管道超声导波检测中信号选取实验研究.pdf

维普资讯 第 32卷 第 8期 北 京 工 业 大 学 学 报 VO132 NO 8 2006年 8月 JOURNAIOFBEIJINGUNIVERSITYOFTECHNOIOGY Aug．2006 管道超声导波检测中信号选取的实验研究 刘增华，吴 斌，李隆涛，何存富，王秀彦 (北京工业大学 机械工程与应用 电子技术学院，北京 100022) 摘 要：为了研究信号选取对缺陷检测的影响，激励4个不同周期数但中心频率均为 120kHz的单音频信号，对 长7．12rn的管道中的单缺陷进行了检测．检测结果表明，20个周期的单音频信号适合检测该管道中的缺陷． 当单音频信号周期数较小时，激励的L(0，2)模态波形较窄，频带较宽，信噪比较低，并且当该模态遇到缺陷后， 反射的一些转换模态(如弯 曲模态)频散严重，不利于模态识别和缺陷检测 ．当周期数逐渐增加至 ·定数量时． L(0，2)模态频带变窄，频散程度变小，信噪比更高，有利于管道的缺陷检测．周期数过多，尽管模态控制较好，但 各缺陷回波波形持续时间较长，彼此之间容易相互叠加，反而影响缺陷定位和识别 关键词 ：导波 ；单音频信号；缺陷检测 ；频散 ；模态 中图分类号：TG115．28 文献标识码 ：A 文章编号 ：0254—0037(2006)08—0699—05 超声导波沿管道能传播较远的距离，可达几十米，甚至上百米，适合长距离管道检测[1-4]．超声导波具 有多模态特性，模态不同，波结构和频散程度也不相同，对不同类型缺陷敏感程度也相差较大，因此，可以 采用不同模态检测管道中多类型缺陷．但为了避免多个模态波形相互叠加，在管道缺陷检测时，通常 1次 只激励单一模态，并抑制其他模态．通常选取的模态频散要求较小，对某一或多类型缺陷敏感．然而，当 激励的某一模态遇到缺陷时，会产生复杂的模态转换现象，影响检测效果．为此，在管道导波检测时，在采 用专用探头的基础上，通常选取特定频率的单音频信号控制和选取所需模态用于管道检测 ．李隆涛等通 过调整激励信号抑制 了L(0，1)模态的频散 5J，但前提是必须得到特定模态在特定位置 的波形，应用范围 受到了很大限制．Lowe等选取了经Hanning窗调制的10个周期正弦信号作为激励信号，在管中激励了 频率为70kHz的 L(0，2)模态，分别得到了 L(0，2)和其转换模态 F(1，3)的反射系数与缺陷尺寸的变化 关系曲线 6J．但文献中没有分析该信号周期数的变化对缺陷检测效果的影响，并且其研究的周 向缺陷尺 寸比较规则，而在工程实际中，管道缺陷形状很少是规则的，转换模态现象也将更复杂和严重．由于经 Hanning窗调制的多个周期正弦信号常用来作为管道超声导波检测时的激励信号，因此作者通过改变该 信号周期数来分析信号选取对管道缺陷检测的影响． 管道中的超声导波 管道 中沿轴向传播的超声导波模态有纵向模态、扭转模态和弯曲模态 3种 7]．其中，前 2种模态均为 轴对称模态，常用于管道的缺陷检测．弯曲模态为非轴对称模态，传播特性较为复杂，应用较少，主要用 于特殊场合(如空间受到限制的地方)．作者利用长度伸缩型压 电陶瓷片在管道 中激励纵向模态 L(0，2) 检测管道缺陷，分析了激励信号对检测效果的影响．图 1给出了频带0～300kHz时，钢管中听有纵向模 态和弯曲模态的群速度频散曲线．其中，管道外直径 32mm，壁厚 3mm，密度 7．8×10kg／m ，纵波波速 5．96m／ms，横波波速 3．26m／ms．从图 1可以看出： 1)在频带 0～300kHz时，只有 2个纵向模态，分别为 L(0，1)、L(0，2)模态．其中，L(0，2)模态在频 带(90～300)kHz时，频散较小，群速度最大，适合检测管道缺陷． 收稿 日期 ：2005—10—08． 基金项 目：国家 自然科学基金资助项 目10372009；北京市 自然科学基金资助项 目(4052008)；北京市 教育委员会资助项 目(KZ200510005004，KM200310005012，KM200410005003)． 作者简介 ：刘增华(1973一)，男，江西湖 口人