趙滿全，栗霞飛，劉飛，劉曉東，杜蘭

管道中T(0,1)模態(tài)導(dǎo)波檢測技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀

趙滿全，栗霞飛，劉飛，劉曉東，杜蘭

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010018)

超聲導(dǎo)波具有檢測速度快、檢測范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各類缺陷的檢測。而扭轉(zhuǎn)模態(tài)作為超聲導(dǎo)波的一種對稱模態(tài)，具有頻散小、能量集中、信號單一且易于分析的特點(diǎn)。綜述了近年來扭轉(zhuǎn)模態(tài)的發(fā)展歷程，從T(0,1)扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波的傳播與檢測原理入手，對比各類激勵探頭的激勵原理與效果，并對其進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)分析。通過分析導(dǎo)波模態(tài)的選取原則和導(dǎo)波在單層管道、雙層管道和充液管道中傳播的性質(zhì)，總結(jié)激勵頻率、液體粘度、液體密度等因素對扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波在管道中傳播的影響，進(jìn)而明確扭轉(zhuǎn)模態(tài)的適用范圍及適用的信號處理方法，對于今后扭轉(zhuǎn)模態(tài)的發(fā)展具有借鑒意義。

超聲導(dǎo)波；T(0,1)；模態(tài)；激勵信號

0 引言

由于管道在各行各業(yè)中被廣泛使用，使得管道的檢測成為學(xué)者們最關(guān)心的問題，由于管道傳輸?shù)氖歉g性液體且被長期埋藏于地下，使得管道的使用壽命在逐漸減小[1]。目前多數(shù)管道的檢測采用逐點(diǎn)掃描的方法，如渦流法、常規(guī)超聲法和射線檢測法等，這些方法效率低，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜部位的檢測[2]。超聲導(dǎo)波是一種廣泛使用的損傷檢測工具[3]。導(dǎo)波在傳播過程中衰減小，可以傳播幾十米遠(yuǎn)，具有檢測范圍廣、傳播速度快等優(yōu)點(diǎn)[4-5]。管道中導(dǎo)波的傳播方式主要有縱向模態(tài)、扭轉(zhuǎn)模態(tài)和彎曲模態(tài)?？v向模態(tài)對管道的周向缺陷敏感，適用于周向裂紋的檢測，但是對縱向裂紋不敏感。扭轉(zhuǎn)模態(tài)的導(dǎo)波恰好彌補(bǔ)了這種缺點(diǎn)[6]。

帝國理工大學(xué)的ALLEYNE等[7]、WILCOX等[8]、LOWE等[9]利用脈沖回波法對長距離管道進(jìn)行快速檢測。DEMMA等[10]研究了單層管中T(0,1)模態(tài)對周向缺陷的敏感性。從明等[11]采用轉(zhuǎn)角加載和扭矩加載的方式成功激勵出扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波模態(tài)，并提高了缺陷定位的精度，得出了T(0,1)扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波在彎管中的衰減更大這一結(jié)果。南安普敦大學(xué)的ZEGHARI等[12]研究了扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波檢測小直徑埋地管缺陷的頻散特性，發(fā)現(xiàn)模態(tài)轉(zhuǎn)換會引起高頻傳播中的混響水平，而且還與換能器的數(shù)量有關(guān)。

馬書義等[13]利用新研制的傳感器陣列研究了扭轉(zhuǎn)模態(tài)在小口徑管中傳播的性質(zhì)，并能夠有效識別缺陷，劉增華等[14]利用小組研制的厚度切變型壓電陶瓷成功激勵出了T(0,1)模態(tài)扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波。諾丁漢大學(xué)的AMIR等[15]探討了使用方波脈沖串作為粘度傳感器來驅(qū)動信號源，并提出了一種全自動模擬方波前端的設(shè)計(jì)，為導(dǎo)波傳感器的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)，并啟發(fā)了在這種應(yīng)用中利用方波序列的編碼激勵技術(shù)的可能性。

在工業(yè)管道較舊的區(qū)域存在具有高斯厚度分布的腐蝕區(qū)域，導(dǎo)致在檢測過程中形成背景噪聲，DOBSON等[16]利用有限元方法模擬了扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波在粗糙管道中的傳播效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)能量散射的模式接近于截止頻率時，模態(tài)轉(zhuǎn)換達(dá)到最大，且模態(tài)轉(zhuǎn)換隨表面粗糙度的增加而增多，在較大直徑管道會發(fā)生更多的模態(tài)轉(zhuǎn)換。KWUN等[17]研究了涂層管道中扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波的衰減情況，發(fā)現(xiàn)涂層管道的衰減系數(shù)比裸管中的衰減系數(shù)大一個數(shù)量級，并且隨著頻率近似線性增加。土層覆蓋深度也會影響衰減量。

大多數(shù)國內(nèi)外學(xué)者從扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波傳播的機(jī)理、影響因素及其在各種介質(zhì)中傳播的性質(zhì)方面來研究[18]。由于導(dǎo)波具有多模態(tài)和頻散的性質(zhì)，激勵頻率越高，頻散現(xiàn)象就越嚴(yán)重，所以為了得到單一的扭轉(zhuǎn)模態(tài)，抑制其他干擾模態(tài)的產(chǎn)生就成了研究的重點(diǎn)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波將逐漸朝著實(shí)用方向發(fā)展[19-20]。

1 扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波檢測原理

1.1 檢測原理

圖1為檢測實(shí)驗(yàn)原理圖。實(shí)驗(yàn)材料裝置包括帶有缺陷(周向缺陷、軸向缺陷、焊縫和彎管內(nèi)、外側(cè)缺陷)的管道、計(jì)算機(jī)、數(shù)字示波器、任意波形發(fā)生器、功率放大器和轉(zhuǎn)換開關(guān)[21-23]。大多數(shù)學(xué)者采用的都是這種同端接收、同端發(fā)射的裝置，也有一些學(xué)者采用異端接收，但最終的目的還是一致的。

1.2 波動原理

圖1 檢測原理圖

圖2 雙層管結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)波在任意單層管中傳播時，無論該層為何種介質(zhì)，均滿足Navier 位移運(yùn)動方程[24]，即

2 扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波研究進(jìn)展

2.1 激勵方法的選取

縱觀近10年的研究工作可以發(fā)現(xiàn)，扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波的激勵，基本都是通過研制相應(yīng)的傳感器來實(shí)現(xiàn)的?？梢詫?shí)現(xiàn)該模態(tài)激勵的傳感器種類主要有壓電式、電磁式和磁致伸縮式[24]。其中電磁式傳感器主要有兩種類型，分別是洛倫茲力式和磁致伸縮式[25]。

2.1.1 壓電式傳感器

壓電式傳感器的工作原理是壓電效應(yīng)，具有體積小、重量輕及靈敏度高的特點(diǎn)，壓電式傳感器與被測件需要進(jìn)行液體耦合或者干耦合(不需要耦合劑)[26]。常用的具有壓電效應(yīng)的傳感器是壓電陶瓷(多晶體)和壓電片。壓電傳感器能經(jīng)受的檢測溫度基本在125℃～160℃范圍內(nèi)。馬書義等[27]通過將壓電片(厚度剪切型壓電陶瓷晶片)進(jìn)行環(huán)向布置來激勵T(0,1)模態(tài)導(dǎo)波，環(huán)向均勻布置可以抑制彎曲模態(tài)等其他不對稱模態(tài)的產(chǎn)生，布置方式為：長度方向沿管線周向方向，振動方向布置為沿管線切向方向。如圖3所示[28]，傳感器陣列所使用的壓電片數(shù)量要大于導(dǎo)波激勵頻率處所出現(xiàn)的F(,)模態(tài)最高階數(shù)。

圖3 傳感器陣列圖

利用此傳感器不僅可以檢測出管道中存在的缺陷，還可以探測到管道支撐部位的回波信號，結(jié)合其他信號可以有效辨識支撐部位缺陷的情況[28]。劉增華等[29]為了激勵T(0,1)模態(tài)，選用了厚度切變型壓電陶瓷傳感器作為導(dǎo)波激勵、接收的探頭。如圖4所示，為了使探頭更好地與管道耦合，將探頭一端加工成弧面，弧面半徑大小等于管道半徑[30]。各壓電片布置成環(huán)狀，壓電陶瓷環(huán)在信號的激勵下，在厚度方向產(chǎn)生切變振動，在管壁產(chǎn)生剪切力，從而可以激勵、接收T(0,1)模態(tài)。何存富等[31]利用厚度剪切壓電陶瓷片研究了內(nèi)層為液體、管道和桿等三種不同的雙層管中激勵扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果吻合，證明了厚度剪切壓電陶瓷片的有效性。

圖4 厚度切變型壓電陶瓷片

2.1.2 電磁式傳感器

采用電磁式傳感器不僅可以激勵導(dǎo)波信號，還能接收導(dǎo)波信號。整個過程基于兩個物理量：洛倫茲力和磁致伸縮力[32]。電磁式傳感器通過電磁耦合的方式在管道內(nèi)部激發(fā)、接收導(dǎo)波信號。因此省去了耦合劑，也省去了試件預(yù)處理的過程。激勵原理如圖5所示[33]，線圈放置在磁鐵和待測板之間，在板上會產(chǎn)生與導(dǎo)線中電流方向相反的感應(yīng)電流，感應(yīng)電流在磁鐵提供的靜磁場作用下，會產(chǎn)生洛倫茲力，由于洛倫茲力的交替作用，使得板內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)振動，從而產(chǎn)生SH波。質(zhì)點(diǎn)振動引起磁場變化，從而使線圈兩端的電壓發(fā)生變化。磁致伸縮傳感器結(jié)構(gòu)的形式也是由線圈和磁場組成，不同的是磁鐵分布于回折線圈的兩邊，永磁鐵提供的靜態(tài)偏置磁場方向與鐵磁性材料上的感應(yīng)電流方向平行，因此不會產(chǎn)生洛倫茲力。鐵磁性材料的機(jī)械變形會使磁場發(fā)生變化，從而使線圈中的電流發(fā)生變化。利用鐵磁性材料的力-磁換能效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波的激勵與接收，增加線圈的匝數(shù)可以增加磁場的強(qiáng)度，如圖6所示[34]。RIBICHINI[35]通過試驗(yàn)和仿真，洛倫茲力傳感器比磁致伸縮的信號幅值高，而且對材料特性不敏感，適合用來研制激勵T(0,1)模態(tài)的傳感器。

(a) 激勵 (b) 激勵SH波原理(俯視圖)

(a) 激勵 (b) 激勵SH波原理(俯視圖)

KWUN等[36]研制了磁致伸縮傳感器，并在鋼管中激勵扭轉(zhuǎn)模態(tài)；龍盛蓉利用有限元軟件對磁致伸縮傳感器進(jìn)行了仿真；李志農(nóng)等[37]用通電的線圈纏繞在管壁上激勵動態(tài)磁場來產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)模態(tài)，為了驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性，搭建了實(shí)驗(yàn)臺，利用功率放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、信號發(fā)生器對激勵的信號進(jìn)行檢測與轉(zhuǎn)換。磁致伸縮效應(yīng)不僅針對鐵磁性材料，而且對非鐵磁性材料，如不銹鋼等也有作用。朱龍翔等[38]研究了磁致伸縮效應(yīng)對不銹鋼缺陷的檢測能力，將傳感器固定在鐵鈷條帶，將鐵鈷條帶與軸線成45°方向纏繞在管道上，由于條帶的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于不銹鋼管道的磁導(dǎo)率，因此管道內(nèi)磁場方向沿著條帶方向，進(jìn)而在管道中激勵出扭轉(zhuǎn)模態(tài)，研究表明磁致伸縮傳感器可以檢測出不銹鋼管道存在的缺陷。朱龍翔等[38]利用ANSYS有限元軟件對管道周圍的節(jié)點(diǎn)施加沿和方向的位移，和位移便是沿管道切向。

2.2 模態(tài)的選取

超聲導(dǎo)波在管道中傳播時，會產(chǎn)生三種模態(tài)：縱向模態(tài)、扭轉(zhuǎn)模態(tài)和彎曲模態(tài)?？v向模態(tài)和扭轉(zhuǎn)模態(tài)為對稱性模態(tài)，彎曲模態(tài)為非對稱性模態(tài)。由于超聲導(dǎo)波具有頻散和多模態(tài)的特性，所以選擇一個非頻散、易激發(fā)的模態(tài)至關(guān)重要[39]。圖7為導(dǎo)波在外徑為60 mm，壁厚為3.5 mm的管道中傳播的頻散曲線，圖8為扭轉(zhuǎn)模態(tài)的頻散曲線圖[29]。由圖8可以看出，頻散曲線圖中存在低階、高階各種模態(tài)，只有T(0, 1)模態(tài)至始至終都是一個速度，沒有截止頻率，沒有發(fā)生頻散現(xiàn)象。而且T(0, 1)的非頻散性質(zhì)使得其具有較寬的檢測頻率范圍，具有傳播距離遠(yuǎn)且不變形的特點(diǎn)。在低頻下激勵T(0, 1)扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波時，只有T(0, 1)模態(tài)存在，信號集中性強(qiáng)，便于采集、處理信號。ROSE[40]研究了扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波在充水和未充水管道中的傳播特性，研究結(jié)果表明，扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波在兩種管道中的頻散曲線一致；又研究了導(dǎo)波在水和其他粘性液體中的傳播特性，結(jié)果依然一致，說明粘性液體對扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波的頻散、多模態(tài)特性沒有影響。實(shí)驗(yàn)時模態(tài)的選取非常重要，不僅要考慮頻散性，還要考慮其對研究的響應(yīng)程度，頻散小、響應(yīng)程度高的模態(tài)，才能被用來實(shí)驗(yàn)研究。

圖7 管道中不同導(dǎo)波模態(tài)的頻散曲線

圖8 扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻散曲線[29]

2.3 傳播特性研究

劉增華等[29]研究了T(0,1)扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波在雙層管中的傳播特性，實(shí)驗(yàn)采用的雙層管分別為：內(nèi)層為管道、內(nèi)層為桿和內(nèi)層為液體。理論分析得到，通過改變雙層管中頻散方程的系數(shù)來獲得這三種頻散方程，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在內(nèi)層為管道和桿(粘性液體)的情況下，T(0, 1)模態(tài)的頻散曲線有衰減的可能，當(dāng)管道充水時，波形沒有明顯變化，說明水等其他非粘性液體時T(0, 1)扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波的傳播特性沒有影響。何文等[46]研究了扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波在自由錨桿和錨固錨桿中的傳播性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)波在自由錨桿和錨固錨桿中的衰減值都呈線性遞增，而且導(dǎo)波在錨固錨桿中傳播時，相比自由錨桿時的衰減幅值大，而且反射回波較弱。衡量導(dǎo)波檢測有效性的標(biāo)準(zhǔn)是透過率，即經(jīng)過缺陷后信號的峰峰值與經(jīng)過缺陷前信號峰峰值之比。李陽等[47]通過模擬與實(shí)驗(yàn)研究了激勵頻率、彎管角度和管道彎曲半徑對導(dǎo)波透過率的影響，研究表明當(dāng)激勵頻率較高時，導(dǎo)波脈沖變窄，所形成的干涉效果較弱，使得透過率較強(qiáng)。彎管對應(yīng)不同的角度具有不同的透過率，不同的彎曲角度都會或多或少發(fā)生相減干涉，但每個彎曲角度對應(yīng)的頻散曲線都有波谷。孔維梁等[48]研究了液體的粘性和密度對管道中T(0,1)模態(tài)傳播性質(zhì)的影響，并論證了液體的層流假設(shè)，得出扭轉(zhuǎn)模態(tài)的衰減與剪切力有關(guān)系：頻率越高，剪切力越大，則衰減也越大。液體的粘性主要影響導(dǎo)波的衰減，粘性越大，吸收的能量越多，導(dǎo)波的衰減也越大。液體密度的平方與衰減值成正比，近似于拋物線。李光海等[49]對比了L(0,2)和T(0,1)模態(tài)在管道中的傳播特性。研究結(jié)果表明，T(0,1)模態(tài)有著非頻散性和衰減小的特點(diǎn)。他還研究了缺陷周向、軸向長度對反射系數(shù)的影響，且與缺陷是否貫穿壁厚有關(guān)系，發(fā)現(xiàn)周向、軸向長度與反射系數(shù)成線性關(guān)系，當(dāng)軸向長度的缺陷貫穿管壁時，對反射系數(shù)的影響較大。上述學(xué)者分別從各個角度研究了扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波傳播的特性，找到了一些影響導(dǎo)波傳播的規(guī)律，從當(dāng)初的仿真到今天的實(shí)驗(yàn)研究，扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波從實(shí)驗(yàn)室逐漸走向工業(yè)化，為未來的工業(yè)化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

3 導(dǎo)波檢測技術(shù)的發(fā)展

對于圓管的T(0,1)模態(tài)導(dǎo)波檢測技術(shù)而言，近些年在理論和實(shí)驗(yàn)上也有很大的進(jìn)展。

3.1 理論進(jìn)展

MUGGLETON等[50]研究了埋地管道中扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波的運(yùn)動，為了導(dǎo)出頻散關(guān)系，提出了一種無限范圍的周圍介質(zhì)假設(shè)，利用低頻和高頻可以深入了解管道內(nèi)的物理機(jī)制，并推導(dǎo)出管壁內(nèi)扭轉(zhuǎn)波運(yùn)動直接引起的地標(biāo)位移表達(dá)式。在埋地管道中傳播的扭轉(zhuǎn)波以橫波的形式輻射到周圍土壤中，這種橫波可以在地面上探測到，可應(yīng)用于管道損傷和管道斷裂的遠(yuǎn)程檢測。埋地結(jié)構(gòu)缺陷頻散的理論分析是一個具有挑戰(zhàn)性的問題，需要特定的計(jì)算方法才能給出有效且易于處理的解決方案。DUAN[50]提出了一種適用于埋地管道彈性波頻散分析的數(shù)值模型，建立了一個僅受扭轉(zhuǎn)模態(tài)激勵的軸對稱缺陷模型，提出了一種基于安全的混合方法在均勻埋深剖面上求取特征值的方法，并將其耦和到了非均勻截面的有限元離散元中。導(dǎo)波管道檢測是檢測管道腐蝕缺陷的一種行之有效的方法，當(dāng)該方法應(yīng)用于埋在土壤中的管道時，由于能量輻射到土壤中而引起波衰減，試驗(yàn)往往會受到影響。對于沙質(zhì)土壤中埋地管道的缺陷檢測，LEINOV等[51]研制了一套埋管全尺寸試驗(yàn)裝置，對埋于細(xì)砂中的管道中導(dǎo)波的傳播和衰減特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)沙體的壓實(shí)程度越大，則衰減越大。從而可以對埋地管道中導(dǎo)波的衰減進(jìn)行模型預(yù)測。對于今后的工作應(yīng)該進(jìn)一步研究用機(jī)械壓實(shí)器壓實(shí)沙體對壓實(shí)效果的影響。除此之外，還應(yīng)研究沙體含水飽和度、土壤類型和管道涂層對導(dǎo)波在管道中傳播特性的影響。

3.2 實(shí)驗(yàn)進(jìn)展

在實(shí)驗(yàn)方面，陣列換能器激發(fā)接收技術(shù)也有新的進(jìn)展。圓柱形管道的導(dǎo)波損傷檢測技術(shù)是一種有效的、有前途的長管道損傷檢測技術(shù)。ZHOU等[52]提出了一種新型平面剪切(d36型)PMNT晶片，用于在金屬管道中產(chǎn)生和接收導(dǎo)波。從有限元分析的角度分析了線性PMNT晶片陣列的工作原理，分析了管道結(jié)構(gòu)和破壞性位移波場現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)只有有限數(shù)量的d36PMNT硅片對稱分布才能為圓柱形導(dǎo)波管道提供全面的覆蓋、監(jiān)測和損傷診斷。這項(xiàng)研究對管狀結(jié)構(gòu)的損傷成像起到了一定的幫助作用。因?yàn)門(0,1)是管狀結(jié)構(gòu)中唯一的非頻散模態(tài)，所以T(0,1)模態(tài)的激勵對于管道結(jié)構(gòu)完整性的檢測和監(jiān)測具有重要的意義。MIAO等[53]提出了一種壓電環(huán)形陣列來激發(fā)和接收單個T(0,1)模態(tài)，它由一系列等間距的面剪切D24 PZT元件組成。研究發(fā)現(xiàn)在150 kHz的激勵頻率下，D24 PZT元件的壓電環(huán)能抑制所有非軸對稱彎曲模態(tài)，從而產(chǎn)生單一的T(0, 1)模。此外，這種壓電環(huán)換能器還能過濾彎曲模態(tài)。研制的扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮管道檢測系統(tǒng)采用排線式磁致伸縮傳感器時，可在管道中激勵出低頻T(0,1)模態(tài)超聲導(dǎo)波。為拓展檢測系統(tǒng)的工作頻率范圍，劉秀成等[54]設(shè)計(jì)了一款柔性印刷感應(yīng)線圈，該柔性線圈式磁致伸縮傳感器可在管道中激勵出1.3 MHz的T(0,1)模態(tài)超聲導(dǎo)波，提高了缺陷檢測靈敏度。該線圈具有可直接卷曲貼覆在管道表面，易于拆裝等優(yōu)點(diǎn)。適合應(yīng)用于實(shí)際工程檢測。

陳樂等[55]針對磁致伸縮導(dǎo)波檢測信號弱、信噪比低的問題，制定了一種雙線圈互相關(guān)檢測技術(shù)方案，該技術(shù)可以提供接收信號的幅值和信噪比，為提高儀器的檢測性能提供了一種思路。

時間反轉(zhuǎn)可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波能量在缺陷處的聚焦。周進(jìn)節(jié)[56]在此基礎(chǔ)上研制了一套具有時間反轉(zhuǎn)功能的超聲導(dǎo)波檢測儀器，與不同換能器組合進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究，提出了兩種實(shí)現(xiàn)管中導(dǎo)波時反檢測的新方法：采用斜入射加載方式和對稱激勵管道表面安裝的壓電晶片陣列。根據(jù)超聲導(dǎo)波時間反轉(zhuǎn)檢測方法的需求，設(shè)計(jì)了一種可以產(chǎn)生時反導(dǎo)波的高壓脈沖式激勵板卡，以保證在實(shí)際檢測過程中該激勵板卡能根據(jù)檢測要求快速生成所需要的高壓時反波。鐘凱慧[57]將實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬所得的信號進(jìn)行時間反轉(zhuǎn)，并加載到了含有相應(yīng)裂紋的管道模型中，可視化觀察了管中導(dǎo)波聚焦過程。并發(fā)現(xiàn)時反方法對不同周向、深度尺寸的裂紋都能有效提高檢測信號幅值，周向尺寸越小時反檢測缺陷回波幅值相對時反前提高倍數(shù)越大?，F(xiàn)有的時反聚焦方法多數(shù)是多通道同步激勵與接收，符浩等[58]針對這個問題，提出了利用單通道設(shè)備多次采集信號的方法，該方法可以等效實(shí)現(xiàn)多通道同步激勵-接收效果。采用仿真與實(shí)驗(yàn)的手段對該方法進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明該方法可以提高聚焦后缺陷信號的幅值和信噪比，提高了對小缺陷的檢測能力。田振華等[59]基于有限元模擬分析了不同尺寸裂紋對T(0,1)模態(tài)傳播的影響?；诰C合聚焦成像算法，重構(gòu)了管道的成像分布，該分布可以表示存在裂紋的可能性。聚焦成像結(jié)果與管道實(shí)際情況一致，直觀地反映了裂紋的尺寸和位置。

4 結(jié)論

目前超聲導(dǎo)波即將與云計(jì)算、大數(shù)據(jù)接軌，形成超聲云檢測，前人已經(jīng)在導(dǎo)波方面做出了很多貢獻(xiàn)，對于各模態(tài)導(dǎo)波，目前深入研究的是縱向模態(tài)和扭轉(zhuǎn)模態(tài)等對稱模態(tài)，由于彎曲模態(tài)具有非對稱性，模態(tài)轉(zhuǎn)換性質(zhì)不穩(wěn)定，不易研究其傳播性質(zhì)。扭轉(zhuǎn)模態(tài)相比于縱向模態(tài)而言，具有模態(tài)單一、頻散小、信號能量集中易于分析、能在非粘性管道中傳播且信號不易衰減等優(yōu)點(diǎn)，使得扭轉(zhuǎn)模態(tài)成為時下導(dǎo)波研究中的新熱點(diǎn)。雖然扭轉(zhuǎn)模態(tài)的研究在逐漸成熟，但是對其理論的進(jìn)一步研究還有待提高。對于數(shù)值模擬仿真，大多數(shù)研究的是激勵頻率、液體粘度對導(dǎo)波傳播性質(zhì)的影響，并沒有考慮液體溫度、流速對其傳播性質(zhì)的影響。在實(shí)驗(yàn)方面基本都是采用相同的實(shí)驗(yàn)方案及其設(shè)備，對于實(shí)驗(yàn)方案的改變是其中的一個突破點(diǎn)。目前扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波在實(shí)驗(yàn)室中，可以檢測板、管的缺陷，對于工業(yè)的廣泛使用還需進(jìn)一步努力。其次，對于信號特性的定量、定性分析是整個過程中最重要的一部分，由于被測物幾何形狀和邊界條件的不同，使求解難度增大，產(chǎn)生干擾模態(tài)，所以抑制干擾模態(tài)的產(chǎn)生也是一個重點(diǎn)。

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ZHAO Man-quan, LI Xia-fei, LIU Fei, LIU Xiao-dong, DU Lan

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, Neimenggu,China)

The ultrasonic guided wave detection technology has the advantages of fast detection speed and wide detection range, and so it has been widely used in pipeline defect detection. The torsional mode, as a symmetric mode of ultrasonic guided wave, is characterized by small dispersion, concentrated energy, single signal and easy to analysis. In this paper, the development of torsional modes in recent years is reviewed. Starting from the propagation and detection principles of torsional guided waves in T (0,1) mode, the excitation principles and effects of various excitation probes are compared, and their advantages and disadvantages are analyzed. By analyzing the selection principle of torsional modes and the characteristics of the guided wave propagation in a single pipe, double wall pipe and liquid filled pipe, the effects of excitation frequency, liquid viscosity, liquid density and other factors on the propagation of torsional mode guided wave in the pipeline are summarized. Furthermore, the suitable scope of torsional mode and the suitable signal processing method are defined, which could provide a reference for the development of torsional mode detection technology in the future.

ultrasonic guided wave; T (0,1); modal; excitation signal

TB559

A

1000-3630(2019)-06-0632-08

10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.06.006

2018-05-04;

2018-07-18

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11662013)

趙滿全(1955－), 男, 內(nèi)蒙古土右旗人, 教授, 研究方向?yàn)楦吆珊档貐^(qū)農(nóng)業(yè)裝備工程與技術(shù)。

劉飛,E-mail: afei2208@163.com