基于信息可視化的非線性超聲研究現(xiàn)狀及成熟度分析

尤衛(wèi)宏 王昭 張洪鵬 張寧 彭賢民 李保

摘? 要：基于信息可視化分析，對(duì)非線性超聲的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析。檢索Web of Science數(shù)據(jù)庫，得到非線性超聲相關(guān)文獻(xiàn)4 061篇。對(duì)關(guān)鍵詞進(jìn)行可視化分析及聚類分析，非線性超聲領(lǐng)域關(guān)鍵詞主要涉及6個(gè)方面，目前主要側(cè)重于理論研究。對(duì)于應(yīng)用范圍，在微裂紋、結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)等方面具有應(yīng)用前景。對(duì)非線性超聲的論文數(shù)及專利數(shù)進(jìn)行技術(shù)成熟度分析，結(jié)果表明其處在技術(shù)發(fā)展的增長期。

關(guān)鍵詞：非線性超聲；信息可視化分析；無損檢測(cè)；成熟度分析；關(guān)鍵詞分析

中圖分類號(hào)：O426? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）06-0080-04

Abstract： Based on the analysis of information visualization， the research status of nonlinear ultrasound is analyzed. 4 061 articles about nonlinear ultrasound were obtained by searching Web of Science database. For visual analysis and cluster analysis of keywords， the keywords in the field of nonlinear ultrasound mainly involve six aspects， which mainly focus on theoretical research at present. For the range of application， it has an application prospect in microcracks， structure monitoring and so on. The technology maturity of the number of papers and patents of nonlinear ultrasound is analyzed， and the results show that it is in the growth period of technology development.

Keywords： nonlinear ultrasound; information visualization analysis; non-destructive testing; maturity analysis; keyword analysis

在工程領(lǐng)域，存在大量長時(shí)間工作在高溫高壓等嚴(yán)苛環(huán)境中的金屬材料，在服役中逐漸產(chǎn)生微小損傷，當(dāng)累積損傷達(dá)到一定閾值后，將導(dǎo)致設(shè)備設(shè)施損壞、人員傷亡等重大安全事故。金屬的損傷累積階段占服役周期的大部分時(shí)間，因此，對(duì)材料早期的無損檢測(cè)具有重要的預(yù)警意義。

超聲波檢測(cè)技術(shù)具有適用性強(qiáng)、范圍廣、精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)，是無損檢測(cè)的重要技術(shù)方法。超聲檢測(cè)技術(shù)主要包括線性超聲和非線性超聲檢測(cè)，目前主要應(yīng)用的是線性超聲技術(shù)。線性超聲檢測(cè)技術(shù)利用聲波在傳播過程中的能量損失、反射、透射、衍射等特性來檢測(cè)和評(píng)估缺陷的大小和位置。線性超聲檢測(cè)常用于微裂紋累積引起的疲勞失效階段。如果材料缺陷的尺寸遠(yuǎn)小于超聲波波長的一半，或者如果測(cè)量材料的聲阻抗差異非常小，則線性超聲波對(duì)材料中早期缺陷的檢測(cè)能力顯著下降[1]。

疲勞微裂紋、早期位錯(cuò)疲勞損傷和界面不完整等小缺陷會(huì)產(chǎn)生諧波和次諧波；會(huì)導(dǎo)致波束混疊及諧振頻率的改變等聲學(xué)非線性效應(yīng)。非線性無損超聲檢測(cè)和評(píng)價(jià)方法對(duì)于分析頻率范圍內(nèi)的信號(hào)特征識(shí)別故障非常有用，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)線性超聲檢測(cè)的不足，是傳統(tǒng)線性超聲技術(shù)的有效補(bǔ)充[2]。

對(duì)于如何研究一門學(xué)科的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，許多學(xué)者認(rèn)為大量閱讀該學(xué)科領(lǐng)域的相關(guān)文獻(xiàn)是必要的。然而，對(duì)于工程領(lǐng)域工作者，徹底地閱讀一個(gè)領(lǐng)域所有的文獻(xiàn)是困難且?guī)缀醪豢赡芡瓿傻模绕鋵?duì)于剛剛進(jìn)入該領(lǐng)域的研究者。所以，有必要通過一個(gè)特殊的手段總結(jié)現(xiàn)有的文獻(xiàn)，以評(píng)估該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和未來的發(fā)展趨勢(shì)。因此本文通過信息可視化方法，對(duì)非線性超聲領(lǐng)域的文獻(xiàn)進(jìn)行收集并分析，為工程人員研判非線性超聲潛在應(yīng)用價(jià)值及趨勢(shì)提供參考[3]。

1? 文獻(xiàn)范圍

本文的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)基于ISI Web of Science引文文摘索引數(shù)據(jù)庫的網(wǎng)絡(luò)在線版本Science Citation In- Expanded（SCI-EXPANDED）數(shù)據(jù)庫。SCI數(shù)據(jù)庫是1961年由美國科學(xué)信息研究所（Institute for Scientific Information，簡稱ISI）在美國費(fèi)城創(chuàng)辦的引文數(shù)據(jù)庫，它是國際公認(rèn)的進(jìn)行科學(xué)統(tǒng)計(jì)與科學(xué)評(píng)價(jià)的主要三大科技文獻(xiàn)檢索工具之一。通過用“nonlinear ultrasonic”作為搜索主題的關(guān)鍵詞，用以代表與非線性超聲領(lǐng)域相關(guān)的文獻(xiàn)，檢索年份為全部年份，檢索到4 061篇文獻(xiàn)。

2? 研究手段

對(duì)檢索結(jié)果運(yùn)用VOSviewer等軟件進(jìn)行分析與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。文獻(xiàn)標(biāo)題和摘要是評(píng)價(jià)文獻(xiàn)參考價(jià)值的重要依據(jù)。關(guān)鍵詞是文獻(xiàn)中的重要信息和知識(shí)點(diǎn)。作者通常在文獻(xiàn)中列出3～8個(gè)關(guān)鍵詞，以反映論文的主題。對(duì)關(guān)鍵詞進(jìn)行相關(guān)性分析及聚類分析是文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)的關(guān)鍵步驟，通過定量和定性的關(guān)鍵詞分析，可以迅速找到當(dāng)前該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)及焦點(diǎn)，并使研究人員更容易發(fā)現(xiàn)具體問題。

同時(shí)，使用技術(shù)文獻(xiàn)分析方法和技術(shù)專利分析方法，對(duì)非線性超聲領(lǐng)域的文獻(xiàn)數(shù)量和專利數(shù)量進(jìn)行分析，以分析其技術(shù)發(fā)展成熟度。

3? 技術(shù)成熟度分析

一般認(rèn)為，技術(shù)的發(fā)展可以定量為一條用數(shù)學(xué)計(jì)算公式擬合模擬的曲線。在技術(shù)發(fā)展初期，一般符合指數(shù)模型，其在前期增長會(huì)比較迅速。在發(fā)展終末期，則符合logistic方程S型曲線的上半段，增長放緩[4]。

統(tǒng)計(jì)了非線性超聲領(lǐng)域每年的論文數(shù)量及德溫特專利庫收錄的國際專利數(shù)，進(jìn)行分析。對(duì)非線性超聲領(lǐng)域的每年發(fā)表文獻(xiàn)數(shù)量進(jìn)行作圖，如圖1所示，可以看出其增長較為符合指數(shù)型，增長速率漸漸加快。對(duì)每年專利數(shù)進(jìn)行分析，如圖2所示，可以明顯看出R-Square達(dá)到0.94以上，其與指數(shù)型方程擬合度較好。因此，結(jié)合論文數(shù)分析和專利數(shù)分析，可以表明其處在技術(shù)發(fā)展的增長期。這也與其目前側(cè)重于理論研究相吻合。

4? 聚類網(wǎng)絡(luò)圖分析

在檢索的相關(guān)文獻(xiàn)中，出現(xiàn)頻率10次以上的關(guān)鍵詞有420個(gè)，為了更清晰地呈現(xiàn)出這些關(guān)鍵詞的聚類關(guān)系，本文同樣繪制了關(guān)鍵詞聚類網(wǎng)絡(luò)圖，如圖3所示。圖中，每個(gè)圓圈代表一個(gè)關(guān)鍵詞，圓圈的大小反映了這個(gè)關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻率，為了避免標(biāo)簽的重疊，有些出現(xiàn)頻率低的關(guān)鍵詞沒有顯示，線條的密集程度反映了這些關(guān)鍵詞同時(shí)出現(xiàn)的頻率強(qiáng)度。頻率前100的關(guān)鍵詞列表見表1。

5? 關(guān)鍵詞類別分析

結(jié)合聚類網(wǎng)絡(luò)圖，可將關(guān)鍵詞分成6類。

第一類關(guān)鍵詞主要涉及超聲、非線性聲學(xué)、模擬、聲學(xué)、散射、動(dòng)力學(xué)、超聲成像、空化、頻率、傳感器、場(chǎng)、微氣泡、非線性傳播、振蕩、泡沫和梁等。主要涉及到非線性聲學(xué)的總體機(jī)理原理部分。

第二類關(guān)鍵詞主要涉及行為、衰減、聲速、微結(jié)構(gòu)、溫度、壓力、聲音、強(qiáng)度、機(jī)械性能、波傳播、分散、壓力、媒介、常量、彈性、磁滯、密度、依賴、吸收和超聲波聲速等。主要涉及環(huán)境因素對(duì)聲波特性的影響。

第三類關(guān)鍵詞主要涉及傳播、光譜學(xué)、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、損傷檢測(cè)、非線性超聲、無損評(píng)價(jià)、調(diào)制、材料剝離損傷、非線性、新科技、彈性波譜、相關(guān)性、裂縫、無損檢測(cè)、疲勞裂紋、復(fù)合材料、接口、裂紋、非線性接觸聲學(xué)、聲諧波發(fā)生、裂紋檢測(cè)、分層、導(dǎo)波、增長、定位、反射等。主要涉及非線性超聲的應(yīng)用及涉及的聲學(xué)原理。

第四類關(guān)鍵詞主要涉及模型、識(shí)別、設(shè)計(jì)、超聲電機(jī)、系統(tǒng)、水、振動(dòng)、預(yù)測(cè)、性能和層析成像等。主要涉及非線性超聲計(jì)算建模。

第五類關(guān)鍵詞主要涉及損傷、代際、波動(dòng)、疲勞損傷、蘭姆波、產(chǎn)生諧波、二次諧波、非線性超聲學(xué)、金屬疲勞、固體、超聲波動(dòng)、盤狀物、彈性波、蘭姆波、模式等。主要涉及對(duì)波的分析。

第六類關(guān)鍵詞主要涉及混凝土、損失評(píng)估、抗壓強(qiáng)度、微裂縫和砂漿等。主要涉及混凝土件等方面。

六類關(guān)鍵詞中涉及到機(jī)理的有4類，表明非線性超聲目前主要處在理論研究方面。在理論部分，非線性超聲涉及到諧波、二次諧波、蘭姆波等，其聲學(xué)路徑復(fù)雜，物理影響因素較多，數(shù)學(xué)計(jì)算分析難度較高。

在應(yīng)用方面，非線性超聲主要用來監(jiān)測(cè)早期裂紋發(fā)展[5]，如該技術(shù)發(fā)展成熟，有望在海洋平臺(tái)、導(dǎo)管架等海洋工程設(shè)施的關(guān)鍵部位設(shè)立原位監(jiān)測(cè)傳感器，以監(jiān)測(cè)海洋工程在惡劣工況下早期裂紋的產(chǎn)生，或通過對(duì)超聲特征的分析對(duì)比數(shù)據(jù)庫中設(shè)施的各壽命階段的聲學(xué)特征，以進(jìn)行設(shè)施的剩余壽命評(píng)估。一個(gè)因裂紋發(fā)展而成的事故，往往大部分時(shí)間階段都在裂紋的發(fā)展階段，及時(shí)將重大風(fēng)險(xiǎn)事故扼殺在發(fā)展階段具有充分的時(shí)間窗口。在這方面，未來有著重要的應(yīng)用意義和前景。

武漢科技大學(xué)的Chen[6]提出了一種新的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)無損檢測(cè)方法，該方法采用帶外源輸入的非線性自回歸移動(dòng)平均（NARMAX）建立了輸入信號(hào)與輸出響應(yīng)之間的時(shí)域模型。提出了基于時(shí)域數(shù)據(jù)的NARMAX模型的頻響（FRF），以獲得評(píng)估結(jié)構(gòu)健康狀況的指標(biāo)。

南京航空航天大學(xué)的Wang[7]提出了一種基于裂紋-波相互作用的非線性超聲技術(shù)研究疲勞裂紋的擴(kuò)展。為了精確地揭示蘭姆波的變化，建立了一個(gè)周圍有塑性區(qū)的呼吸裂紋模型。根據(jù)蘭姆波的基波分量和諧波分量計(jì)算的相關(guān)非線性參數(shù)隨疲勞裂紋的擴(kuò)展呈線性增加。相對(duì)非線性與超聲參數(shù)有關(guān)，如周期數(shù)和脈沖信號(hào)的激發(fā)頻率。此外，它還與傳感器與裂紋之間的角度有關(guān)，而不是它們之間的距離。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超聲非線性的增大趨勢(shì)與有限元分析結(jié)果吻合較好。

6? 國家（地區(qū)）分析

對(duì)論文發(fā)表作者所在國家（地區(qū)）進(jìn)行分析。如圖4所示，可以看出，在非線性超聲領(lǐng)域文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)較多的國家（地區(qū)）里，中國和美國是發(fā)表論文數(shù)最多的國家，同時(shí)也是國際間合作最多的國家。同時(shí)，檢索5年內(nèi)新發(fā)表的論文，引用數(shù)靠前的論文里，中國發(fā)表的較多，說明該領(lǐng)域我國發(fā)表論文質(zhì)量與數(shù)量均排在前列。根據(jù)不同顏色的聚類結(jié)果，中國與新加坡、澳大利亞、中國臺(tái)灣地區(qū)被分在同一聚類簇中，說明之間聯(lián)系較為密切。

7? 結(jié)束語

綜合來看，非線性超聲領(lǐng)域目前正處在技術(shù)發(fā)展期，幾類關(guān)鍵詞多數(shù)聚焦于理論方面，而該領(lǐng)域的整體文獻(xiàn)數(shù)量較少，表明其目前主要是在理論研究方面，在應(yīng)用方面有待深入挖掘。對(duì)于應(yīng)用范圍，在微裂紋、結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)等方面具有應(yīng)用前景。同時(shí)，非線性超聲學(xué)特性復(fù)雜，涉及到蘭姆波、諧波、二次諧波、非線性聲學(xué)等，物理及數(shù)學(xué)處理難度較高。中國和美國是該領(lǐng)域論文發(fā)表最多和國際間合作最多的國家。

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