變徑管周向?qū)Р↙amb波傳播特性

何躍斌，陳 果，盧 超，肖佳辰，石文澤，陳 堯

(南昌航空大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南昌 330063)

變徑管周向?qū)Р↙amb波傳播特性

何躍斌，陳 果，盧 超，肖佳辰，石文澤，陳 堯

(南昌航空大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南昌 330063)

對(duì)周向?qū)Р↙amb波在變徑管中的傳播特性進(jìn)行了研究。通過(guò)仿真軟件WAVE 3000選取檢測(cè)變徑管所用探頭的楔塊角度。針對(duì)不同傾斜角度的變徑管，分析了周向Lamb波的傳播特性，研究了不同激勵(lì)頻率的周向Lamb波在變徑管中的傳播特性，分析了超聲接收信號(hào)頻散、信噪比等特性，并給出了激勵(lì)信號(hào)的最佳周期數(shù)，給變徑管周向?qū)Рz測(cè)提供借鑒。

變徑管；周向?qū)Рǎ籐amb波；超聲傳播

管道系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于天然氣、熱力、石油等領(lǐng)域中，由于受高溫、高壓和腐蝕性等惡劣環(huán)境的影響，通常管道會(huì)出現(xiàn)熱疲勞損傷和腐蝕，極易造成安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失。

超聲導(dǎo)波技術(shù)應(yīng)用于管道系統(tǒng)的缺陷檢測(cè)和健康評(píng)估中，具有快速、可靠、長(zhǎng)距離、大范圍、經(jīng)濟(jì)且無(wú)需外包等優(yōu)點(diǎn)，可以優(yōu)化參數(shù)并提高缺陷的識(shí)別能力。在管道中傳播的超聲導(dǎo)波的類(lèi)型分為兩種：一種是沿著管道軸向傳播的導(dǎo)波，稱(chēng)為軸向?qū)Р?，軸向?qū)Рㄖ饕糜诠艿垒S向的長(zhǎng)距離檢測(cè)，一次傳播可達(dá)百米以上，但對(duì)于厚壁管道，則存在超聲衰減相對(duì)較大、檢測(cè)能力不足、波形復(fù)雜、缺陷信號(hào)識(shí)別困難且存在盲區(qū)等缺點(diǎn)，其主要包括縱向模態(tài)、扭轉(zhuǎn)模態(tài)和彎曲模態(tài)等；另一種是沿管道周向傳播的導(dǎo)波，稱(chēng)為周向?qū)Р?，周向?qū)Рㄖ饕ㄖ芟騆amb型導(dǎo)波和周向SH型導(dǎo)波。兩種類(lèi)型的周向?qū)Рz測(cè)原理如圖1所示，周向?qū)Рǖ妮S向傳播距離有限，但對(duì)于大管徑缺陷的檢測(cè)十分有效。周向?qū)Рㄓ蓡蝹€(gè)傳感器就能產(chǎn)生，不僅能實(shí)現(xiàn)沿管道周向的全覆蓋檢測(cè)，還對(duì)管壁內(nèi)的小缺陷或細(xì)微裂紋非常敏感[1]?；谝陨咸攸c(diǎn)，周向?qū)Рㄊ诌m合對(duì)厚壁管材的微小缺陷進(jìn)行檢測(cè)[2]。

圖1 兩種類(lèi)型的周向?qū)Рz測(cè)原理示意

目前，針對(duì)管道的縱向超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法的研究比較深入，ALLEYNE、MOON等[3-4]將縱向超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于沿管道周向分布的缺陷(裂紋)檢測(cè)。宋振華等[5]對(duì)充液管道和空管的檢測(cè)進(jìn)行了對(duì)比研究，比較了縱向超聲信號(hào)和頻散曲線的差異以及幅值和群速度的降低程度，分析了充液管道特有的一些相關(guān)特性。LOWE等[6]研究了縱向?qū)Р▽?duì)管道上長(zhǎng)度與深度變化的槽狀缺陷的敏感程度。ROSE、楊胡、湯立國(guó)等[7-9]對(duì)縱向?qū)Р夹g(shù)應(yīng)用于管道裂紋的檢測(cè)進(jìn)行了研究。

隨著周向?qū)Р夹g(shù)在管道檢測(cè)中的廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了相關(guān)的理論和試驗(yàn)研究。最初，1966年，GRACE等[10]建立了空心圓柱體中周向?qū)Рǖ膫鞑ツＰ?，將圓柱體置于水中，對(duì)周向?qū)Рǖ膫鞑ニ俣群退p系數(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。1999年，LEFEBVRE等[11]從正交各向異性材料出發(fā)，得到了管道中的周向?qū)Рl散曲線，對(duì)群速度頻散曲線及波結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，找到了檢測(cè)正交各向異性管的最優(yōu)頻率及相對(duì)應(yīng)模態(tài)，而且認(rèn)為在均勻管道中，徑厚比的變化對(duì)周向?qū)Рǖ挠绊懞艽?。近年?lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)周向?qū)Рㄔ诤癖诠艿婪矫娴难芯咳找嬖龆啵瑓潜蟮萚12]優(yōu)化選取了適合厚壁管道檢測(cè)的探頭和楔塊的斜探頭組合，該結(jié)果為厚壁管道中周向?qū)Рǖ膫鞑ヌ匦匝芯?以及利用周向?qū)Р夹g(shù)對(duì)厚壁管道進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)奠定了一定的基礎(chǔ)。此外，2015年，葛建明等[13]提出了一種快速檢測(cè)缺陷的周向?qū)Рz測(cè)法，分析了探頭頻率和壓電晶片尺寸對(duì)檢測(cè)的影響，并且搭建了試驗(yàn)平臺(tái),對(duì)缺陷進(jìn)行了檢測(cè)與成像。

綜上所述，雖然厚壁管道導(dǎo)波檢測(cè)的相關(guān)理論和試驗(yàn)已經(jīng)比較成熟，但是針對(duì)厚壁管道的連接件—變徑管的導(dǎo)波理論和試驗(yàn)還缺乏相關(guān)的技術(shù)和理論支持。為此，筆者以錐形變徑管為研究對(duì)象，通過(guò)仿真對(duì)周向Lamb波激勵(lì)角度進(jìn)行了選取，并且針對(duì)不同傾斜角度變徑管的傳播特性給予分析；搭建了試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)周向Lamb波的探頭楔塊角度、激勵(lì)周期數(shù)等傳播特性進(jìn)行了分析。

1 檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)組成如圖2所示，檢測(cè)方式為一發(fā)一收雙探頭模式。該檢測(cè)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)(基于LabVIEW信號(hào)控制采集軟件)、NI數(shù)據(jù)采集器、高功率超聲信號(hào)發(fā)射接收器(JPR600C)、角束導(dǎo)波探頭、變徑管等部分組成。該系統(tǒng)最重要的部分是高功率超聲信號(hào)發(fā)射接收器，其中發(fā)射頻率的調(diào)節(jié)范圍為30 kHz～10 MHz，增益為80 dB，角束導(dǎo)波探頭由直探頭和有機(jī)玻璃楔塊組成，斜探頭與管壁的耦合采用水解耦合劑。其中，變徑管大管徑端外徑為250 mm、小管徑端外徑為100 mm，壁厚為30 mm。變徑管結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)組成示意

圖3 變徑管結(jié)構(gòu)示意

2 恒徑管中周向?qū)Рǖ膫鞑?/h2>

為了得到超聲導(dǎo)波在有界面各向同性介質(zhì)中波動(dòng)方程的解，首先要了解無(wú)限大介質(zhì)中超聲波的傳播特性，AULD[14]根據(jù)牛頓第二定律，得到三維彈性體中的運(yùn)動(dòng)方程，其通過(guò)分析周向?qū)Рǖ膫鞑?wèn)題得出質(zhì)點(diǎn)的位移矢量是關(guān)于徑向與周向上的函數(shù)，在軸向上的質(zhì)點(diǎn)位移僅沿軸向平面方向。

對(duì)于空心圓柱體中周向?qū)Рǖ膫鞑デ闆r，空心圓柱體的幾何結(jié)構(gòu)如圖4所示，在空心圓柱中，內(nèi)外徑大小分別為a和b。其邊界條件為

(1)

式中：r=a或r=b；θ為圓的極角;σ為應(yīng)力。

對(duì)于空心圓柱體中傳播的周向?qū)Р?，假設(shè)其位移為：

(2)

而uθ=uθ(r,θ),uz=0,利用彈性動(dòng)力學(xué)知識(shí)以及邊界條件進(jìn)行推導(dǎo)，可以得到導(dǎo)波模態(tài)的頻散方程為

(3)

式中：D為4×4的矩陣，是頻率ω、波數(shù)k的函數(shù)，并且與管徑的尺寸(即內(nèi)徑a、外徑b)和材料有關(guān)。

圖4 空心圓柱體的幾何結(jié)構(gòu)示意

在周向?qū)Рǖ膫鞑ミ^(guò)程中，傳播特性主要與介質(zhì)材料、激勵(lì)頻率、周期數(shù)、管徑尺寸等因素有關(guān)。其中，在管徑尺寸中，一般情況下，管道的內(nèi)外徑之比不同[15]，則周向?qū)Рl散曲線的求解也不同，得到的頻散曲線也不一樣。也就是說(shuō)，內(nèi)外徑之比是影響周向?qū)Р▊鞑ヌ匦灾陵P(guān)重要的一點(diǎn)。此外，需要說(shuō)明的是在周向?qū)Рㄖ械腖amb波的傳播特性中，彈性場(chǎng)在z坐標(biāo)方向上的位移為0，即軸向位移為0。

文章研究在介質(zhì)材料、管徑尺寸不變的情況下，變徑管中周向?qū)Р↙amb波的激勵(lì)頻率、壓電晶片角度、激勵(lì)周期數(shù)等對(duì)導(dǎo)波傳播的影響。

3 數(shù)值模擬

有限差分?jǐn)?shù)值模擬廣泛應(yīng)用于模擬波的傳播中，其中，超聲波仿真軟件WAVE3000是一個(gè)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)軟件，其可用于求解幾乎所有的三維超聲波(彈性波傳播)問(wèn)題，能在聲學(xué)分析上獲取多種空間和時(shí)間中接收到的模擬波形。利用WAVE3000，用戶可以清晰地觀察超聲波在工件中的傳播路徑，在獲取足夠的理論了解以后再應(yīng)用于實(shí)際操作，可以達(dá)到事半功倍的效果。此外，WAVE3000具有一些特性，其能夠提供完整的粘彈性波動(dòng)方程的時(shí)域解，可以對(duì)任意像素的三維實(shí)物進(jìn)行描述，可設(shè)置無(wú)限(吸收)邊界條件、支持批量處理等。

WAVE3000仿真模擬的具體聲學(xué)方程為

(4)

式中：ρ為材料密度；λ為一階拉梅系數(shù)；μ為二階拉梅系數(shù)；η為剪切黏度；φ體積黏度；t為時(shí)間；為梯度算子；·為散度算子；?為偏微分方程算子。

式(4)適用于各向同性的彈性區(qū)域。

除此之外，ω為三維向量，其分量分別是質(zhì)點(diǎn)在x,y,z三個(gè)方向上的位移，即：

(5)

3.1 不同激勵(lì)下的傳播特性

通過(guò)WAVE3000軟件對(duì)周向Lamb波在變徑管中的傳播進(jìn)行了模擬仿真試驗(yàn)?？紤]計(jì)算效率和實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)的配置等問(wèn)題，仿真試驗(yàn)變徑管的尺寸取大管徑端至小管徑端的垂直方向長(zhǎng)度20 mm的一段進(jìn)行數(shù)值模擬，也就是柱面坐標(biāo)z軸的范圍為0～20 mm。信號(hào)發(fā)射源采用半徑為10 mm的圓形發(fā)射源，圓形中心位置柱面坐標(biāo)為(123.75,0,10)。信號(hào)為5周期高斯窗調(diào)制的正弦脈沖信號(hào)，激勵(lì)信號(hào)頻率為500 kHz，信號(hào)持續(xù)振動(dòng)10 μs，仿真時(shí)間為100 μs。變徑管三維模型如圖5所示。

圖5 變徑管三維模型示意

分別采用30°，45°，60°三種不同入射角度的壓電晶片作為激勵(lì)信號(hào)。3個(gè)圓形接收源中心的柱面坐標(biāo)分別為(123.75,30,10)、(123.75,60,10)、(123.75,90,10)，圓形接收源半徑都為2 mm。雖然所建模型為三維立體，但只能顯示某一個(gè)切面的波場(chǎng)快照，文中所選波場(chǎng)快照均為激勵(lì)源正中心所在切面。得到不同傳播時(shí)間、不同晶片角度激勵(lì)下的變徑管波場(chǎng)快照如圖6～8所示。

圖7 45°壓電晶片激勵(lì)下的波場(chǎng)快照

圖8 60°壓電晶片激勵(lì)下的波場(chǎng)快照

從圖6～8中可以看出，當(dāng)壓電晶片激勵(lì)信號(hào)時(shí)，超聲波經(jīng)過(guò)有機(jī)玻璃與變徑管界面時(shí)，一部分聲波反射回來(lái)，被有機(jī)玻璃左邊的無(wú)限邊界所吸收；另一部分聲波透射進(jìn)入鋼管，在變徑管的內(nèi)外壁往復(fù)地反射以及波形轉(zhuǎn)換，形成周向Lamb波在變徑管中傳播。經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，3種不同入射角度的晶片有較大差異，該差異也會(huì)直接影響周向Lamb波在變徑管缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用。30°壓電晶片激勵(lì)信號(hào)在變徑管中周向Lamb波的波包較寬、頻散嚴(yán)重，不利于實(shí)際檢測(cè)；45°壓電晶片在變徑管中周向Lamb波的波包比較集中，在傳播過(guò)程中聲場(chǎng)覆蓋整個(gè)壁厚，有希望實(shí)現(xiàn)厚壁管道的缺陷檢測(cè)；60°壓電晶片在周向Lamb波中剛開(kāi)始傳播時(shí)，波包比較集中，聲場(chǎng)覆蓋整個(gè)壁厚，但傳播一定距離時(shí)，聲束主要覆蓋管道外表面至中部附近，內(nèi)表面附近聲場(chǎng)很弱。

進(jìn)一步分析不同角度壓電晶片對(duì)檢測(cè)產(chǎn)生的影響，分別對(duì)30°，45°，60°壓電晶片的接收源1、接收源2、接收源3進(jìn)行分析，其不同接收源所接收波形如圖9所示。

圖9 不同晶片角度、不同接收源所接收的波形

從圖9可知：30°激勵(lì)信號(hào)的波包很寬，且波包寬度隨傳播距離逐漸增加，同時(shí)，主要傳播模式附近存在較多其他模式的導(dǎo)波，不適合采用該角度探頭檢測(cè)變徑管；45°和60°壓電晶片激勵(lì)信號(hào)在變徑管中形成的周向Lamb波波包單一，信號(hào)較圓滑，所存在的幾種模式以一個(gè)包絡(luò)進(jìn)行傳播，其他模式導(dǎo)波對(duì)檢測(cè)的影響較小，檢測(cè)變徑管可采用楔塊角度為45°和60°的探頭，也可以采用45°～60°之間任意角度的探頭。

3.2 不同傾斜角度變徑管的傳播特性 壓電晶片采用半徑為3 mm的圓形發(fā)射源，角度為55°。a、b、c接收源軸向分布在變徑管表面(a為大管徑端接收源，b為中間接收源，c為小管徑端接收源)，接收源都在壓電晶片順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°的位置，圓形接收源中心的柱面坐標(biāo)為：恒徑管a(123.75,90,5)、b(123.75,90,10)、c(123.75,90,15)，變徑管a(124.375,90,5)、b(123.75,90,10)、c(123.125,90,15)，45°變徑管a(128.75,90,5)、b(123.75,90,10)、c(118.75,90,15)，60°變徑管a(132.41,90,5)、b(123.75,90,10)、c(115.09,90,15)。其中，變徑管圓形接收源半徑都為2 mm。不同傾斜角度變徑管模型如圖10所示，圖10(a)為激勵(lì)源正中心所在切面，這時(shí)切片顯示的是b接收源，圖10(b)為a、b、c接收源的具體位置。

圖10 不同傾斜角度變徑管模型

為了清楚看出不同傾斜角度的變徑管對(duì)接收波形的變化情況，對(duì)a、b、c接收源所接收波形進(jìn)行比較分析(見(jiàn)圖11)。

圖11 不同傾斜角度變徑管的接收波形

由圖11可知，整體上看，周向Lamb波在恒徑管和變徑管中傳播時(shí)，其模態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換，模態(tài)的成分發(fā)生變化。比較恒徑管與變徑管a、b、c接收源接收到的波形，變徑管接收波包減少，主波形的幅值略微增大，這是由于發(fā)生了模態(tài)轉(zhuǎn)換，幾種模態(tài)形成的兩個(gè)波包變?yōu)橐粋€(gè)波包，能量更集中。隨著變徑管的傾斜角度越來(lái)越大，能量逐漸減小。當(dāng)變徑管的傾斜角度為45°，60°時(shí)，a、b、c接收源接收到的幅值都有很大幅度地減小，形成很多波包，整體波包變寬、頻散嚴(yán)重。

對(duì)同一管子a、b、c接收源接收能量及頻散程度進(jìn)行分析，得到不同管子的不同接收源接收的波形對(duì)比圖(見(jiàn)圖12)。

圖12 不同管子的不同接收源接收的波形

由圖12可知，當(dāng)變徑管的傾斜角度較小時(shí)，接收到的波形變化不大，模態(tài)較少，有利于進(jìn)行缺陷檢測(cè)；當(dāng)變徑管的傾斜角度較大時(shí)，其接收到的波形模態(tài)較多、能量分散、頻散嚴(yán)重，不利于進(jìn)行缺陷的識(shí)別。當(dāng)管子為恒徑管時(shí)，接收源接收波形幅值大小依次為b>a=c；當(dāng)管子為變徑管時(shí)，接收源接收波形幅值大小依次為b>c>a；當(dāng)管子為45°變徑管時(shí)，接收源接收波形幅值大小依次為b>c>a；當(dāng)管子為60°變徑管時(shí)，接收源接收波形幅值大小依次為a>b>c。綜上所述，當(dāng)變徑管的傾斜角度為0°～45°時(shí)，其b接收源接收的幅值最大，壓電晶片激勵(lì)源正中心所在切面的接收源接收的能量最強(qiáng)。變徑管半徑較小的小頭端c接收源接收的波形幅值大于半徑較大的大頭端a接收源所接收的波形幅值。也就是說(shuō)，當(dāng)周向?qū)Рㄔ谧儚焦苤袀鞑r(shí)，由于徑厚比發(fā)生變化，其接收的超聲波軸向能量發(fā)生了改變。檢測(cè)缺陷時(shí)，應(yīng)該盡量使壓電晶片正中心所在切面與缺陷正中心切面重合，或者讓壓電晶片正中心所在切面偏向缺陷正中心的大管徑端。

4 變徑管中超聲導(dǎo)波的傳播特性

超聲導(dǎo)波在管道中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生頻散現(xiàn)象和多模態(tài)特征，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)多個(gè)模態(tài)互相干涉的現(xiàn)象，導(dǎo)致信號(hào)識(shí)別存在困難，文中所有信號(hào)都是經(jīng)過(guò)Chirp(編碼脈沖技術(shù))調(diào)制處理的信號(hào)。通過(guò)周向?qū)Р↙amb波在變徑管中傳播特性的分析，得到最優(yōu)的檢測(cè)信號(hào)，雙探頭實(shí)物連接外觀如圖13所示，待測(cè)試樣為壁厚30 mm、大管徑端外徑250 mm、小管徑端外徑100 mm的變徑管，將激勵(lì)/接收壓電換能器分別置于厚壁管道外表面距大管徑端60 mm處，且相對(duì)周向距離為200 mm處。采用一發(fā)一收雙探頭模式，試驗(yàn)時(shí)確保楔塊與變徑管表面耦合良好。

圖13 雙探頭實(shí)物連接外觀

4.1 不同激勵(lì)下的傳播特性 采用500 kHz和700 kHz兩種激勵(lì)頻率，楔塊角度分別取37°，45°，55°，周期數(shù)為9。為了方便比較，分別設(shè)置參數(shù)為：激勵(lì)頻率500 kHz，楔塊角度55°，不加增益；激勵(lì)頻率700 kHz，楔塊角度55°，增益設(shè)為5 dB；其他不同頻率、不同角度的探頭增益均為10 dB。激勵(lì)頻率分別為500，700 kHz，不同楔塊角度激勵(lì)信號(hào)的包絡(luò)波形如圖14～15所示。

圖14 激勵(lì)頻率500 kHz、不同楔塊角度激勵(lì)信號(hào)的包絡(luò)波形

圖15 激勵(lì)頻率700 kHz、不同楔塊角度激勵(lì)信號(hào)的包絡(luò)波形

通過(guò)圖14和圖15可知，當(dāng)激勵(lì)頻率為500 kHz時(shí)，由于楔塊為55°時(shí)不加增益，跟其他角度楔塊相比，此時(shí)的幅值最大、波包寬度最小，說(shuō)明頻散程度小、模態(tài)少、信噪比最小，有利于實(shí)際檢測(cè)；37°楔塊斜探頭的幅值其次，這時(shí)的波包寬度最大、模態(tài)多、不利于檢測(cè)；45°楔塊斜探頭的幅值最小。當(dāng)激勵(lì)為700 kHz時(shí), 55°楔塊斜探頭的幅值最大，37°楔塊斜探頭的幅值其次，45°楔塊斜探頭的幅值最小。所以，當(dāng)激勵(lì)頻率為500 kHz時(shí)，45°和55°楔塊斜探頭適合對(duì)變徑管進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí),也驗(yàn)證了仿真的準(zhǔn)確性。當(dāng)激勵(lì)頻率為700 kHz時(shí)，楔塊角度為37°，45°，55°時(shí)都存在頻散、模態(tài)多、波包寬等現(xiàn)象，不適合對(duì)變徑管進(jìn)行檢測(cè)。

4.2 不同周期下的傳播特性

采用500 kHz和700 kHz兩種激勵(lì)頻率，楔塊角度都選取為55°，周期為1，3，5，7,9,12,14,16,18,20。其中，激勵(lì)頻率為500 kHz的壓電晶片不加增益，激勵(lì)頻率為700 kHz的增益調(diào)整為5 dB。得到激勵(lì)信號(hào)周期數(shù)與幅值、波包寬度的關(guān)系，如圖16所示。

由圖16(a)可知：當(dāng)激勵(lì)信號(hào)周期數(shù)為1時(shí)，激勵(lì)頻率為500 kHz的波包幅值為0.107 3 V，激勵(lì)頻率為700 kHz的波包幅值為0.048 V；當(dāng)激勵(lì)信號(hào)周期數(shù)增長(zhǎng)到20時(shí)，頻率500 kHz的波包幅值為0.233 8 V，頻率700 kHz的波包幅值為0.067 2 V。總之，激勵(lì)頻率為500 kHz和700 kHz的波包幅值都是隨著激勵(lì)信號(hào)周期數(shù)的增大相應(yīng)增大，然后趨于平穩(wěn)。當(dāng)激勵(lì)信號(hào)頻率為500 kHz時(shí)，幅值開(kāi)始增長(zhǎng)得比較快，而頻率為700 kHz信號(hào)的幅值比較穩(wěn)定。由圖16(b)可知：當(dāng)激勵(lì)信號(hào)周期數(shù)為1時(shí)，500 kHz的波包寬度為14.5 mm，700 kHz的波包寬度為41.7 mm；當(dāng)激勵(lì)信號(hào)周期數(shù)增長(zhǎng)到20時(shí)，500 kHz的波包寬度為46 mm，700 kHz的波包寬度為74.1 mm。兩種頻率的波包寬度會(huì)隨著激勵(lì)信號(hào)周期數(shù)的增大，總體呈增大趨勢(shì)。由于波包的寬度與檢測(cè)分辨率息息相關(guān)，因此檢測(cè)時(shí)激勵(lì)信號(hào)的周期數(shù)也不宜過(guò)高。所以，從檢測(cè)時(shí)信號(hào)的分辨率和信噪比兩方面考慮，取7～12周期為檢測(cè)變徑管的最佳周期數(shù)。

圖16 激勵(lì)信號(hào)周期數(shù)與幅值、波包寬度的關(guān)系曲線

5 結(jié)論

(1) 楔塊角度是影響變徑管導(dǎo)波檢測(cè)的重要因素。當(dāng)確定楔塊角度為45°和60°時(shí)，周向?qū)Р↙amb波波包集中，而且楔塊角度為60°時(shí)可以對(duì)中外壁進(jìn)行檢測(cè)，楔塊角度為45°時(shí)可以對(duì)整個(gè)壁厚進(jìn)行檢測(cè)。

(2) 變徑管傾斜角度決定其周向Lamb波檢測(cè)的難易程度。當(dāng)變徑管傾斜角度較小時(shí)，其主模態(tài)變化小。雖然模態(tài)成分發(fā)生改變，但是可以周向Lamb波對(duì)變徑管進(jìn)行檢測(cè)。與恒徑管相比，當(dāng)檢測(cè)變徑管時(shí)，徑厚比發(fā)生變化，其接收的超聲波軸向能量發(fā)生了改變。應(yīng)該盡量使壓電晶片正中心所在切面與缺陷正中心切面重合，或者讓壓電晶片正中心所在切面偏缺陷正中心的大管徑端。隨著變徑管傾斜角度的增大，當(dāng)變徑管的傾斜角度為45°和60°時(shí)，接收源接收波形幅值大幅減小、模態(tài)增多、波包很寬、頻散嚴(yán)重，很難采用周向Lamb波對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。

(3) 激勵(lì)頻率的影響在變徑管導(dǎo)波檢測(cè)中起著重要作用，在周期等其他條件不變的情況下，將500 kHz與700 kHz激勵(lì)頻率所傳播接收的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，激勵(lì)信號(hào)為500 kHz時(shí)所接收的波形幅值大，且頻散小、波包寬度小，楔塊角度為45°和55°的斜探頭能對(duì)變徑管進(jìn)行檢測(cè)。激勵(lì)信號(hào)為700 kHz時(shí)幅值小、頻散嚴(yán)重、對(duì)檢測(cè)效果不好，接收缺陷波形容易與周向?qū)Рúㄐ位旌?，造成漏檢。

(4) 對(duì)于試驗(yàn)所涉及的待測(cè)試樣，激勵(lì)頻率為500 kHz時(shí)，無(wú)論激勵(lì)頻率是500 kHz還是700 kHz，檢測(cè)變徑管周向Lamb波信號(hào)最佳檢測(cè)周期選取為7～12。

[1] GAO W, GLORIEUX C, THOEN J. Study of circumference waves and their interaction with defects on cylindrical shells using line-source laser ultrasonics[J]. Journal of Applied Physics, 2002,91(9):6114-6119.

[2] LIU Y, LI Z, GONG K. Detection of a radial crack in annular structures using guided circumferential waves and continuous wavelet transform[J].Mechanical Systems and Signal processing, 2012,30(7):157-167.

[3] ALLEYNE D, CAWLEY P. The long detection of corrosion in pipes using lamb waves[J]. Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation, 1995, 14: 2073-2080.

[4] MOON H P, IN S K, YOUNG K Y. Ultrasonic inspection of long steel pipes using Lamb waves[J]. NDT&E International, 1996, 29(1): 13-20.

[5] 宋振華, 王志華, 黃世清, 等. 基于縱向超聲導(dǎo)波信號(hào)特性的管道損傷檢測(cè)研究[J]. 機(jī)械強(qiáng)度, 2011,33(1): 55-61.

[6] LOWE M J S, ALLEYENE D N, CAWLEY P. Defect detection in pipes using guided waves[J]. Ultrasonics, 1998, 36(1): 147-154.

[7] ROSE J L, HONGERHOLT D D, SAMES D J. Laser based guided wave experiments for tubing[J]. Experimental Mechanics, 1997, 37(2):165-168.

[8] 楊胡, 王成.管道裂紋縱向超聲導(dǎo)波檢測(cè)仿真研究[J].中北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,27(4):348-351.

[9] 湯立國(guó), 程建春, 王金蘭. 管道中激光激發(fā)瞬態(tài)導(dǎo)波的理論研究[J].聲學(xué)學(xué)報(bào),2001, 26(6): 489-496.

[10] GRACE O D, GOODMAN R R. Circumferential waves on solid cylinders[J]. The Journal of the Acoustical Society of America,1966,39(1): 173-174.

[11] LEFEBVRE J E, ZHANG V, GAZALET J, et al. Legendre polynomial approach for modeling free-ultrasonic waves in multilayered plates[J]. Journal of Applied Physics, 1999,85(7): 3419-3427.

[12] 吳斌, 頡小東, 劉增華. 厚壁管道周向?qū)Рz測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究[J]. 實(shí)驗(yàn)力學(xué), 2011,26(5): 625-631.

[13] 葛建明, 劉興林, 戴翔. 基于周向?qū)Рǖ暮癖诠艿廊毕輽z測(cè)及成像[J]. 無(wú)損檢測(cè), 2015, 37(8): 39-42.

[14] AULD B A. Acoustic fields and waves in solids[M]. Malabar:[s.n], 1990.

[15] 黃松嶺. 電磁超聲導(dǎo)波理論與應(yīng)用[M]. 北京：清華大學(xué)出版社, 2013.

Propagation Characteristics of Circumferential Guided Waves of Taper Pipe

HE Yuebin, CHEN Guo, LU Chao, XIAO Jiachen, SHI Wenze, CHEN Xiao

(Key Laboratory of Nondestructive Testing of Ministry of Education, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China)

In this paper, the propagation characteristics of the taper pipe are studied by the circumferential guided Lamb wave. The wedge angle of the probe used to detect the reducer is selected by simulation software WAVE3000. And the propagation characteristics of the circumferential Lamb waves are analyzed for the different diameters. At the same time, the propagation characteristics of the circumferential Lamb waves with different excitation frequencies in the taper tube are studied, and the characteristics of the dispersion of the

signal and the signal-to-noise ratio are analyzed. The optimal number of excitation signals is given. The above studies provide guidance for circumferential guided wave detection of taper pipe.

taper pipe;circumferential guided wave; Lamb wave; ultrasonic propagation

2016-12-03

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11374134,51265044)

何躍斌(1990-),男,碩士研究生, 主要從事超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究工作,524529314@qq.com

盧 超(1971-), 男, 教授，主要從事固體聲學(xué)及超聲檢測(cè)研究工作，luchaoniat@163.com

10.11973/wsjc201707001

TG115.28

A

1000-6656(2017)07-0001-07