利用壓電超聲導波時間反轉(zhuǎn)法的管道結構裂紋監(jiān)測研究.pdf

1、本文的主要工作是對壓電超聲導波時間反轉(zhuǎn)法在管道結構健康監(jiān)測中應用進行研究。與傳統(tǒng)的管道結構常規(guī)超聲無損監(jiān)測過程相比，時間反轉(zhuǎn)法可以很好地解決傳統(tǒng)方法中聚焦點散焦，形成相差畸變、圖像失真和模糊問題。結構健康監(jiān)測的超聲導波時間反轉(zhuǎn)處理可以使復雜的信號實現(xiàn)信號聚焦或重建，且參與的傳感器數(shù)量越多，聚焦效果越明顯;信號復雜程度越高，聚焦前后信號的反差越大。本文在國內(nèi)首次對充液埋地管道結構的裂紋監(jiān)測進行了理論和試驗研究。開發(fā)了一套快捷準確的試驗系統(tǒng)

2、，對準確判定管道結構完整性，提高其監(jiān)測水平具有重要的現(xiàn)實意義。主要的研究成果可以概括為以下幾個方面。
　　(1)根據(jù)時間反轉(zhuǎn)方法基本原理推導了超聲導波時間反轉(zhuǎn)聚焦理論公式并進行試驗驗證。對單個以及多個壓電傳感器在板中的信號時間反轉(zhuǎn)聚焦過程進行了試驗研究，實現(xiàn)了對窄帶超聲導波信號的時反聚焦，為后續(xù)試驗奠定基礎。結果表明:板中聚焦信號分為兩部分，第一部分為零時刻主波峰，該波峰為監(jiān)測信號中多個模式的聚焦，也是各監(jiān)測信號的聚焦，波峰幅值顯

3、著增大;第二部分為旁瓣波峰，各旁瓣出現(xiàn)的時刻也不盡相同，互相之間不會發(fā)生疊加，有時甚至會互相抵消，主波峰信號顯著突出。
　　(2)研究確定合理的選擇在管道中傳播的超聲導波模態(tài)和激勵頻率的基本原則，使其頻散最小，以簡化管道超聲回波信號分析的復雜性。根據(jù)頻散曲線的模態(tài)特征及管道徑向位移和應力分布曲線，確定導波的模態(tài)和激勵頻率，通過截止頻率計算和頻散曲線比較，確定激勵頻率盲區(qū)的范圍;根據(jù)信號的頻譜圖和激勵脈沖的寬度來確定激勵信號的周期數(shù)

4、。多個單音頻疊加信號經(jīng)HANNING窗調(diào)制窄帶激勵，既可以提高信號強度，又可以增加導波的傳播距離。結果表明:周期數(shù)目高的信號，頻帶窄，有利于頻率控制;周期數(shù)多，在時域內(nèi)信號持續(xù)時間長，波形易疊加，一般折中選擇。
　　(3)根據(jù)脈沖回波法，分別對無損管道、含周向裂紋管道、含軸向裂紋管道和含不同夾角的斜裂紋管道進行了數(shù)值模擬。給出了L(0，2)模態(tài)和T(0，1)模態(tài)導波在管道中傳播的可視化結果，并對導波在有損和無損管道中的傳播情況做了

5、分析。對各種損傷信號進行時間反轉(zhuǎn)處理，并進行了比較。對含裂紋管道模擬的結果表明:導波在缺陷處不但發(fā)生反射和透射現(xiàn)象，而且還會發(fā)生模態(tài)轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換的模態(tài)多為彎曲模態(tài);當激勵的導波能量相當時，時間反轉(zhuǎn)導波監(jiān)測方法獲得的信號中缺陷回波的幅值將比直接導波監(jiān)測方法獲得的大，因此，對小缺陷的監(jiān)測能力增強。缺陷造成的模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象和時間反轉(zhuǎn)信號取點率是決定時間反轉(zhuǎn)聚焦增強監(jiān)測能力的重要因素。
　　(4)利用壓電超聲導波對管道結構中缺陷進行監(jiān)測的試

6、驗研究。分別在管道中激勵L(0，2)模態(tài)和T(0，1)模態(tài)的導波信號，對管道中存在的周向裂紋、軸向裂紋和斜裂紋分別進行監(jiān)測，確定缺陷所在位置以及各模態(tài)所敏感的缺陷形式。試驗結果表明:將各時間反轉(zhuǎn)激勵信號單獨激勵再疊加的方式可以增強導波缺陷監(jiān)測能力，并將此過程稱為近似時間反轉(zhuǎn)監(jiān)測。信號經(jīng)時間法反轉(zhuǎn)處理后，無論對于周向裂紋、軸向裂紋、還是斜裂紋缺陷反射系數(shù)較直接導波監(jiān)測方法有所增大，說明時間反轉(zhuǎn)方法有利于小缺陷的監(jiān)測。同時在信號中出現(xiàn)了許多

7、其它模態(tài)的波包，會對信號的判讀造成一定影響。在管道參數(shù)等條件相同的前提下，模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象越嚴重，時間反轉(zhuǎn)法越能在更大程度上提高原有導波缺陷監(jiān)測的能力。這與數(shù)值模擬得到的分析結果是一致的。
　　(5)推導出了充液埋地管道的頻散方程，計算了管道中不同模態(tài)的頻散和衰減等特性。隨著頻率的增加，模態(tài)衰減值也相應增大，同時導波波長變小，對缺陷更加靈敏。由于衰減隨頻率增大而增大，監(jiān)測距離也隨之縮短。因此，在工程實際中需要根據(jù)監(jiān)測需要，進一步選擇頻