基于寬帶脈沖激勵(lì)的管道導(dǎo)波時(shí)反檢測方法

周進(jìn)節(jié)，賈浩東,，鄭 陽

(1.中北大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030051)

(2.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100029)

超聲體波在介質(zhì)中的傳播速度不隨頻率變化，在檢測過程中采用時(shí)域窄、頻率寬的脈沖作為激發(fā)信號時(shí)，可有效實(shí)現(xiàn)缺陷信息的逐點(diǎn)檢測。而超聲導(dǎo)波在管中傳播距離遠(yuǎn)、衰減小，且質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)包含了整個(gè)壁厚的信息，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距、大范圍的檢測[1-2]。超聲導(dǎo)波具有頻散、多模態(tài)特性，使得利用超聲導(dǎo)波對管道缺陷進(jìn)行檢測時(shí)，要根據(jù)管道材料、直徑和壁厚計(jì)算頻散曲線，才能選出合適的激勵(lì)模態(tài)和激發(fā)信號類型、頻率[3]。在常規(guī)超聲導(dǎo)波技術(shù)中，在合適頻率點(diǎn)采用低階軸對稱模態(tài)進(jìn)行檢測時(shí)，選用時(shí)域和頻率均有限的窄帶脈沖激發(fā)，這是因?yàn)橛邢薜募ぐl(fā)信號頻率，可避免出現(xiàn)頻散、多模態(tài)現(xiàn)象，便于分辨缺陷信號。

但是由于在軸對稱模態(tài)下沿管道圓周方向能量分布均勻，因此采用軸對稱模態(tài)難以對小缺陷進(jìn)行有效檢測[4]。而非軸對稱模態(tài)下沿管道圓周方向能量分布不均勻，會導(dǎo)致常規(guī)檢測時(shí)缺陷反射回波波包難以辨識。當(dāng)缺陷恰好位于非軸對稱模態(tài)的自聚焦點(diǎn)時(shí)，可有效增強(qiáng)缺陷反射回波能量，有望提高對小缺陷的檢測精度，但在該檢測過程中需反復(fù)調(diào)整傳感器的入射角度、激發(fā)頻率等參數(shù)[5]。近年來，針對非軸對稱模態(tài)能量聚焦的檢測方法得到廣泛研究[6-9]。其中，Rose等[6-7]基于正交模態(tài)展開法提出的超聲導(dǎo)波相控陣聚焦方法，經(jīng)各通道延遲時(shí)間、幅值系數(shù)的調(diào)整，可將超聲導(dǎo)波能量聚焦在預(yù)定位置。文獻(xiàn)[8]～[11]研究了基于時(shí)間反轉(zhuǎn)過程將超聲導(dǎo)波能量聚焦在缺陷位置的檢測方法。但上述的超聲導(dǎo)波檢測方法均采用窄帶脈沖作為激勵(lì)信號。

在超聲導(dǎo)波檢測過程中，當(dāng)采用時(shí)域窄、頻率寬的激勵(lì)信號時(shí)，會導(dǎo)致頻散現(xiàn)象；而采用時(shí)域?qū)?、頻率窄的激勵(lì)信號時(shí)，會發(fā)生不同缺陷波形的疊加。目前，在導(dǎo)波檢測領(lǐng)域，已采用寬帶信號激勵(lì)，不僅可激發(fā)更多的能量，且可有效提高檢測速度。文獻(xiàn)[12]采用寬帶激勵(lì)板中的Lamb波，并進(jìn)行虛擬時(shí)反成像，有效提高了缺陷位置分辨率。

鑒于管道導(dǎo)波的復(fù)雜性，目前采用寬帶信號進(jìn)行管中時(shí)間反轉(zhuǎn)導(dǎo)波檢測的研究尚不充分。為擴(kuò)展管道導(dǎo)波檢測時(shí)的激發(fā)頻率范圍，本文提出一種寬帶脈沖激勵(lì)的時(shí)反檢測方法。雖然采用寬帶脈沖激發(fā)時(shí)，會發(fā)生頻散和多模態(tài)混疊的現(xiàn)象，但利用時(shí)間反轉(zhuǎn)檢測方法(時(shí)反檢測方法)后，能將較寬頻率范圍內(nèi)的導(dǎo)波能量積攢在同一時(shí)間到達(dá)缺陷處，可以有效增加缺陷回波的能量。且采用寬帶時(shí)反脈沖激發(fā)時(shí)，能提高缺陷波包時(shí)域分辨率，便于缺陷波包位置的判讀。

1 管中導(dǎo)波寬帶時(shí)反檢測方法

在對管道進(jìn)行寬帶時(shí)反檢測時(shí)，傳感器陣列安裝方式如圖1所示。在管道端面周向安裝陣列1和2，兩陣列軸向距離管道激勵(lì)端面分別為L1和L2，每個(gè)陣列均有M個(gè)陣元且周向間距相等。采用該方法獲取時(shí)反檢測信號的過程包括以下步驟：

圖1 管道寬帶時(shí)間反轉(zhuǎn)檢測方法示意圖

1)采用寬帶信號V1(t)～VM(t)同時(shí)激勵(lì)陣列1中的第1～M個(gè)陣元，并在激勵(lì)信號發(fā)射的起始時(shí)刻開始接收陣列2中第1～M個(gè)陣元檢測到的回波信號R1(t)～RM(t)，將各陣元接收到的回波信號進(jìn)行疊加，得到常規(guī)導(dǎo)波檢測時(shí)程曲線。

2)分別提取陣列2中的第1～M個(gè)陣元接收到的波形數(shù)據(jù)點(diǎn)，得到M個(gè)向量，以所有波形數(shù)據(jù)點(diǎn)的最大值對各向量進(jìn)行歸一化，再將歸一化處理后的M個(gè)向量分別進(jìn)行逆序排列，得到M個(gè)時(shí)間反轉(zhuǎn)波形數(shù)據(jù)點(diǎn)。

3)將陣列2中第1～M個(gè)陣元得到的時(shí)間反轉(zhuǎn)波形數(shù)據(jù)點(diǎn)合成為M個(gè)激勵(lì)信號V1tr(t)～VMtr(t)，并分別激勵(lì)陣列2中的第1～M個(gè)陣元，在激勵(lì)信號發(fā)射的起始時(shí)刻開始接收陣列1中第1～M個(gè)陣元檢測到的回波信號R1tr(t)～RMtr(t)，然后疊加各組回波信號，作為時(shí)反檢測信號。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的架構(gòu)

時(shí)反導(dǎo)波檢測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示，包括自制的時(shí)反導(dǎo)波激勵(lì)板卡，該板卡可輸出常規(guī)導(dǎo)波及時(shí)反導(dǎo)波激勵(lì)信號，輸出電壓幅值變化范圍為10～350 V[13]；自制的回波接收電路放大增益范圍為5～60 dB，采樣頻率為1.667 MHz[14]。在管道端部沿周向等間隔放置16個(gè)壓電傳感器作為換能器陣列1，在距離管道端部特定軸向距離處布置換能器陣列2，陣列2中各陣元與陣列1中各陣元周向位置相同。陣列中各陣元為長16 mm、寬4 mm、厚1 mm的沿長度方向伸縮振動(dòng)的壓電晶片。在實(shí)驗(yàn)過程中所使用鋼管的外徑為70 mm、壁厚為4.2 mm、管長為2.55 m，鋼管的材料參數(shù)為密度為7.932 g/cm3，縱波波速為5 960 m/s，橫波波速為3 260 m/s。在距離管道激勵(lì)端面1.5 m處開有沿軸向?qū)挾葹?.5 mm的非通透斜缺陷。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置圖

2.2 實(shí)驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)處理

為驗(yàn)證本文所提時(shí)反聚焦方法對寬頻范圍內(nèi)多模態(tài)的時(shí)間-空間聚焦效果，在該部分采用寬帶高斯脈沖作為初始激勵(lì)信號驅(qū)動(dòng)壓電晶片陣列。所采用高斯脈沖的時(shí)域表達(dá)式為：

V(t)=Amaxe-(t-b)2/2c2

(1)

式中：V(t)為驅(qū)動(dòng)壓電晶片的激勵(lì)電壓；Amax為高斯脈沖峰值；b為峰值所在時(shí)間，取為25 μs；c為控制脈沖時(shí)域?qū)挾?，設(shè)置c為1 μs。

本文中激勵(lì)板卡將時(shí)域數(shù)據(jù)點(diǎn)按特定頻率輸出，經(jīng)高速D/A轉(zhuǎn)換器合成，再由模擬電路將其線性放大成特定幅值的高壓信號[13]。考慮硬件電路存儲空間、數(shù)據(jù)輸出速度的限制，為實(shí)現(xiàn)對信號的有效合成，將信號的采樣頻率設(shè)置為10 MHz。為觀察高斯脈沖的時(shí)域特性，按照此采樣頻率做出高斯脈沖信號，如圖3(a)所示。

對高斯脈沖時(shí)域信號進(jìn)行傅里葉變換，得到高斯脈沖的頻率表達(dá)式為：

(2)

圖3 寬帶激勵(lì)信號時(shí)域、幅-頻圖

在具有裂紋缺陷的管道上，采用激勵(lì)板卡輸出寬帶高斯脈沖作為初始激勵(lì)信號加載在換能器陣列1上，由接收板卡檢測換能器陣列2中各陣元的回波信號，并將接收到的16組信號線性疊加，作為時(shí)反前檢測到的初始信號，如圖4(a)所示。

圖4 時(shí)反前信號處理圖

利用高斯窗[15-16]函數(shù)對初始檢測信號經(jīng)傅里葉變換后的頻譜進(jìn)行濾波，如圖4(b)所示，表達(dá)式如下：

(3)

式中：G(ω)為高斯窗函數(shù)；ωc為信號中心頻率；c1為窗函數(shù)頻帶寬度。將高斯窗函數(shù)處理后的頻域信號，進(jìn)行傅里葉逆變換，重構(gòu)出濾波后的時(shí)域信號，如圖4(c)所示，對時(shí)域信號進(jìn)行希爾伯特變換[15-16]得到包絡(luò)線，如圖4(d)所示。

將陣列2各陣元接收到的信號進(jìn)行時(shí)反及歸一化，得到各通道對應(yīng)的時(shí)反波，激勵(lì)板卡根據(jù)各通道對應(yīng)的時(shí)反波產(chǎn)生高壓時(shí)反信號激勵(lì)對應(yīng)陣元，陣列1中各陣元分別接收對應(yīng)的回波信號，疊加各通道回波信號作為時(shí)反檢測信號，如圖5(a)所示。時(shí)反檢測信號對應(yīng)頻譜及其所用高斯窗函數(shù)如圖5(b)所示，重構(gòu)后的時(shí)域信號如圖5(c)所示，濾波后的信號的包絡(luò)線如圖5(d)所示。

圖5 時(shí)反后信號處理圖

3 結(jié)果分析與討論

3.1 缺陷波包歷程時(shí)間的確定

在常規(guī)檢測時(shí)，常根據(jù)管道材料參數(shù)和幾何尺寸選擇合適的激勵(lì)信號，一般選擇中心頻率附近的窄帶激勵(lì)信號，激發(fā)低階軸對稱模態(tài)進(jìn)行管道缺陷檢測。由于初始激勵(lì)信號帶寬較窄，因此激發(fā)出的導(dǎo)波主要位于中心頻率附近。而采用寬帶脈沖信號作為激勵(lì)信號，必然激發(fā)出較寬范圍的導(dǎo)波信號，因此檢測到的缺陷回波信號與常規(guī)檢測結(jié)果有一定差異。截取常規(guī)信號檢測結(jié)果，如圖4(c)中虛線框內(nèi)為寬帶脈沖激發(fā)產(chǎn)生的缺陷回波信號，進(jìn)行局部放大后，如圖6所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，缺陷回波信號的波包展寬，難以判斷缺陷回波的波峰與波谷。這主要是因?yàn)楸疚乃ぐl(fā)的L(0,2)模態(tài)在50～200 kHz頻率范圍內(nèi)相速度有一定變化，即激發(fā)信號由多個(gè)頻率信號疊加而成，從而導(dǎo)致激發(fā)的導(dǎo)波必然存在一定帶寬，如此多個(gè)相近頻率范圍內(nèi)信號的疊加，就構(gòu)成了幅值相等的多個(gè)波包。從圖6可知，時(shí)反前檢測到的缺陷回波發(fā)生頻散現(xiàn)象，導(dǎo)致波包展寬。

圖6 寬帶脈沖激勵(lì)所檢測缺陷回波波包圖

由于時(shí)反檢測方法的時(shí)間-空間聚焦特性，可將不同頻率的導(dǎo)波信號壓縮在同一時(shí)間到達(dá)缺陷位置，從而使得采用時(shí)反方法檢測到的缺陷回波將在時(shí)域上變窄，便于讀取曲線的峰值時(shí)刻。截取時(shí)反處理后的檢測結(jié)果，如圖5(c)中虛線框內(nèi)時(shí)反檢測的缺陷回波信號，并進(jìn)行局部放大后，如圖7所示。為比較時(shí)反檢測方法的聚焦檢測效果，將初始激勵(lì)信號(實(shí)線)與時(shí)反檢測方法重構(gòu)的初始信號(虛線)疊加比較。從圖7可知，時(shí)反后缺陷回波幅值最大波包能完全重構(gòu)寬帶激勵(lì)信號，且缺陷回波信噪比較好。但由于換能器帶寬及響應(yīng)速度的限制，導(dǎo)致缺陷回波幅值最大波包旁產(chǎn)生一定諧振。

圖7 時(shí)反波所檢測到的缺陷回波與初始激勵(lì)信號的比較

由上述分析可知，原始激勵(lì)信號帶寬較寬，激發(fā)出頻散和多模態(tài)混疊信號，難以準(zhǔn)確判斷波包的位置。而經(jīng)時(shí)反處理后的缺陷回波信號在時(shí)間域和空間域進(jìn)行了聚焦，從而使得波包在時(shí)域變窄，便于判斷缺陷波包所位于的時(shí)刻。由此可知，用寬帶信號作為初始激勵(lì)信號時(shí)，可激發(fā)盡量多的能量，再用時(shí)反檢測方法將導(dǎo)波能量聚焦在一起，可實(shí)現(xiàn)對缺陷波包在時(shí)域上的壓縮，以提高缺陷波包辨識度。

3.2 缺陷波包波速的確定

常規(guī)檢測的激勵(lì)信號帶寬范圍較窄，缺陷回波能量主要集中在中心頻率附近，可以將初始激勵(lì)信號中心頻率的波速作為波包的傳播速度。而激勵(lì)信號帶寬較寬時(shí)，時(shí)反檢測方法檢測到的缺陷回波為寬帶信號。為確定缺陷波包的傳播速度，本文首先對時(shí)反前、后檢測到的缺陷回波進(jìn)行時(shí)頻變換，如圖8所示，以此研究在特定時(shí)刻所檢測到波包的頻率特征。

圖8 時(shí)反前、后信號的時(shí)頻分析結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可知，時(shí)反前、后端面回波信號均占有較寬的帶寬，其頻率范圍為100～170 kHz。時(shí)反前缺陷回波信號能量較小，無法有效獲取管道缺陷信息。經(jīng)時(shí)反處理后，管道缺陷信號幅值顯著加大，比時(shí)反前增大11.8倍，頻率范圍仍為100～170 kHz。從頻散曲線可知，在此段范圍內(nèi)L(0,2)模態(tài)速度變化較小。因此，可將缺陷波包能量最大處的頻率點(diǎn)作為中心頻率計(jì)算導(dǎo)波波速。

為驗(yàn)證時(shí)頻分析方法對時(shí)反檢測信號的分析效果，可比較時(shí)反前、后對含通透缺陷管道的檢測結(jié)果。實(shí)驗(yàn)管道在117 kHz時(shí)L(0,2)模態(tài)群速度為5.408 m/ms。利用常規(guī)檢測可計(jì)算出管長為2.540 m，與實(shí)際管長誤差為0.39%；缺陷位于1.520 m處，與實(shí)際缺陷位置誤差為1.33%。運(yùn)用時(shí)反檢測可計(jì)算出管長為2.537 m，與實(shí)際管長誤差為0.51%，而缺陷位置為1.517 m，與實(shí)際缺陷位置誤差為1.13%。

4 結(jié)束語

本文依據(jù)寬帶脈沖的時(shí)反檢測原理，架構(gòu)具有時(shí)間反轉(zhuǎn)功能的管道超聲導(dǎo)波檢測系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)果表明，雖然時(shí)反前檢測到的缺陷波包發(fā)生頻散、多模態(tài)現(xiàn)象使得缺陷波包展寬，但時(shí)反導(dǎo)波激勵(lì)檢測到的缺陷回波相對于寬帶初始激勵(lì)檢測到的缺陷回波，波形變窄、變尖，更容易區(qū)分缺陷波包的時(shí)間位置，且時(shí)反后在管中傳播的導(dǎo)波模態(tài)主要以時(shí)反前所激發(fā)的導(dǎo)波模態(tài)為主。由此可知，基于寬帶脈沖激勵(lì)的管道時(shí)反導(dǎo)波檢測方法能有效提高缺陷回波反射系數(shù)，增強(qiáng)缺陷波包的辨識度。