基于超聲導波的結構健康狀態(tài)無(wú)損檢測及在線(xiàn)監測

應用領(lǐng)域：

基于超聲導波的結構材料損傷快速無(wú)損檢測及損傷在線(xiàn)監測應用。

挑戰：

目前廣泛應用的超聲波檢測技術(shù)大多基于超聲體波，由于超聲體波的傳播特點(diǎn)，需要對結構進(jìn)行逐點(diǎn)檢測，因此存在檢測效率低，成本高等缺點(diǎn)；同時(shí)逐點(diǎn)掃描的檢測方式也限制了其在結構健康監測領(lǐng)域的應用。

超聲導波是體波在結構界面反射疊加形成的沿結構界面傳播的應力波。超聲導波相對于體波具有衰減小，傳播距離長(cháng)的特點(diǎn)，可實(shí)現對形狀規則的大結構件的快速無(wú)損檢測；并且具有在線(xiàn)應用潛力，可作為結構健康在線(xiàn)監測的技術(shù)手段。

但是超聲導波相對于體波更加復雜，主要表現為兩方面：一方面為導波的多模態(tài)特性，即同一頻率下同時(shí)存在有多種導波模態(tài)；另一方面為頻散特性，即同一模態(tài)導波在不同頻率下的傳播速度不同。超聲導波的復雜性對檢測平臺和檢測方法提出了更高的要求。

解決方案：

超聲導波檢測方法為主動(dòng)檢測，包括信號的激發(fā)的和接收。針對導波的多模態(tài)的特性，擬采用單一模態(tài)導波作為檢測信號，因此需要在檢測平臺從信號激發(fā)和接收兩方面抑制其他模態(tài)。主要通過(guò)傳感器尺寸，信號激發(fā)頻率，優(yōu)化匹配實(shí)現單一導波模態(tài)激發(fā)。

為了實(shí)現對被檢對象的快速檢測，根據雷達原理發(fā)展了適用于超聲導波的相控陣列及信號處理算法，以此實(shí)現對材料損傷的快速成像檢測。

1 應用背景

隨著(zhù)當前對大型設備結構安全性的日益關(guān)注，無(wú)損檢測技術(shù)已成為現代結構設備制造和使用過(guò)程中必不可少的檢測手段之一, 廣泛應用于各個(gè)領(lǐng)域，如航空航天領(lǐng)域、電力生產(chǎn)領(lǐng)域、石化輸運加工領(lǐng)域等。這些領(lǐng)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(jìn)而造成結構內部產(chǎn)生缺陷，危害結構安全性。因此對這些設備結構進(jìn)行實(shí)時(shí)監測和診斷成為無(wú)損檢測技術(shù)應用中的一個(gè)重要方面。

目前工業(yè)界常用的五大無(wú)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(xiàn)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(wú)害而應用較為普遍。目前常規的超聲波檢測主要使用體波，只能檢測探頭覆蓋區域或者探頭周?chē)苄》秶?，因此通常采用逐點(diǎn)檢測的方法。逐點(diǎn)檢測方法的缺點(diǎn)就是檢測效率低，檢測成本高。而使用超聲導波的無(wú)損檢測技術(shù)則可以有效地解決這一問(wèn)題。

超聲導波是目前常規應用超聲體波的疊加組合。在無(wú)限均勻各向同性彈性介質(zhì)中, 只存在兩種超聲波：縱波和橫波，這兩種超聲波稱(chēng)為超聲體波， 二者分別以各自的特征速度傳播而無(wú)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(huì )產(chǎn)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(diǎn)向三個(gè)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(lái)說(shuō)小很多，可以沿波導傳播很長(cháng)距離。

基于超聲導波傳播距離長(cháng)的特點(diǎn)，其在無(wú)損檢測應用中可以實(shí)現一次檢測數米距離，是對傳統逐點(diǎn)掃描方式的極大改進(jìn)。同時(shí)，對于發(fā)電領(lǐng)域和石化領(lǐng)域常見(jiàn)的包覆及埋地結構，利用超聲導波檢測技術(shù)只需要一點(diǎn)接入就可以檢測數米距離，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(cháng)、范圍廣，具有在線(xiàn)應用潛力，可以作為結構健康狀態(tài)檢測(SHM)的技術(shù)手段。

2 面臨問(wèn)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(lái)說(shuō)更加復雜，表現為多模態(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(guān)系可表達為：

(1)

其中，h是平板半壁厚，ω角頻率，k是波數，V_L和V_S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(chēng)模態(tài)，當α=π/2代表非對稱(chēng)模態(tài)。

根據平板中的頻散關(guān)系可以得出導波頻散曲線(xiàn)，如圖1所示。從中可以看出，在同一頻率下同時(shí)存在多種導波模態(tài)。如800kHZ以下，同時(shí)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(zhù)頻率的增加，同時(shí)存在的導波模態(tài)數也會(huì )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(huì )使得接收到的缺陷反射信號復雜化，對其檢測應用產(chǎn)生較大影響。

另外從頻散曲線(xiàn)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(huì )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(shí)域延長(cháng)，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(guò)程，從中可以看出，隨著(zhù)傳播距離的增加，導波的頻散特性將會(huì )導致波包在時(shí)域上的延長(cháng)，同時(shí)波包幅值也將嚴重降低。這種現象將造成檢測信號的疊混和減弱，使得缺陷特征無(wú)法識別。

(a)頻率-波數曲線(xiàn)

(b)頻率-相速度曲線(xiàn)

(c)頻率-群速度曲線(xiàn)

圖1. 2mm厚鋼板的頻散曲線(xiàn)

(彈性模量216.9GPa，泊松比0.28，密度7.9×10³kg/m³)

(a) (b)

(c) (d)

圖2 中心頻率為200kHz的A0模態(tài)在2mm鋼板中的頻散現象

(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(diǎn)使其在信號激勵、質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)、傳播、接收和信息提取等方面均比常規超聲波檢測復雜。為了利用超聲導波進(jìn)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(shù)。

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(diǎn)，隨著(zhù)激發(fā)頻率的增加導波模態(tài)數不斷增加。導波的多模態(tài)特點(diǎn)會(huì )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)。

根據導波頻散特性曲線(xiàn)，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(chēng)模態(tài)S0、非對稱(chēng)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)數降至三種。

對于S0、A0和SH0模態(tài)，其模態(tài)形狀存在區別。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(shí)質(zhì)上就是在被檢測對象中耦合進(jìn)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(guò)傳感器優(yōu)化來(lái)增強所需模態(tài)對應的表面應力分布，同時(shí)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(jìn)導波應力場(chǎng)的傳感器可分為如下幾類(lèi)：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(wú)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(diǎn)在于材料具有柔性，可以彎曲。電磁聲換能器(EMAT)主要通過(guò)改變金屬結構中的電磁場(chǎng)，利用Lorenz力激勵導波應力場(chǎng)。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(shí)現導波應力場(chǎng)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(chǎn)生熱應力振動(dòng)，實(shí)現超聲導波的激發(fā)，激光聲換能激發(fā)方式的儀器體積較大，成本較高，不適于現場(chǎng)檢測應用，目前主要用于實(shí)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(diǎn)，適用于結構健康狀態(tài)監測應用，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。