橫波探頭的檢測(cè)特性和檢測(cè)可行性分析

趙鈺龍++于灝++高雨航++劉彭

摘 要：本文研究了橫波探頭在金屬板中的激勵(lì)特性，分析了500kHz下金屬板典型導(dǎo)波模態(tài)的波結(jié)構(gòu)圖，得到了橫波探頭與板中典型導(dǎo)波模態(tài)關(guān)系，并通過(guò)數(shù)值仿真的方法進(jìn)行分析。對(duì)橫波探頭在金屬板中激勵(lì)導(dǎo)波檢測(cè)性給予了評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)波 橫波 無(wú)損檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TG1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）10（c）-0086-02

石油、天然氣是極為重要的能源。用來(lái)存儲(chǔ)、運(yùn)輸原油和燃?xì)獾拇笮褪汀⑷細(xì)鈨?chǔ)罐、管道在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，有著不可替代的作用[1]。在長(zhǎng)時(shí)間的服役中，受到所在地環(huán)境的影響以及其內(nèi)部介質(zhì)的沖刷容易產(chǎn)生腐蝕缺陷，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效產(chǎn)生泄漏危害生命財(cái)產(chǎn)安全。超聲導(dǎo)波可以應(yīng)用于大面積金屬板材、管材的無(wú)損檢測(cè)和健康狀態(tài)評(píng)估，大幅提高效率的同時(shí)保障了生命財(cái)產(chǎn)安全。

1 導(dǎo)波概述

超聲導(dǎo)波是利用超聲波在媒介中的傳播特性，使其在邊界條件下不斷散射而形成波陣面的一種特殊超聲波。該技術(shù)適用于板、桿、管等典型結(jié)構(gòu)的缺陷檢測(cè)和健康狀況評(píng)估，因其具有檢測(cè)范圍大、效率高、檢測(cè)全面等諸多優(yōu)點(diǎn)[2，3]，使得該技術(shù)受到國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注。

2 橫波探頭

橫波探頭可在未轉(zhuǎn)換折射波模式的情況下將橫波直接射入到被測(cè)工件中。當(dāng)橫波探頭放置于試件表面，橫波探頭可在垂直于檢測(cè)試件表面方向激勵(lì)出橫波，此時(shí)橫波探頭偏振方向平行于試件表面。橫波探頭在板中的超聲導(dǎo)波類型主要包括SH波、SV波、Lamb波（置于空氣或真空中板內(nèi)的 Lamb波，其能量在理論上不向板外擴(kuò)散）和漏Lamb波（置于液體中板內(nèi)的Lamb波）等。

3 板中波的模態(tài)

為了利用橫波探頭在金屬板中激勵(lì)典型導(dǎo)波模態(tài)，通過(guò)分析金屬板中導(dǎo)波模態(tài)的波結(jié)構(gòu)來(lái)確定橫波探頭的檢測(cè)特性。分析鋁板的頻散方程可以在0Hz～2000kHz范圍內(nèi)有SH波與Lamb波。在此頻率范圍內(nèi)SH波只存在SH0模態(tài)，并且SH0模態(tài)沒(méi)有頻散。在此頻率范圍內(nèi)Lamb波存在S0模態(tài)與A0模態(tài)。

4 有限元仿真分析

利用ANSYS進(jìn)行有限元分析的過(guò)程中需要模型設(shè)計(jì)、建模計(jì)算和信號(hào)處理三個(gè)步驟。在仿真超聲波傳播過(guò)程時(shí)，網(wǎng)格尺寸le與超聲波的波長(zhǎng)應(yīng)滿足式（1）：

（1）

式中：λmin為計(jì)算中的超聲波中最小的波長(zhǎng)。

為了測(cè)試傳感器，將橫波探頭放置在鋁板上作為激勵(lì)源，頻率為500kHz。將接收信號(hào)橫波探頭放置在以激勵(lì)信號(hào)橫波探頭為圓心，半徑300mm的1/4個(gè)圓周上，角度間隔為10°。為了驗(yàn)證其檢測(cè)性，對(duì)傳感器和待測(cè)板進(jìn)行建模，板長(zhǎng)2m，寬為2m，厚0.002m。缺陷是位于形心處直徑為0.008m的通孔，傳感器距其0.02m，以SH0模態(tài)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。

5 信號(hào)處理

在進(jìn)行有限元模擬仿真過(guò)程中傳感器激勵(lì)接收了各個(gè)方向的導(dǎo)波信號(hào)。各個(gè)模態(tài)的波，由于波速不同分散為各個(gè)波包。從0°逆時(shí)針圍繞激勵(lì)傳感器移動(dòng)接收傳感器到90°的過(guò)程中，S0模態(tài)波包從無(wú)到有幅值逐漸增大，而SH0模態(tài)波包的幅值不斷減小直至消失。

在對(duì)仿真信號(hào)進(jìn)行處理的過(guò)程中，需要通過(guò)對(duì)各個(gè)波包的波速進(jìn)行求解，并與相應(yīng)導(dǎo)波模態(tài)的理論群速度進(jìn)行對(duì)比。波速可以用距離差和其對(duì)應(yīng)的時(shí)間差表示為式（2）：

（2）

激勵(lì)信號(hào)為5周期，中心頻率為500kHz，HANNING窗調(diào)制的音頻信號(hào)。根據(jù)分析導(dǎo)波信號(hào)的基本原理和算法，可以計(jì)算出缺陷的具體位置：

有限元模型中，缺陷位于板的形心處，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際缺陷位置的誤差較小，證明了橫波探頭的檢測(cè)性。

6 結(jié)語(yǔ)

首先對(duì)金屬板中基于橫波探頭的導(dǎo)波激勵(lì)特性進(jìn)行研究，確定了橫波探頭偏振方向與在金屬板中激勵(lì)的典型導(dǎo)波模態(tài)傳播方向的關(guān)系。其次通過(guò)模擬確定了該探頭對(duì)板中缺陷的檢測(cè)性，成功地發(fā)現(xiàn)了缺陷位置。

參考文獻(xiàn)

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