1應用背景

隨著當前對大型設備結構安全性的日益關注，無損檢測技術已成為現(xiàn)代結構設備制造和使用過程中必不可少的檢測手段之一,廣泛應用于各個領域，如航空航天領域、電力生產領域、石化輸運加工領域等。這些領域的設備結構通常處于較惡劣的工作條件，容易發(fā)生磨損、腐蝕、疲勞、蠕變等損傷，進而造成結構內部產生缺陷，危害結構安全性。因此對這些設備結構進行實時監(jiān)測和診斷成為無損檢測技術應用中的一個重要方面。

目前工業(yè)界常用的五大無損檢測方式包括：滲透檢測，磁粉檢測，渦流檢測，超聲波檢測，射線檢測。在這五種檢測方式中，超聲波檢測由于適用范圍廣（既可檢測金屬，也可檢測非金屬），對人體無害而應用較為普遍。目前常規(guī)的超聲波檢測主要使用體波，只能檢測探頭覆蓋區(qū)域或者探頭周圍很小范圍，因此通常采用逐點檢測的方法。逐點檢測方法的缺點就是檢測效率低，檢測成本高。而使用超聲導波的無損檢測技術則可以有效地解決這一問題。

超聲導波是目前常規(guī)應用超聲體波的疊加組合。在無限均勻各向同性彈性介質中,只存在兩種超聲波：縱波和橫波，這兩種超聲波稱為超聲體波，二者分別以各自的特征速度傳播而無波型耦合。在有限尺寸波導(如平板、圓管)中傳播的縱波和橫波由于受到邊界的制約以及在邊界處發(fā)生不斷的模態(tài)轉換，將會產生沿波導傳播的超聲導波。因此超聲導波是由超聲體波（包括縱波和橫波）在波導上下界面間反射疊加而形成的沿波導傳播的一種應力波。

由于超聲導波是在具有上下界面的固體中傳播的應力波，其衰減主要是由材料吸收造成的，因此與傳播距離成正比。而超聲體波在固體材料是從激發(fā)點向三個方向擴散，其衰減與傳播距離的平方成正比。因此超聲導波的衰減相對體波來說小很多，可以沿波導傳播很長距離。

基于超聲導波傳播距離長的特點，其在無損檢測應用中可以實現(xiàn)一次檢測數(shù)米距離，是對傳統(tǒng)逐點掃描方式的極大改進。同時，對于發(fā)電領域和石化領域常見的包覆及埋地結構，利用超聲導波檢測技術只需要一點接入就可以檢測數(shù)米距離，不需要完全暴露結構，可以極大的提高效率并降低成本。

由于超聲導波檢測距離長、范圍廣，具有在線應用潛力，可以作為結構健康狀態(tài)檢測(SHM)的技術手段。

2面臨問題

由于超聲導波是超聲體波在波導中的反射和疊加，因此超聲導波相對體波來說更加復雜，表現(xiàn)為多模態(tài)和頻散特性。

對于表面處于自由邊界條件下的各相同性板狀構件，其頻散關系可表達為：

(1)

其中，h是平板半壁厚，ω角頻率，k是波數(shù)，VL和VS分別是材料中縱波和橫波波速。此種表達方式，當α=0代表對稱模態(tài)，當α=π/2代表非對稱模態(tài)。

根據(jù)平板中的頻散關系可以得出導波頻散曲線，如圖1所示。從中可以看出，在同一頻率下同時存在多種導波模態(tài)。如800kHZ以下，同時存在有有三種模態(tài)，分別為A0模態(tài)、S0模態(tài)和SH0模態(tài)。隨著頻率的增加，同時存在的導波模態(tài)數(shù)也會隨之增加，如在2MHz下，平板內存在有8種可傳播模態(tài)。導波這種多模態(tài)效應會使得接收到的缺陷反射信號復雜化，對其檢測應用產生較大影響。

另外從頻散曲線圖中還可以看出，同一模態(tài)導波在不同頻率下的傳播速度會發(fā)生變化，這將導致激發(fā)信號中不同頻率的成分隨傳播距離的增加逐漸分散，導致激發(fā)信號時域延長，幅值降低。圖2為中心頻率為200kHz的A0模態(tài)在2mm厚鋼板中激發(fā)波包隨傳播距離的變化過程，從中可以看出，隨著傳播距離的增加，導波的頻散特性將會導致波包在時域上的延長，同時波包幅值也將嚴重降低。這種現(xiàn)象將造成檢測信號的疊混和減弱，使得缺陷特征無法識別。

(a)頻率-波數(shù)曲線

(b)頻率-相速度曲線

(c)頻率-群速度曲線

圖1.2mm厚鋼板的頻散曲線

(彈性模量216.9GPa，泊松比0.28，密度7.9×103kg/m3)

圖2中心頻率為200kHz的A0模態(tài)在2mm鋼板中的頻散現(xiàn)象

(a為激發(fā)信號；b為傳播1000mm厚波形；c為傳播1500mm后波形；d為傳播2000mm后波形)

導波的多模態(tài)和頻散特點使其在信號激勵、質點振動、傳播、接收和信息提取等方面均比常規(guī)超聲波檢測復雜。為了利用超聲導波進行檢測需要從信號的激發(fā)、傳播、接收和信號提取等方面發(fā)展適用于超聲導波的方法和技術。

3解決方案

3.1單模態(tài)超聲導波激發(fā)

超聲導波具有多模態(tài)的特點，隨著激發(fā)頻率的增加導波模態(tài)數(shù)不斷增加。導波的多模態(tài)特點會增加信號復雜性，使缺陷特征信號難以識別。因此為了適用于檢測應用，需要激發(fā)單一導波模態(tài)。

根據(jù)導波頻散特性曲線，在高階導波模態(tài)截止頻率以下(對于2mm厚鋼板為810kHz)，僅存在三種0階導波，包擴對稱模態(tài)S0、非對稱模態(tài)A0、水平剪切模態(tài)SH0。因此控制激發(fā)信號頻率在高階導波截止頻率以下可以將導波模態(tài)數(shù)降至三種。

對于S0、A0和SH0模態(tài)，其模態(tài)形狀存在區(qū)別。A0模態(tài)主要以離面位移為主，如圖3(a)所示，S0模態(tài)和SH0模態(tài)主要以面內位移為主，其中S0的位移方向于波傳播方向平行，如圖3(b)所示，SH0模態(tài)的位移方向與波傳播方向垂直，如圖3(c)所示。

(a)A0模態(tài)激發(fā)示意

(b)S0模態(tài)激發(fā)示意

(c)SH0模態(tài)激發(fā)示意

圖3不同導波模態(tài)激發(fā)施力圖

超聲導波激發(fā)的實質上就是在被檢測對象中耦合進模態(tài)所對應的應力波，為了獲得單一的導波模態(tài)，需要通過傳感器優(yōu)化來增強所需模態(tài)對應的表面應力分布，同時抑制其他模態(tài)對應的表面應力分布。

目前可以用于在被檢測結構中耦合進導波應力場的傳感器可分為如下幾類：壓電式換能器，電磁聲換能器(EMAT)，磁致伸縮換能器，激光超聲換能器。壓電式換能器主要利用晶體材料的壓電效應和逆壓電效應作為導波激發(fā)和檢測傳感器，目前常用的壓電材料主要有PZT和柔性的PVDF。其中PZT材料的壓電轉換效率較高，成本較低，但是材料無法彎曲；PVDF材料也具有壓電效應，但是其壓電性相對于PZT材料要低，其優(yōu)點在于材料具有柔性，可以彎曲。電磁聲換能器(EMAT)主要通過改變金屬結構中的電磁場，利用Lorenz力激勵導波應力場。用于超聲導波激發(fā)的磁致伸縮換能器(MT)最早由H.Kwun等人提出，其主要利用磁致伸縮效應實現(xiàn)導波應力場的激發(fā)。激光聲換能器利用激光脈沖束在被檢測構件表面產生熱應力振動，實現(xiàn)超聲導波的激發(fā)，激光聲換能激發(fā)方式的儀器體積較大，成本較高，不適于現(xiàn)場檢測應用，目前主要用于實驗室研究工作。

上述導波換能器中，PZT壓電晶片具有體積小、重量輕、成本低的優(yōu)點，適用于結構健康狀態(tài)監(jiān)測應用，因此目前各國研究團隊主要使用PZT壓電晶片作為導波激發(fā)和接收換能器。

3.2導波激發(fā)波形優(yōu)化

超聲導波具有頻散特性，不同頻率的波包成分的傳播速度不同，成為頻散現(xiàn)象。嚴重的頻散現(xiàn)象會造成檢測信號混淆、缺陷特征無法提取。為了避免此問題的發(fā)生，需要對導波激發(fā)頻率和波形進行優(yōu)化。

超聲導波激發(fā)波形通常使用經漢寧窗調制的5周期正弦波。漢寧窗的作用是降低由于波形忽然開始和忽然結束造成的頻率旁瓣，使得能量集中于激發(fā)頻率。通過對激發(fā)信號的加窗調制可以減小激發(fā)信號的頻帶寬度，減小頻散效應。圖4為200kHz正弦波和加窗調制后的波形，以及其對應的頻譜。

圖45周期200kHz正弦波與加窗調制對比:

(a)原始信號，(b)原始信號頻譜，(c)漢寧窗調制信號，(d)調制信號頻譜

3.3超聲導波檢測平臺

超聲導波檢測方法不同于常規(guī)超聲檢測，它最突出的優(yōu)點就是可以實現(xiàn)快速、大范圍檢測，而不是逐點檢測，同時為較精確定位缺陷，必須在試驗中確保檢測數(shù)據(jù)的精度。因此在構建檢測平臺上，針對超聲導波的特殊性(如所選激勵信號的特殊性，壓電陶瓷換能器選取的特殊性等)，建立了超聲導波檢測平臺，如圖5所示。

圖5超聲導波檢測平臺

任意函數(shù)發(fā)生器輸出的信號可以直接加在壓電晶片換能器的兩電極上，驅動壓電陶瓷產生壓電效應，將電壓信號轉變?yōu)橄嗤l率的振動信號，在被檢測結構中傳播。但是，由任意波形信號發(fā)生器生成的電壓信號的幅度范圍為10mVP-P-10VP-P，遠不足以驅動壓電陶瓷換能器，在結構中激勵出超聲導波。因此，必須加大激勵壓電陶瓷傳感器的激發(fā)電壓。檢測平臺中采用的是自制的高壓放大器，其可以將信號發(fā)生器產生的輸入信號線性放大至180Vp-p。在180Vp-p輸出下，放大器線性放大頻率最高可達2MHz。

超聲導波的激勵信號經功率放大器放大后，驅動壓電傳感器，產生在管道中傳播的超聲導波，到達接收導波端時，利用壓電陶瓷的逆壓電效應，將會把振動量轉化為電壓量輸出，但是，壓電陶瓷的逆壓電效應很微弱，壓電晶片驅動電壓在100Vp-p時，接收端產生的輸出的電壓信號僅在毫伏量極。因此接受到信號需要先經過前置放大器放大后，在可以進入信號采集端。本平臺使用的前置放大器為自制的增益可調放大器，增益范圍在-4.5dB-525dB。由于壓電晶片具有很高的阻抗，而輸出的信號功率很小，因此將前置放大器的輸入阻抗匹配至其最大值6K歐姆。

信號采集端采用凌華科技PCI-9846高速數(shù)字化儀。此儀器具有高采樣率和高分辨率，適于導波信號采集。同時其可以實現(xiàn)四通道同時記錄，大大減少了導波陣列信號采集時間。

多路開關單元的作用是切換激發(fā)和接收傳感器，由于壓電傳感器的激發(fā)端只有一路，而傳感器個數(shù)較多，因此通過多路開關單元切換激發(fā)的傳感器。多路開關單元基于繼電器實現(xiàn)信號通道開關，使用單片機對繼電器開關進行控制，單片機與PC機之間通過串口實現(xiàn)通信。

3.4傳感器相控陣列(phasedarray)

傳感器陣列在聲納、雷達領域使用較多，其優(yōu)點在于基于多個傳感器，通過相陣列算法實現(xiàn)對空間不同位置的逐點掃描。超聲導波也具有長距離傳播的能力，因此可以借鑒雷達中相控陣列(phasedarray)概念,實現(xiàn)對被檢測對象的逐點掃描成像檢測，實現(xiàn)超聲導波雷達。

超聲導波雷達中的關鍵就是相控陣列及相對應的算法。本應用實例中采用圓環(huán)形緊密排列相控陣列，如圖6所示。陣列由16個壓電晶片單元組成，每個壓電晶片尺寸為Φ7×0.2mm，16個圓形壓電晶片沿直徑為50mm的圓周等距排列。為此陣列可以對周向0-360°范圍進行全方位掃描成像。

圖6超聲導波雷達相控陣列

相控陣列包含有16個導波傳感器，每個傳感器相互獨立。在利用超聲導波雷達進行缺陷成像檢測時，需要首先激發(fā)一個傳感器，然后記錄16個傳感器接收到的導波信號，隨后激發(fā)另外一個傳感器，再記錄16個傳感器接收到的到波信號，最終將獲得16×16路時域信號，每路時域信號對應一個激發(fā)-接收傳感器組合。

由于超聲導波具有頻散特性，因此對相控陣列得到的信號處理方法具有自身特殊性。首先每路時域信號將通過FFT變換轉變?yōu)轭l域，得到的頻域信號將格局頻散特性關系轉換成波數(shù)域幅值。至此獲得信號矩陣仍然為16×16路，為了實現(xiàn)對不同方向的掃描，需要使用相陣控算法，根據(jù)需要掃描的方向，每路信號將乘以一個相控系數(shù)然后相加。最后需要對信號矩陣每列進行逆傅里葉變換，將其從波數(shù)域轉換成距離域。最終將形成缺陷圖像，達到成像檢測目的。

4檢測實例

本實例使用相控導波陣列對板狀構件中缺陷進行了成像檢測。相控陣列如上文介紹，使用16個Φ7×0.2mm壓電晶片沿直徑為50mm的圓周等距排列而成。被檢測對象為2mm厚鋼板，缺陷為半徑為2mm的通孔，距離陣列中心500mm。導波激發(fā)信號為5周期漢寧窗調制的正弦波，中心頻率為200kHz。

檢測過程為每次使用1個傳感器作為激發(fā)傳感器，利用PCI-9846的四通道同時采集4個接收信號；然后通過多路開關單元更換另外4個傳感器作為接收傳感器，指導將16個傳感器的接收信號全部采集完成。之后更換另外一個傳感器作為激發(fā)傳感器，重復上述過程，直至16個傳感器均作為激發(fā)傳感器。

接收到256路信號通過上文所述的相陣控信號處理方法處理，獲得對缺陷的分布圖像，如圖7所示。

通過實例可已看出，超聲導波可以對材料損傷進行檢測，通過超聲導波相控陣列可以對材料損傷分布進行成像，結果較為準確。

圖7超聲導波雷達損傷成像

(導波陣列位中心位于原點處，模擬損傷為半徑為2mm的通孔，損傷距離陣列中心500mm)

5總結

通過本應用實例可以得出，超聲導波相控陣列可以對板狀材料損傷進行成像檢測。本檢測方法僅需要將陣列布置于很小的區(qū)域就可以實現(xiàn)對較大區(qū)域的檢測。此種方法不但適用于無損檢測，同時也適用于在線監(jiān)測應用。

但是由于超聲導波陣列中導播傳感器較多，并且需要對每個傳感器進行激發(fā)和采集，因此信號采集時間較長。如采用單通道采集儀器，對于本應用實例將需要進行256次采集。由于凌華科技的PCI-9846具有四個采集通道，僅此使用PCI-9846作為信號采集儀器僅需單通道采集儀器的1/4時間即可完成一次檢測，這對時效性要求較高的在線損傷監(jiān)測應用意義重大。