷距離蝸卷彈簧同一橫截面的距離都為45 mm。采用選定的組合探頭，通過改變探頭前端與缺陷的距離,以及探頭前端與端面的距離來對缺陷回波進行分析，探頭尺寸(長×寬)為35 mm×25 mm。探頭分3個區(qū)域進行檢測，分別為無缺陷區(qū)域、1個缺陷區(qū)域和2個缺陷區(qū)域。在無缺陷區(qū)域,將探頭布置在距離下截面25 mm，周向距離分別在400 mm以及700 mm處;在1個缺陷區(qū)域，將探頭布置在距離上截面30 mm，周向距離分別在400 mm和500 mm處;在2個缺陷區(qū)域，將探頭布置在距離上截面30 mm，周向距離在200 mm和300 mm處。

圖4 蝸卷彈簧外圈展開及傳感器分布示意

圖5 無缺陷區(qū)域的檢測結果

對無缺陷區(qū)域的端面回波進行研究，探頭前端距離端面分別為455 mm和155 mm時接收到的回波波形分別如圖5所示。圖5(a)中端面回波時間為0.336 2 ms，圖5(b)中端面回波時間為0.134 4 ms，兩種情況下探頭和端面的距離差為300 mm，由此可以計算激勵的周向導波群速度為2 973 m·s-1，與第1導波模態(tài)理論值2 998 m·s-1的相對誤差為1%，說明通過選定的頻率和入射角可激勵出需要的1模態(tài)導波，且該模態(tài)經(jīng)過端面反射后回波模態(tài)不變。由上述數(shù)據(jù)還可以計算出導波在探頭中的傳播時間為0.015 ms。

對有1個缺陷的區(qū)域進行回波分析，探頭前端距離缺陷分別為140 mm和40 mm，距離端面分別為455 mm和355 mm，接收到的波形分別如圖6所示。圖6(a)中缺陷回波時間為0.12 ms，端面回波時間為0.337 ms；圖6(b)中缺陷回波時間為0.052 6 ms，端面回波時間為0.27 ms，再由兩種情況下,探頭前端和缺陷的距離差為100 mm，可計算出缺陷回波群速度為2 967 m·s-1，探頭和端面距離差為100 mm，可計算出端面回波群速度為2 985 m·s-1，與理論值相符。說明在經(jīng)過缺陷和端面反射后，導波模態(tài)沒有發(fā)生模態(tài)轉換，可通過該模態(tài)群速度、回波時間以及探頭傳播時間計算缺陷距楔塊前端的距離，實現(xiàn)缺陷的定位。

圖6 1個缺陷區(qū)域的檢測結果

圖7 2個缺陷區(qū)域的檢測結果

對有兩個缺陷區(qū)域的回波進行分析，探頭前端距離第一個缺陷分別為140 mm和40 mm，距離第二個缺陷分別為340 mm和240 mm，距離端面分別為655 mm和555 mm，接收到的波形如圖7所示。圖7(a)中第一個缺陷回波時間為0.116 7 ms，第二個缺陷回波時間為0.05 ms，端面回波時間為0.463 2 ms；圖7(b)中第一個缺陷回波時間為0.05 ms，第二個缺陷回波時間為0.186 7 ms，端面回波時間為0.396 ms，由兩種情況下探頭和第一、第二個缺陷距離差,以及和端面距離差均為100 mm，可計算出第一個缺陷回波群速度為2 998 m·s-1，第二個缺陷回波群速度為2 981 m·s-1，端面回波群速度為2 976 m·s-1，與理論值2 998 m·s-1都很接近，說明周向導波在經(jīng)過第一和第二個缺陷以及端面后都未發(fā)生模態(tài)轉換，再次說明了利用激勵模態(tài)的群速度計算缺陷位置的可行性。對比圖5(a)，6(a)，7(a)還可以發(fā)現(xiàn)，距離端面越遠，導波回波幅值越小，能量衰減越大。當探頭和端面間無缺陷時，無法檢測到缺陷回波，在探頭覆蓋缺陷時，缺陷回波很明顯，說明周向導波有很強的指向性，因此應按照嚴格的軸向步長進行周向導波檢測，避免發(fā)生漏檢。

3 結語

通過數(shù)值求解了蝸卷彈簧外圈群速度頻散曲線，選擇能激勵特定導波模態(tài)的探頭，利用周向導波對蝸卷彈簧外圈進行了缺陷檢測。通過對回波的計算分析，驗證了1 MHz頻率的傳感器以及52°楔塊的組合探頭能夠激勵出1模態(tài)的周向導波。并且在檢測區(qū)域含有多個缺陷的情況下，缺陷回波都不會發(fā)生模態(tài)轉換，由此可通過激勵模態(tài)的群速度、回波時間以及探頭傳播時間計算缺陷距楔塊前端的距離，實現(xiàn)缺陷的定位。最后驗證了周向導波的指向性，為工程實際檢測做指導。

致謝計算分析得到了廣西大學機械學院的覃小倩、黃應翔和唐偉力等的熱情幫助，在此表示由衷感謝。