鋁材管道管壁厚度對激光超聲信號影響的探究

王貴鑫，嚴(yán) 剛，關(guān)建飛

鋁材管道管壁厚度對激光超聲信號影響的探究

王貴鑫，嚴(yán) 剛*，關(guān)建飛

（南京郵電大學(xué)光電工程學(xué)院，南京210023）

為了探究管壁厚度對超聲信號的產(chǎn)生與探測的影響，采用有限元法建立了理想化的管道模型，分別探究均勻管壁厚度變化和激發(fā)源處、接收端處及傳播路徑上等畸變管壁厚度的變化對超聲信號產(chǎn)生的影響。結(jié)果表明，當(dāng)接收端處管壁厚度較薄時(shí)，無法探測到可分辨的瑞利波信號；傳播路徑上管壁厚度變小到一定程度后，高頻成分會出現(xiàn)明顯的衰減，但隨著厚度的增大又會在一定程度內(nèi)恢復(fù)。這一結(jié)果對激光超聲在柱狀、管狀材料的無損檢測中的進(jìn)一步應(yīng)用提供了有益的補(bǔ)充。

激光技術(shù)；激光超聲；有限元法；無損檢測

引 言

管道在制造、儲藏運(yùn)輸、焊接及長期的使用過程中，不可避免地會形成銹跡、焊渣、防銹劑、泥沙等雜質(zhì)的沉積，對于一些永久性的設(shè)施，如供水管道、輸油管道、輸氣管道等，經(jīng)過長期的使用甚至還可能出現(xiàn)比較嚴(yán)重的腐蝕，因此對于管道的檢測就顯得十分重要。參考文獻(xiàn)［1］～參考文獻(xiàn)［3］中對柱狀材料進(jìn)行了相關(guān)的數(shù)值模擬，并采用雙積分變換法計(jì)算了激光在圓柱體中激發(fā)的柱面表面波波形。參考文獻(xiàn)［4］中給出了有限元中網(wǎng)格大小的劃分，對時(shí)間步長的選取作了科學(xué)的論證。DONG等人［5］提出了基于光熱調(diào)制的激光聲表面波檢測疲勞裂紋的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和方法，并將其用于發(fā)動機(jī)葉片疲勞裂紋的檢測。FENG等人［6］分析了超聲位移場隨時(shí)間變化的特征。LIU等人［7］采用有限元法模擬了鋁狀板材中聲表面波的激發(fā)過程，為改善激光超聲檢測中聲表面波的信噪比提供了一定的理論依據(jù)。

近年來，研究人員致力于將激光超聲技術(shù)應(yīng)用于管道材料的相關(guān)研究，這使得管道材料中激光超聲的激發(fā)、傳播及缺陷對超聲信號的調(diào)制等問題成了急需解決的熱點(diǎn)問題。CAO等人［8］采用環(huán)狀激光源研究了鋁管內(nèi)部溫度分布。參考文獻(xiàn)［9］中采用激光超聲技術(shù)檢測了鐵及鋁圓柱表面的裂縫，討論了圓柱表面激光瑞利波與缺陷的相互作用。ZHAO和HE等人［10-11］研究了柱狀和管狀材料中超聲波的激光激勵(lì)及其傳播的有限元模型及算法，從理論及實(shí)驗(yàn)方面研究了柱狀和管狀材料中激光激勵(lì)超聲波的傳播特性，及其在復(fù)雜結(jié)構(gòu)材料的無損檢測領(lǐng)域的應(yīng)用。然而目前的研究大多集中于規(guī)則管道，而對于生活中由于腐蝕等因素引起的不規(guī)則管道的相關(guān)研究則鮮見于報(bào)道。因此，本文中結(jié)合有限元法的優(yōu)勢，研究薄管及不規(guī)則管道中瑞利波的激光激發(fā)和傳播過程。

作者主要對一些特殊情況的管道進(jìn)行理想化的模擬處理，以期找到一些通用的規(guī)律，為管道超聲無損檢測提供必要的支持。

1 鋁質(zhì)偏心管道有限元模型

本文中在對均勻管道探究的基礎(chǔ)上，建立非均勻管道的理想化模型，對實(shí)際情況進(jìn)行簡化處理。具體模型如圖1所示，其中圖1a是均勻管道模型，圖1b～圖1d分別是3種不同的非均勻模型。圖1b對應(yīng)的激發(fā)源處厚度適中，但是在超聲信號的傳播路徑上出現(xiàn)了厚度的畸變，主要是為了探究傳播路徑上管壁厚度的畸變對超聲信號的影響；圖1c對應(yīng)的是激發(fā)源管壁厚度比較薄的情況，主要是為了探究激發(fā)源管壁厚度的變化對超聲信號的相應(yīng)影響；圖1d對應(yīng)的是探測角處比較薄的情況，主要是為了探究在管壁畸變處探測超聲信號時(shí)可能受到的影響。作者在對圖1a和圖1c對應(yīng)模型的分析基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對圖1b和圖1d對應(yīng)的模型進(jìn)行了探究分析。α表示信號探測角，其中x軸處表示0°探測角，R2表示管道外徑，R1表示管道內(nèi)徑。

Fig.1 The excitationmodel of uniform and non-uniform cylinder（detection angleα）

在本文中的3個(gè)非均勻模型中，考慮到結(jié)果的精度及運(yùn)算時(shí)間的雙重因素，將模型分為兩個(gè)部分，采取不同的網(wǎng)格劃分密度，即在激光直接作用區(qū)域采用高密度的網(wǎng)格，在激光不能直接作用的區(qū)域采用較低密度的網(wǎng)格。當(dāng)模型外徑為10mm時(shí)，1°的圓心角對應(yīng)的弧長約為174μm，同時(shí)考慮到采用的激光線源的半寬為100μm，為保證加密區(qū)充分涵蓋熱作用區(qū)，故對探測角度數(shù)在－2°～2°的扇形區(qū)域內(nèi)采用細(xì)網(wǎng)格，單元邊長選為20μm，在模型的其它區(qū)域采用較粗網(wǎng)格，單元邊長選為40μm。

2 缺陷管道中超聲波的傳播規(guī)律分析

考慮到模型的可對比性，首先分別對圖1a～圖1d進(jìn)行對比分析，即以圖1a為參照模型，在此基礎(chǔ)上將模型中的內(nèi)圓沿x軸正方向偏離一定單位形成模型（見圖1c），將模型中的內(nèi)圓沿x軸負(fù)方向偏離一定單位形成模型1（見圖1d），這種情形下的圖1a、圖1c和圖1d為一組對比模型。由于對圖中每個(gè)模型都有一系列的數(shù)值模擬分析，為了便于區(qū)分和對比，對具體的模型采用如下兩種命名方式：（1）α（R1，R2），這是對均勻管道模型的命名；（2）α（ecXmmβ（R1，R2）），這是對偏心管道的命名規(guī)則，其中α表示信號探測角，ec表示是偏心模型，X表示偏心位移量（單位是mm），β表示偏心方向（取值分別為0°，90°和180°，分別表示沿x軸正方向、y軸正方向、x軸負(fù)方向偏移）。

Fig.2 The ultrasonic signal of the uniform and non-uniform model（60°，180°，R2＝10mm，R1＝8mm）

圖2是分別對應(yīng)如圖1a、圖1c和圖1d 3種模型在60°和180°探測角處探測到的對比波形。圖2a中的曲線1和圖2b中的曲線2對應(yīng)的模型是內(nèi)徑為8mm、外徑為10mm的正常圓管。圖2a中的曲線3和圖2b中的曲線4是在圖2a中的曲線1對應(yīng)模型的基礎(chǔ)上，將內(nèi)圓沿x軸正方向偏離1.5mm后得到的模型，這種模型下，激發(fā)源中心處的厚度為0.5mm（厚度＝壁厚－偏移量）。而圖2a中的曲線5和圖2b中的曲線6則是將內(nèi)圓沿x軸負(fù)方向偏離1.5mm后得到的模型，這種模型下激發(fā)源處的厚度為3.5mm（厚度＝壁厚＋偏移量）。圖3是分別與圖2對應(yīng)的頻譜分析圖。從圖2a中的曲線1、曲線3、曲線5和圖2b中的曲線2、曲線4、曲線6可以看出，在同一探測角處探測到的波形也表現(xiàn)出比較大的差異。從超聲波形上看，圖2a中的曲線1、曲線5上表現(xiàn)出明顯的瑞利波信號，圖2a中的曲線3則表現(xiàn)出蘭姆波的特征，而圖3中相應(yīng)的頻譜圖也反映出了這一點(diǎn)。從管壁厚度來看，圖2a中的曲線1、曲線5從激發(fā)源到60°探測角的區(qū)域的厚度均大于等于2mm，而且圖2a中的曲線5的局部厚度甚至達(dá)到3.5mm，它所表現(xiàn)出的超聲信號也與在相同厚度的圓管中同探測角下測得的信號一致。從圖2b中的曲線4、曲線6可以看出，在兩種偏心模式下，對心處接收到波形似乎是一致的，但是從圖3b中的曲線4、曲線6可以看出兩者之間明顯的差異，圖2b中的曲線4其高頻信號明顯增多，而且成分更加復(fù)雜。兩種偏心模型下的波形與正常圓管中測得的波形也是不同的，主要表現(xiàn)是出現(xiàn)蘭姆波的特征和極性的反轉(zhuǎn)。

圖3a中曲線1低頻部分的幾個(gè)峰值分別為0.333MHz，1.33MHz，2.33MHz和2.66MHz；曲線3低頻部分的幾個(gè)峰值分別為0.286MHz，0.573MHz，0.860MHz和1.147MHz。從這幾組數(shù)據(jù)可以看出，超聲信號的頻率明顯下降，而且相對比較集中，從圖3a中可以看出，曲線3的高頻部分幾乎消失。這說明較薄的管壁能夠影響高頻信號的產(chǎn)生。圖3a中曲線5低頻部分的幾個(gè)峰值為1.31MHz，1.75MHz，2.19MHz和2.63MHz。這是在激發(fā)源較厚處得到的信號頻率，與之前的兩組數(shù)據(jù)對比可以看出，頻率值明顯比曲線3中的要高，而與曲線1相比也有所區(qū)別，但幅值范圍基本一致。

Fig.3 The spectrum of the ultrasonic signal of the uniform and non-uniform model（60°，180°，R2＝10mm，R1＝8mm）

圖3b中曲線2的最小幾個(gè)峰值分別為0.333MHz，1.667MHz，2.001MHz和2.335MHz，而曲線4最小的幾個(gè)峰值分別為0.238MHz，0.357MHz，0.476MHz，0.595MHz，0.714MHz，0.833MHz，0.952MHz和1.071MHz。圖3b中曲線4對應(yīng)的模型是在薄處激發(fā)、厚處接收的，但從頻率上來看，超聲信號的頻率并沒有恢復(fù)到正常值，這就是說激發(fā)源對超聲信號的影響是不可逆的。曲線6得到的頻率值與曲線2得到的值相比只有微小的差別，這說明當(dāng)激發(fā)源處的厚度滿足一定條件時(shí)，接收端處的畸變只是對信號的幅度有一定的影響，而基本不會改變信號的頻率，即不會影響信號的成分。

在實(shí)際的檢測中，也存在這樣一種情況，即在超聲信號的傳播路徑上也可能會遇到管壁畸變的情況，而這些畸變信息也很可能會對傳播中的超聲信號起到某種調(diào)制作用。針對這種情況，特建立如圖1b所示的原始模型，并以該模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行了幾組有限元仿真模擬。

圖4所對應(yīng)模型的內(nèi)徑為8mm，偏心幅度為1.5mm，這樣畸變管道最薄處只有0.5mm。為了能夠更加清晰地研究管壁畸變（由厚變?。Τ曅盘杺鞑サ挠绊?，從激發(fā)源處，分別沿順時(shí)針和逆時(shí)針兩個(gè)方向在對稱位置處探測超聲信號。圖4a中的曲線1、曲線2是在探測角分別為30°和330°處探測到的波形信號，從圖中可以看出：瑞利波信號的幅度及到達(dá)的時(shí)間基本一致，這說明兩個(gè)探測點(diǎn)到激發(fā)源的距離是相同的；而30°探測角處的超聲信號中，在瑞利波之后出現(xiàn)了很多小的峰值，而在330°處探測到的超聲信號中的則沒有相應(yīng)的峰值，這些峰值很顯然是由管壁厚度的變化（變薄）引起的，其具體的成因則需要進(jìn)一步地模擬探究分析。從圖4b中的曲線3可以看到一個(gè)很小的與曲線4中瑞利波信號極性相反的信號，從到達(dá)時(shí)間上來說，這個(gè)較弱的信號到達(dá)得要早一些，即速率要比曲線4中的要快一些。從圖4c中的曲線5和曲線6顯示的第1組波形信號（約出現(xiàn)在8.5μs處）來看：經(jīng)過畸變管壁調(diào)制后的信號到達(dá)時(shí)間要早一些，即波速要快一些；而且就幅度而言，已與從較厚一側(cè)傳過來的信號相當(dāng)，這說明在這種模式下，畸變信號有一定的恢復(fù)能力；未經(jīng)畸變管壁調(diào)制的信號（見曲線6）仍然表現(xiàn)出強(qiáng)烈的色散現(xiàn)象，而經(jīng)畸變管壁傳播而來的信號則沒有明顯的色散，而其具體的成分則有待于進(jìn)一步的頻譜分析。

Fig.4 The ultrasonic waves of the eccentricmodel（offset1.5mm along the positive y-axis direction，R2＝10mm，R1＝8mm）

圖5是與圖4所對應(yīng)的頻譜圖，圖5b中的曲線3、曲線4是在與激發(fā)源等距離的對稱位置處探測到的信號的頻譜分析圖，同樣可以看出，較薄管壁對超聲信號高頻部分有明顯的吸收作用。圖6為沿y軸正方向偏離1.1mm時(shí)的波形分析圖，圖7是與圖6對應(yīng)的頻譜分析圖。圖7b中的曲線3、曲線4與圖5b中的曲線3、曲線4相同，都可以看到類似的情形。圖5a中的曲線1、曲線2與圖7a中的曲線1、曲線2都是對激發(fā)源附近探測到的信號的頻譜分析，可以看出較厚的一側(cè)（330°探測角處）比較薄一側(cè)信號的高頻部分要強(qiáng)一些。圖5c中的曲線5、曲線6與圖7c中的曲線5、曲線6都是對經(jīng)過畸變管壁調(diào)制后的信號所做的頻譜分析，可以看出兩者的差別并不明顯，也就是說超聲信號穿過畸變管壁后得到了一定的恢復(fù)，也可以說畸變管壁對超聲信號的影響是可逆的。

Fig.5 The spectrum of the ultrasonic signal of the eccentricmodel（offset1.5mm along the positive y-axis direction，R2＝10mm，R1＝8mm）

圖6對應(yīng)的模型與圖4對應(yīng)的模型相比，唯一的區(qū)別就是偏移量有所不同，本模型中偏移量為1.1mm，這樣管壁最薄處只有0.9mm。選擇這樣一組偏移量是因?yàn)樵谥暗难芯恐邪l(fā)現(xiàn)瑞利波約在管壁厚度為0.9mm時(shí)出現(xiàn)突變。而將圖6中波形信號與圖4中相應(yīng)的波形信號相比，確實(shí)表現(xiàn)出一定的差異性。首先對比沿順時(shí)針方向傳播的波形（見圖4和圖6中的曲線2、曲線4、曲線6，其都是從較厚的管壁一側(cè)傳播的），無論從到達(dá)時(shí)間還是振幅都無明顯不同，甚至色散部分都有一定的一致性。而再對比沿逆時(shí)針方向傳播的信號，則可以發(fā)現(xiàn)明顯的差異，即圖6對應(yīng)的模型的偏移量比較小，但是產(chǎn)生的影響卻更大：圖6b中的曲線3的低頻信號明顯比圖4中的低頻信號強(qiáng)，甚至已經(jīng)淹沒瑞利波信號（圖中約出現(xiàn)在5.3μs處）；圖6c中曲線6與圖4c中曲線6相比，經(jīng)畸變管道調(diào)制的信號只是在部分上恢復(fù)，從信號強(qiáng)度來說，要弱得多。

Fig.6 The ultrasonic waves of the eccentricmodel（offset1.1mm along the positive y-axis direction，R2＝10mm，R1＝8mm）

對比圖7和圖5可以發(fā)現(xiàn)，兩者表現(xiàn)出極大的相似性：在兩種偏心厚度下，在90°探測角處都出現(xiàn)了較大的信號衰減，即同樣是高頻部分消失；但在150°探測角處探測到信號中又表現(xiàn)出一定程度的恢復(fù)，這一點(diǎn)從波形圖（見圖4和圖6）上可以更清晰地看到。

從圖4和圖5、圖6和圖7兩組圖中都可以看到，畸變管壁有一定的濾波作用，經(jīng)過畸變管壁的超聲信號的頻率較高的部分有比較大的損失，在圖中的表現(xiàn)就是只有一個(gè)強(qiáng)的低頻信號，而且這種現(xiàn)象從圖4中相應(yīng)的部分也可以清楚地看到。

Fig.7 The spectrum of the ultrasonic signal of the eccentricmodel（offset1.1mm along positive the y-axis direction，R2＝10mm，R1＝8mm）

3 結(jié) 論

建立了3種典型的漸變?nèi)毕莨艿烙邢拊Ｐ?，探究激發(fā)源處、接收端處和傳播路徑上一定范圍內(nèi)漸變管壁對超聲信號產(chǎn)生及傳播的影響。其中，第1種漸變管道有限元模型（見圖1c）是為了探究激光源處管壁厚度的變化對超聲信號的產(chǎn)生與傳播的影響，第2種漸變管道模型（見圖1d）是為了探究接收端處管壁厚度變化對接收的超聲信號的影響，第3種漸變管道模型（見圖1b）則是為了探究超聲信號經(jīng)過畸變管壁調(diào)制后可能存在的影響。

分析結(jié)果表明，在這種漸變模型下，激發(fā)源處管壁厚度的變化對超聲信號的產(chǎn)生有著特殊的影響，主要體現(xiàn)在：接收端處管壁厚度小于1mm時(shí)，接收到的信號（激發(fā)源處厚度大于2mm）會出現(xiàn)極性的翻轉(zhuǎn)，較高頻率的部分會被吸收，特別是當(dāng)接收端管壁厚度為0.9mm或小于0.5mm時(shí)，絕大部分的信號都會被吸收掉；激發(fā)源處和接收端處的管壁厚度都大于2mm時(shí)，而在超聲信號的傳播路徑上管壁較?。ㄐ∮?mm）時(shí)，接收到信號與激發(fā)源處的信號相比，主信號沒有明顯的不同，但主信號附近的高頻成分會損失，體現(xiàn)在波形上就是主信號附近的色散有所減弱。

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Effect of wall thickness of alum inum pipes on laser-induced ultrasonic waves

WANGGuixin，YANGang，GUANJianfei
（College of Electronic Engineering，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210023，China）

In order to explore effect of wall thickness on the generation and detection of ultrasound signal，several idealized eccentric pipe models were established based on the finite element method.Effect of different uniform wallthickness and thickness change at the excitation source，detection point and the propagation path on ultrasonic signal was analyzed.The simulation results show that：when the wall is thinner，the Rayleigh waves cannot be detected；the wall thickness on the propagation path becomes small to some extent，the filtering effect will be so obvious that the highfrequency component is filtered out，butwill resume within a certain extent in the pipes with thicker wall.This work will provide a useful guidance for the further application of laser ultrasonic in cylinder nondestructive testing field.

laser technique；laser ultrasonic；finite elementmethod；nondestructive testing

TN249；O426.2

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.02.024

1001-3806（2014）02-0260-06

王貴鑫（1986-），男，碩士研究生，主要從事激光超聲的數(shù)值模擬研究。

*通訊聯(lián)系人。E-mail：yang＠njupt.edu.cn

2013-03-18；

2013-06-05