專利名稱：非線性超聲導(dǎo)波時間反轉(zhuǎn)檢測管道微裂紋聚集區(qū)域的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種檢測管道微裂紋聚集區(qū)域的方法，更具體地說是非線性超聲導(dǎo)波時間反轉(zhuǎn)檢測管道微裂紋聚集區(qū)域的方法。
背景技術(shù)：
材料的疲勞損傷是工業(yè)上結(jié)構(gòu)失效的主要原因之一。在經(jīng)歷長期循環(huán)載荷的作用后，材料內(nèi)部的應(yīng)力集中區(qū)域會出現(xiàn)微裂紋。微裂紋的密度逐漸增大則可能形成宏觀裂紋，最終導(dǎo)致部件失效。為了保障結(jié)構(gòu)的安全性，有必要發(fā)展一種無損檢測技術(shù)，在微裂紋形成的早期階段即能夠檢測到其存在?，F(xiàn)有的線性超聲檢測方法基于局部材料性質(zhì)如模量的變化和聲波在界面處的反射等。但微裂紋的尺寸一般遠(yuǎn)小于線性檢測超聲的波長，且由微裂紋引起的局部材料性質(zhì)變化非常小。為了解決該難題，可以采用非線性超聲技術(shù)來進(jìn)行檢 測。Muller 和 Sutin 等人(J. Acoust. Soc. Am.，118，3946-3952，2005)發(fā)現(xiàn)，疲勞引起的微裂紋會在局部導(dǎo)致應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系具有滯回特性，即在應(yīng)變上升和下降的過程中，應(yīng)力沿不同的曲線變化。這種滯回特性會引起線性超聲波波形的畸變，產(chǎn)生奇次諧波的分量(如 3 次、5 次等)。Deng 和 Pei (Appl. Phys. Lett.，90，121902，2007)在板結(jié)構(gòu)中利用這種非線性對疲勞損傷進(jìn)行了檢測研究。管道結(jié)構(gòu)的應(yīng)用非常廣泛，如油氣輸運(yùn)，風(fēng)塔，供水等，管中傳播的波動一般稱為導(dǎo)波。但是一般情形下，管道中導(dǎo)波同時存在多個模態(tài)共同傳播。這些模態(tài)中既有空間對稱分布的，也有非對稱的，從而使得信號的采集和處理都存在很大的復(fù)雜性，造成檢測結(jié)果難以準(zhǔn)確獲取。近年來Fink 等人(IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq.Control, 39，555-566，1992)提出了時間反轉(zhuǎn)的思想，指出將接收到的多路信號在接收點反轉(zhuǎn)后輸入系統(tǒng)，將會在激勵源處匯聚。Goursolle和CalΙ 等人(J. Acoust. Soc.Am.，122，3220-3229，2007)利用數(shù)值模擬的方法，驗證了結(jié)合彈性波和時間反轉(zhuǎn)方法來對缺陷進(jìn)行定位的可能性。但現(xiàn)有的該方面研究都還不同時具備如下檢測能力(1)針對管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測；(2)對微裂紋聚集區(qū)域進(jìn)行定位；(3)采用非線性技術(shù)。中國專利申請?zhí)?00910072546. 7 “基于非線性聲學(xué)和時間反轉(zhuǎn)原理板材缺陷及損傷識別方法”，本專利針對的是板材檢測，而非管道檢測，其中的聲傳播特性不同，同時本專利針對宏觀裂紋進(jìn)行檢測(尺度在毫米量級以上)，無法檢測肉眼不可見的微裂紋，和在損傷形成的早期進(jìn)行結(jié)構(gòu)失效的提前預(yù)測。中國專利申請?zhí)?01010119536. 7 “金屬材料疲勞早期損傷非線性超聲在線檢測方法”，本發(fā)明未能解決針對管道這一類特殊結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測的問題，也不能準(zhǔn)確地判斷裂紋聚集區(qū)域的尺寸及走向，同時在微裂紋聚集區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確的定位和成像上還有待提高
發(fā)明內(nèi)容
I、發(fā)明要解決的技術(shù)問題針對目前工業(yè)上尚無針對管道微裂紋進(jìn)行無損檢測的方法，本發(fā)明提供了非線性超聲導(dǎo)波時間反轉(zhuǎn)檢測管道微裂紋聚集區(qū)域的方法，本發(fā)明將微裂紋與線性導(dǎo)波相互作用得到的非線性成分進(jìn)行時間反轉(zhuǎn)，并輸入到與待測樣品尺寸結(jié)構(gòu)相同的有限差分模型中進(jìn)行波動模擬，進(jìn)而得到裂紋聚集區(qū)域的尺寸和位置。本方法可以應(yīng)用在工業(yè)上管道的無損檢測中，如風(fēng)塔、石油管道等。2、技術(shù)方案本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是在管道外側(cè)表面環(huán)向等間隔激勵出軸對稱的超聲導(dǎo)波，在管道外側(cè)表面另一位置處環(huán)向等間隔接收超聲導(dǎo)波信號，將得到的信號濾波并只留下三次諧波，之后進(jìn)行時間反轉(zhuǎn)，建立與待測管道相同的數(shù)值的有限差分模型，將反轉(zhuǎn)的信號輸入模型并進(jìn)行時域有限差分計算，即可通過檢查波動過程而獲知微
裂紋聚集區(qū)域的具體信息如位置、尺寸和方向。具體方法步驟如下(I)沿管道外側(cè)表面環(huán)向等間隔排列布置超聲換能器，利用環(huán)向等間隔分布的超聲換能器陣列激勵超聲導(dǎo)波，超聲換能器的數(shù)量為8個以上，每只超聲換能器施加同樣的窄帶超聲激勵，在管道外側(cè)表面激發(fā)出超聲導(dǎo)波，導(dǎo)波激勵頻率控制在縱振導(dǎo)波模式L (O, 4)的截止頻率以下；(2)在管的外側(cè)表面環(huán)向等間隔，設(shè)置接收點，接收點間距小于超聲波環(huán)向波長的1/30，在每個接收點使用激光測振儀在管道外側(cè)表面進(jìn)行等間隔掃描，記錄每個掃描點上的導(dǎo)波信號，進(jìn)行導(dǎo)波信號采集，該采集過程只需選擇一個軸向位置進(jìn)行即可，無需進(jìn)行軸向掃描；(3)將采集得到的導(dǎo)波信號在計算機(jī)中進(jìn)行處理，利用編程語言或程序包(如Fortran或者M(jìn)atlab )設(shè)計帶通濾波器對其進(jìn)行濾波，濾除基頻、二次諧波和四次及以上諧波，僅保留三次諧波成分，得到僅包含三次諧波成分的時域信號，該帶通濾波器為有限長沖激響應(yīng)帶通濾波器，具有線性相位特性，以保證濾波后的信號不產(chǎn)生畸變；(4)將濾波得到的時域信號進(jìn)行時間反轉(zhuǎn)處理；(5)建立與被測管道在材料、結(jié)構(gòu)和尺寸上相一致的有限差分模型(領(lǐng)域內(nèi)公開常識)，將時間反轉(zhuǎn)后的信號在原接收點輸入模型，進(jìn)行時域有限差分模擬計算；(6)在時域有限差分模擬過程中，動態(tài)觀察模型中的波動分布，若發(fā)現(xiàn)波動匯聚于某個小區(qū)域，該區(qū)域存在微裂紋聚集；(7)提取波動匯聚時刻的所有模型數(shù)據(jù)，即可得到微裂紋聚集區(qū)域的位置和尺寸。3、有益效果本發(fā)明提供了非線性超聲導(dǎo)波和時間反轉(zhuǎn)技術(shù)檢測微裂紋聚集區(qū)域的方法，與其他缺陷檢測方法相比，本發(fā)明提出的方法能夠在裂紋滋生的早期即發(fā)現(xiàn)可能存在的失效風(fēng)險，由于本發(fā)明采用非線性的三次諧波來進(jìn)行檢測，因此具有更高的空間分辨率。此外，傳統(tǒng)方法中測量到的二次諧波來源于整個傳播路徑，而本發(fā)明中采用的三次諧波主要來源于裂紋聚集區(qū)域，因此具有更高的檢測靈敏度。


圖I為本發(fā)明方法步驟流程圖；圖2為管道超聲發(fā)射和接收系統(tǒng)示意圖，I-超聲換能器，2-微裂紋聚集區(qū)域，3-接收點，4-環(huán)向和軸向的零點位置，5-軸向方向；圖3為管道剖面(環(huán)向-軸向曲面)中裂紋區(qū)域定位結(jié)果，圖3 Ca)為利用徑向位移進(jìn)行成像的結(jié)果圖，圖3 (b)為利用應(yīng)力分布進(jìn)行成像的結(jié)果圖，橫坐標(biāo)為環(huán)向角度，單位為弧度除以π，縱坐標(biāo)為軸向位置，單位為米；圖4為管道切面(環(huán)向-徑向曲面)中裂紋區(qū)域定位結(jié)果，圖4 Ca)為利用徑向位移對一個較窄的裂紋區(qū)域(區(qū)域?qū)挾?_)進(jìn)行成像的結(jié)果圖，圖4 (b)為利用徑向位移對一個較寬的裂紋區(qū)域(區(qū)域?qū)挾菼cm)進(jìn)行成像的結(jié)果圖，橫坐標(biāo)為環(huán)向角度，單位為弧度除以圓周率π，縱坐標(biāo)為軸向位置，單位為米；圖5為利用線性超聲導(dǎo)波時間反轉(zhuǎn)進(jìn)行裂紋定位的結(jié)果圖，圖5 Ca)和圖5 (b) 為利用徑向位移和軸向位移對同一個裂紋區(qū)域進(jìn)行成像的結(jié)果圖，橫坐標(biāo)為環(huán)向角度，單位為弧度除以圓周率π，縱坐標(biāo)為軸向位置，單位為米。
具體實施例方式實施例I如圖I和2所示，對一個內(nèi)半徑2. 5cm，外半徑5cm的鋼管，長度為lm，材料密度為7800kg/m3,泊松比為O. 28，楊氏模量為21. 6X ΚΓΝ/πι2。在鋼管的中心區(qū)域存在一個微裂紋聚集區(qū)域2,位于徑向位置r=3. 75cm,軸向位置z=0. 5m,環(huán)向角度為<ρ=π處。在位于沿軸向方向5，距環(huán)向和軸向的零點位置4的軸向位置z=0. 2m的位置布置16個超聲換能器1，每個的長度為4cm，寬度為I. 57cm，沿環(huán)向等間隔排列。所有超聲換能器發(fā)射相同的中心頻率為IOOkHz的超聲信號
0 .5( sinaV(l-cosO. W) 0<mt< 20π ( ) = |，
Oω >20π其中s(t)即為時域信號的表達(dá)式，表示加載在每個超聲換能器上的聲壓，Ain為信號的幅度，本例中取2X10_8m，t為時間變量，角頻率ω=2π XlOOkHz0在該頻率范圍內(nèi)將激勵出三個導(dǎo)波模式，分別為L (O, I), L (O, 2)和L(0，3)。在軸向位置z為O. Sm的位置(沿管的外側(cè)表面環(huán)向等間隔設(shè)置接收點2，使用激光測振儀在管道外側(cè)表面進(jìn)行等間隔掃描，記錄每個掃描點上的導(dǎo)波信號。此時管道外側(cè)表面的超聲波長約為3cm，采用的空間掃描間隔應(yīng)小于1mm，即小于超聲波環(huán)向波長的1/30)進(jìn)行等間隔周向掃描，共掃描320個點(此時的空間掃描間隔約為O. 98mm,)，每個接收點即激光光斑直徑小于2_，得到320個時域信號序列，采樣頻率取20MHz，采樣時長取800微秒。設(shè)計一個有限長沖激響應(yīng)帶通濾波器，具有線性相位特性，階數(shù)為6298。該濾波器在250kHz和350kHz范圍內(nèi)為通帶，其余范圍均為阻帶，其中低頻阻帶衰減IOOdB,高頻阻帶衰減80dB。將采樣得到的320個時域信號分別進(jìn)行帶通濾波，即得到了 320個僅包含三次諧波成分的時域信號。將所有時域信號進(jìn)行時間反轉(zhuǎn)處理，并根據(jù)該管道的材料、結(jié)構(gòu)和尺寸等參數(shù)建立一個計算機(jī)仿真模型(即有限差分模型)，該模型的空間步長大小滿足任意方向上每個波長范圍內(nèi)至少30個節(jié)點(這是因為，一般線性計算時，每個波長范圍內(nèi)10個節(jié)點能保證計算收斂，三次諧波的波長為線性的1/3左右，因而每個波長30個節(jié)點能夠保證獲得正確的結(jié)果)，即空間步長在各方向的尺寸應(yīng)小于該方向?qū)РúㄩL的1/30，時間步長乘以任意方向上的聲傳播速度小于該方向空間步長(即時間步長應(yīng)小于任意方向空間步長除以該方向聲波的傳播速度，時間步長乘以某個方向上的聲傳播速度，如徑向r方向，軸向z方向和環(huán)向《P方向，小于該方向空間步長)。在本例中，超聲波最小波長約為3cm，因此取徑向和軸向空間步長均為1mm，環(huán)向則劃分為320等分(即環(huán)向最大步長為O. 98mm)，時間步長為O. 05微秒。利用該模型進(jìn)行時域有限差分計算，以模擬波動在管道中的傳播過程。經(jīng)動態(tài)觀察，波動傳播到某一時刻后發(fā)生匯聚。此時可利用管道模型中位移分布和應(yīng)力分布來觀察微裂紋聚集區(qū)域的存在，如圖3所示。由該結(jié)果可以確定裂紋聚集區(qū)域的位置與事先的設(shè)置相吻合。實施例2
對于微裂紋聚集區(qū)域的尺寸大小，本發(fā)明提出的方法同樣能夠反映。與實施例I采用完全相同的方法，布置16個超聲換能器，圖4 (a)和圖4 (b)分別給出了對兩個不同大小裂紋聚集區(qū)域的檢測結(jié)果。事先設(shè)計兩個樣品，其中一個具有較窄的裂紋聚集區(qū)域(區(qū)域?qū)挾?_)，其檢測結(jié)果見圖4 Ca);另一個樣品中的裂紋聚集區(qū)域為前者的兩倍(區(qū)域?qū)挾葹镮cm)，其檢測結(jié)果見圖4 (b)。檢測結(jié)果表明，圖4 (a)為一個較窄的裂紋區(qū)域(區(qū)域?qū)挾?mm)，圖4 (b)為一個較寬的裂紋區(qū)域(區(qū)域?qū)挾菼cm)，檢測結(jié)論與真實的裂紋聚集區(qū)域尺寸大小相一致。實施例3與實施例I采用完全相同的方法，布置8個超聲換能器，僅將其中的數(shù)字濾波器改不具有非線性相位的類型(巴特沃斯型)，濾波導(dǎo)致時域信號發(fā)生畸變，在最后的時域有限差分模擬中無法觀察到波動的聚焦，因而也就無法實現(xiàn)對微裂紋聚集區(qū)域的定位和檢測。實施例4與實施例I采用完全相同的方法，布置20個超聲換能器，但不進(jìn)行濾波處理，直接對接收到的信號進(jìn)行時間反轉(zhuǎn)處理，并輸入到有限差分模型進(jìn)行時域仿真模擬，仍然可以觀測到波動的匯聚，結(jié)果如圖5所示，但是圖像質(zhì)量較差，裂紋分辨能力較低，無法真實地反映微裂紋聚集區(qū)域的細(xì)節(jié)，如缺陷大小遠(yuǎn)大于圖I中的正確結(jié)果。
權(quán)利要求
1.非線性超聲導(dǎo)波時間反轉(zhuǎn)檢測管道微裂紋聚集區(qū)域的方法，包括以下步驟 (1)沿管道外側(cè)表面環(huán)向等間隔排列布置超聲換能器，利用環(huán)向等間隔分布的超聲換能器陣列激勵超聲導(dǎo)波，每只超聲換能器施加相同的窄帶超聲激勵，在管道外側(cè)表面激發(fā)出超聲導(dǎo)波，導(dǎo)波激勵頻率控制在縱振導(dǎo)波模式L(O，4)的截止頻率以下； (2)在管的外側(cè)表面環(huán)向等間隔設(shè)置接收點，相鄰兩個接收點的距離小于超聲波環(huán)向波長的1/30，使用激光測振儀在管道外側(cè)表面進(jìn)行等間隔掃描，每個接收點即激光光斑直徑小于2_，記錄每個掃描點上的導(dǎo)波信號，進(jìn)行導(dǎo)波信號采集，采集過程選擇一個軸向位置進(jìn)行掃描； (3)將采集得到的導(dǎo)波信號進(jìn)行處理，利用帶通濾波器對其進(jìn)行濾波，濾除基頻、二次諧波和四次及以上諧波，僅保留三次諧波成分，得到僅包含三次諧波成分的時域信號； (4)將濾波得到的時域信號進(jìn)行時間反轉(zhuǎn)處理； (5)建立與被測管道在材料、結(jié)構(gòu)和尺寸上相一致的有限差分模型，將時間反轉(zhuǎn)后的時域信號在原接收點輸入模型，進(jìn)行時域有限差分模擬計算； (6)在時域有限差分模擬過程中，動態(tài)觀察模型中的波動分布，若發(fā)現(xiàn)波動匯聚于某個小區(qū)域，該區(qū)域存在微裂紋聚集； (7)提取波動匯聚時刻的所有模型數(shù)據(jù)，即可得到微裂紋聚集區(qū)域的位置和尺寸。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述非線性超聲導(dǎo)波時間反轉(zhuǎn)檢測管道微裂紋聚集區(qū)域的方法，其特征在于所述超聲換能器的數(shù)量為8個以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述非線性超聲導(dǎo)波時間反轉(zhuǎn)檢測管道微裂紋聚集區(qū)域的方法，其特征在于步驟(3)中帶通濾波器為有限長沖激響應(yīng)帶通濾波器。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的非線性超聲導(dǎo)波時間反轉(zhuǎn)檢測管道微裂紋聚集區(qū)域的方法，其特征在于所述有限差分模型中，空間步長在各方向的尺寸應(yīng)小于該方向?qū)РúㄩL的1/30，時間步長應(yīng)小于任意方向空間步長除以該方向聲波的傳播速度(時間步長乘以某個方向上的聲傳播速度，如徑向r方向,軸向z方向和環(huán)向Φ方向，小于該方向空間步長)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的非線性超聲導(dǎo)波時間反轉(zhuǎn)檢測管道微裂紋聚集區(qū)域的方法，其特征在于所述步驟(I)中導(dǎo)波模式，分別為L(0，I)，L (O, 2)和L(0，3)。
全文摘要
本發(fā)明提供了非線性超聲導(dǎo)波時間反轉(zhuǎn)檢測管道微裂紋聚集區(qū)域的方法，屬于超聲無損檢測領(lǐng)域。其步驟為在管道外側(cè)表面環(huán)向等間隔激勵出超聲導(dǎo)波，在管道外側(cè)表面另一位置處環(huán)向等間隔接收超聲導(dǎo)波信號，將得到的信號濾波并只留下三次諧波，之后進(jìn)行時間反轉(zhuǎn)，建立與待測結(jié)構(gòu)體相同的有限差分模型，將反轉(zhuǎn)的信號輸入模型并進(jìn)行時域有限差分計算，即可通過檢查波動過程而獲知微裂紋聚集區(qū)域的具體信息如位置、尺寸和方向。本發(fā)明可以在微裂紋滋生的早期階段即獲取相關(guān)信息，相比于現(xiàn)有的線性檢測方法，該技術(shù)具有更強(qiáng)的靈敏度和更高的分辨率。
文檔編號G01N29/04GK102866202SQ201210338899
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月13日
發(fā)明者郭霞生, 章東, 馬飛 申請人:南京大學(xué), 南通南京大學(xué)材料工程技術(shù)研究院, 中航虹波風(fēng)電設(shè)備有限公司