[发明专利]管道微损伤的非线性超声导波检测方法和装置

说明书

技术领域

本发明公开一种管道微损伤的非线性超声导波检测方法和装置，按国际专利分类表(IPC)划分属于无损检测技术领域，具体是利用超声导波在金属管道结构传播中发生的声学非线性响应对结构材料内部微观缺陷进行检测。

背景技术

超声导波可以对被检测导体进行大面积、快速、整体检测。这种检测方法既可以检测试样表面缺陷，也可以对试样内部损伤进行检测与评估。导波检测技术也是一种可以对结构件中不可达或隐蔽区域进行检测的有效方法。另外，导波因其灵活的激发和检测方式，且能携带大量检测所需信息，被作为一种有效检测手段被广泛应用。在管道中，导波的能量可以随管道结构长距离、快速传播而很少扩散。因此，管道结构被认为最适合使用导波检测的结构之一。

然而，目前的超声导波管道检测方法主要是基于导波传播过程中，导波与试件相互作用，就反射、透射和散射的波进行研究，通过声波线性物理参数的变化来对试件进行宏观缺陷检测。这种基于线性的导波检测技术对微观缺陷是不敏感或不可检的。而对微损伤或微观缺陷的早期检测对构件的可靠性评估及寿命预测更为重要，越来越受到工业和学术界的重视。

基于传播介质中微小的缺陷也能导致明显的声波非线性响应，声波传播过程中的非线性现象可以有效应用于对围观缺陷的超声无损检测。中国文献CN 102866202 A了非线性超声导波时间反转检测管道微裂纹聚集区域的方法，采用非线性的三次谐波来进行检测，其信号处理较复杂。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种管道微损伤的非线性超声导波检测方法，其能够激励单个模态的导波信号，并利用配合对应的接收探头扩大二阶谐波信号的接收效率，提高系统对导波二阶谐波的检测能力，利用检测出来的二阶谐波幅度的变化有效表征管道微观缺陷。

本发明的另一目的是提供了一种管道微损伤的非线性超声导波检测装置。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种管道微损伤的非线性超声导波检测方法，包括如下步骤：

S1、根据导波的模态信息：频率、相速度和群速度，设计用于激励特定导波模态的梳状换能器，其中梳状换能器的长度等于被检测管道径向截面外侧周长，换能器相邻的趾间电极距离是激励模态波长的一半，特定导波模态波长的计算公式如下：

其中Cp 和f 分别表示需要激励的导波模态的相速度和频率；

S2、将激励换能器和接收换能器缠绕包裹被检测管道试件，其中的激励换能器激励在管道中传播的单个导波模态；

S3、移动接收换能器的位置，改变导波在管道中传播的距离，根据移动的距离和稳定的波形在时间轴上的变化，计算检测信号的群速度值，确认检测信号的有效性；

S4、接收单元将接收的信号通过功率放大器后滤波，并将信号在示波器上经过100~2000次平均后存储；

S5、将存储的信号经过Hanning 窗户处理，选择其中稳定的部分进行

时-频变换，有效获得基频导波的幅度A₁和双倍频二阶谐波的信号幅度A₂，计算数值；

S6、 移动接收换能器的位置，改变导波的传播距离，重复步骤S4-S5，计算不同位置的数值；

S7、在同一个被检测管道试件中检测不少于5次不同传播距离的数值，并记下传播距离x的数值，利用以下公式斜率表征材料非线性的变化：；

S8、如果管道内部存在微观缺陷，相对于传播距离的斜率有非常明显的变化，根据这一变化表征材料内部的微损伤。

为了更有效的检测到双倍频二阶谐波信号，有别于常规线性导波接收换能器的设计，在本发明中，步骤S2接收换能器中相邻的趾间电极距离是激励换能器的一半，这样可以更加突出的主要接收双倍频二阶谐波信号。

为保证统一的耦合状态，在激励换能器外围缠绕一个固定装置以保证受压稳定。

信号激励和接收装置发射信号经过滤波器，减少检测装置带的噪音，提高信噪比。