陳桂鳳，劉曉晴，張鑫遠(yuǎn)，趙乃志

(揚州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚州 225127)

1 概 述

超聲導(dǎo)波的優(yōu)點包括高度的敏感性和多功能性,為檢測各種結(jié)構(gòu)缺陷提供了巨大的應(yīng)用潛力,但是對缺陷準(zhǔn)確評價和采集導(dǎo)波數(shù)據(jù)方面仍然存在許多困難。所以在使用導(dǎo)波對管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康檢測時必須考慮導(dǎo)波復(fù)雜性與波激發(fā)和傳播時與缺陷的相互作用。

導(dǎo)波的多模態(tài)性質(zhì)使導(dǎo)波激勵中通常會產(chǎn)生多種模式，因而激勵出的波信號呈現(xiàn)出復(fù)雜的波形。與缺陷表征相關(guān)的重要參數(shù),例如峰振幅、波峰位置和每種模式的到達(dá)時間就很難識別；其次,導(dǎo)波本質(zhì)上是有頻散的,這導(dǎo)致該模式的波包在傳播一定距離后在空間和時間上擴(kuò)展；第三，由于導(dǎo)波特性極其復(fù)雜,導(dǎo)波與管道中的不連續(xù)性相互作用的細(xì)節(jié)研究還不夠詳細(xì)，來自各種信號分量的干擾的相互作用表現(xiàn)出未知的特征。因此,為了確保缺陷表征的準(zhǔn)確性,必須仔細(xì)研究導(dǎo)波技術(shù)固有的問題。

本研究在已進(jìn)行的管道缺陷檢測試驗基礎(chǔ)上進(jìn)行了有限元模擬分析，希望得出的結(jié)論對導(dǎo)波在管道中的應(yīng)用有所幫助。

2 試驗裝置

本研究建立了相應(yīng)的數(shù)值模型,如圖1所示。并行進(jìn)行了數(shù)值仿真,用以證實已經(jīng)進(jìn)行的實驗結(jié)果。建模的管道具有與實驗中使用的相同的參數(shù),包括材料、直徑、厚度及長度。為了識別邊緣反射信號的特征并揭示邊緣反射與缺陷幾何參數(shù)之間的關(guān)系,根據(jù)實驗中設(shè)置的缺陷位置和尺寸要求,通過刪除某些元素將一系列缺陷引入管道模型，如圖2所示。

圖1 管道有限元模型

圖2 管道缺陷的前邊緣和后邊緣的圖示

圖3～4是所檢查管道的導(dǎo)波傳播的相速度和群速度頻散曲線,可以看出管道中導(dǎo)波有明顯的頻散現(xiàn)象,試驗選擇單音頻的激勵信號,這樣就可以盡可能降低導(dǎo)波在管中傳播的頻散程度。嚴(yán)格意義上的單音頻信號很難產(chǎn)生,只能通過選擇頻帶較窄的信號代替單音頻信號。經(jīng)過漢寧窗函數(shù)調(diào)制的縱向L(0,2)模態(tài)的導(dǎo)波,因為它易于激發(fā)并且具有相對簡單的聲場。選擇頻率范圍為100～240 kHz的頻率是因為相應(yīng)激發(fā)的L(0,2)模式幾乎是非色散的,并且傳播速度最快。本文中選取的信號為經(jīng)Hanning窗函數(shù)調(diào)制的5周期單音頻正弦疊加信號,其表達(dá)式為：

(1)

圖3 相速度頻散曲線

式中,n為單音頻的數(shù)目；fc為信號的中心頻率。

選擇Hanning窗作為調(diào)制函數(shù),可以使單音頻疊加信號的主瓣高,旁瓣迅速衰減,頻譜能量集中于主瓣附近,信號識別的敏感度高。

圖5為本次實驗裝置示意圖。由一定數(shù)量的壓電傳感器(PZT)組成的環(huán)粘結(jié)在管道的一端,以激勵和接收導(dǎo)波數(shù)據(jù)。PZT由長度擴(kuò)展型壓電材料制成,軸對稱分布,可確保僅激發(fā)預(yù)期的縱向模態(tài)導(dǎo)波,而且可以抑制彎曲模態(tài)。通過任意信號發(fā)生器激發(fā)一個L(0,2)模態(tài)的五峰導(dǎo)波到所檢測的管道中,通過信號接受處理器接受分析信號。

圖5 實驗系統(tǒng)

3 實驗結(jié)果分析

圖6給出了當(dāng)軸向范圍增加時,反射信號的波包在時間上隨著波周期數(shù)量的增加和不規(guī)則變化的幅度而延長。該圖6中的某些信號表示幅度的疊加效應(yīng),而其他信號則被消減。這表明由缺陷反射產(chǎn)生的信號涉及重疊信號。這些重疊的信號是在缺陷的不同邊緣處反射的結(jié)果,這一結(jié)論在我們的實驗中得到了驗證,當(dāng)軸向范圍足夠長時(在所檢查的管道中為86 mm和170 mm)。隨著時間的推移,可以清晰地觀察到由缺陷的前邊緣和后邊緣引起的兩個單獨的信號。

圖6 通過實驗和有限元模擬獲得的缺陷反射的比較

圖7給出了在不同軸向范圍內(nèi)缺陷反射率的相關(guān)系數(shù)圖,以170 mm長的缺陷反射率為參考。當(dāng)相關(guān)系數(shù)的值為1時,這些點的信號具有相同的模式。從圖7可以看出,軸向范圍越長,信號在軸向范圍內(nèi)的連續(xù)性越強(qiáng)。這種現(xiàn)象表明,從缺陷的前邊緣生成的信號對于所有缺陷都是相同的,而與軸向范圍無關(guān)。軸向范圍為86 mm和170 mm的信號進(jìn)一步驗證了這一假設(shè),因為這些信號代表上述信號的兩個獨立部分，從缺陷的前邊緣在這兩個軸向范圍反射的信號是完全重合的。這進(jìn)一步意味著來自缺陷后邊緣的信號必須復(fù)雜,因為圖7中呈現(xiàn)不規(guī)則變化的全反射的其他部分?？梢酝ㄟ^獲得的分離結(jié)果進(jìn)一步闡明前后信號的各個特征。在不同缺陷情況下,這兩種信號在周期數(shù)、頻率和調(diào)制方面都表現(xiàn)出幾乎相同的模式。如前所述,在所有具有不同軸向范圍的情況下,前端信號的幅度均保持相同,因為該信號主要取決于缺陷的前端。

圖7 缺陷反射的相關(guān)函數(shù)曲線(以170 mm長的缺陷為基準(zhǔn))

4 結(jié) 論

為了識別邊緣反射信號的特征并揭示邊緣反射與缺陷幾何參數(shù)之間的關(guān)系本研究建立了相應(yīng)的數(shù)值模型,并行進(jìn)行了數(shù)值仿真,用以證實已經(jīng)進(jìn)行的試驗結(jié)果,可以得出以下結(jié)論。

1)本文考慮的缺口型缺陷涉及缺陷區(qū)域和管壁邊界處的橫截面積的兩個明顯變化,因此可以自然地將前端信號和后端信號識別為全反射的主要成分以此用來提取信號進(jìn)行缺陷表征。

2)缺陷軸向范圍越長,信號在軸向范圍內(nèi)的連續(xù)性越強(qiáng).這種現(xiàn)象表明,從缺陷的前邊緣生成的信號對于所有缺陷都是相同的,而與軸向范圍無關(guān).

3)本文所提出的策略可以擴(kuò)展到更復(fù)雜的缺陷或?qū)嶋H情況,因為它更接近于基于反射分量提取的復(fù)雜問題的簡化方法.

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