利用壓電超聲導(dǎo)波時(shí)間反轉(zhuǎn)法的管道結(jié)構(gòu)裂紋監(jiān)測(cè)研究.pdf

1、本文的主要工作是對(duì)壓電超聲導(dǎo)波時(shí)間反轉(zhuǎn)法在管道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中應(yīng)用進(jìn)行研究。與傳統(tǒng)的管道結(jié)構(gòu)常規(guī)超聲無(wú)損監(jiān)測(cè)過(guò)程相比，時(shí)間反轉(zhuǎn)法可以很好地解決傳統(tǒng)方法中聚焦點(diǎn)散焦，形成相差畸變、圖像失真和模糊問(wèn)題。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的超聲導(dǎo)波時(shí)間反轉(zhuǎn)處理可以使復(fù)雜的信號(hào)實(shí)現(xiàn)信號(hào)聚焦或重建，且參與的傳感器數(shù)量越多，聚焦效果越明顯;信號(hào)復(fù)雜程度越高，聚焦前后信號(hào)的反差越大。本文在國(guó)內(nèi)首次對(duì)充液埋地管道結(jié)構(gòu)的裂紋監(jiān)測(cè)進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究。開(kāi)發(fā)了一套快捷準(zhǔn)確的試驗(yàn)系統(tǒng)

2、，對(duì)準(zhǔn)確判定管道結(jié)構(gòu)完整性，提高其監(jiān)測(cè)水平具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。主要的研究成果可以概括為以下幾個(gè)方面。
　　(1)根據(jù)時(shí)間反轉(zhuǎn)方法基本原理推導(dǎo)了超聲導(dǎo)波時(shí)間反轉(zhuǎn)聚焦理論公式并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。對(duì)單個(gè)以及多個(gè)壓電傳感器在板中的信號(hào)時(shí)間反轉(zhuǎn)聚焦過(guò)程進(jìn)行了試驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了對(duì)窄帶超聲導(dǎo)波信號(hào)的時(shí)反聚焦，為后續(xù)試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。結(jié)果表明:板中聚焦信號(hào)分為兩部分，第一部分為零時(shí)刻主波峰，該波峰為監(jiān)測(cè)信號(hào)中多個(gè)模式的聚焦，也是各監(jiān)測(cè)信號(hào)的聚焦，波峰幅值顯

3、著增大;第二部分為旁瓣波峰，各旁瓣出現(xiàn)的時(shí)刻也不盡相同，互相之間不會(huì)發(fā)生疊加，有時(shí)甚至?xí)ハ嗟窒?，主波峰信?hào)顯著突出。
　　(2)研究確定合理的選擇在管道中傳播的超聲導(dǎo)波模態(tài)和激勵(lì)頻率的基本原則，使其頻散最小，以簡(jiǎn)化管道超聲回波信號(hào)分析的復(fù)雜性。根據(jù)頻散曲線的模態(tài)特征及管道徑向位移和應(yīng)力分布曲線，確定導(dǎo)波的模態(tài)和激勵(lì)頻率，通過(guò)截止頻率計(jì)算和頻散曲線比較，確定激勵(lì)頻率盲區(qū)的范圍;根據(jù)信號(hào)的頻譜圖和激勵(lì)脈沖的寬度來(lái)確定激勵(lì)信號(hào)的周期數(shù)

4、。多個(gè)單音頻疊加信號(hào)經(jīng)HANNING窗調(diào)制窄帶激勵(lì)，既可以提高信號(hào)強(qiáng)度，又可以增加導(dǎo)波的傳播距離。結(jié)果表明:周期數(shù)目高的信號(hào)，頻帶窄，有利于頻率控制;周期數(shù)多，在時(shí)域內(nèi)信號(hào)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，波形易疊加，一般折中選擇。
　　(3)根據(jù)脈沖回波法，分別對(duì)無(wú)損管道、含周向裂紋管道、含軸向裂紋管道和含不同夾角的斜裂紋管道進(jìn)行了數(shù)值模擬。給出了L(0，2)模態(tài)和T(0，1)模態(tài)導(dǎo)波在管道中傳播的可視化結(jié)果，并對(duì)導(dǎo)波在有損和無(wú)損管道中的傳播情況做了

5、分析。對(duì)各種損傷信號(hào)進(jìn)行時(shí)間反轉(zhuǎn)處理，并進(jìn)行了比較。對(duì)含裂紋管道模擬的結(jié)果表明:導(dǎo)波在缺陷處不但發(fā)生反射和透射現(xiàn)象，而且還會(huì)發(fā)生模態(tài)轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換的模態(tài)多為彎曲模態(tài);當(dāng)激勵(lì)的導(dǎo)波能量相當(dāng)時(shí)，時(shí)間反轉(zhuǎn)導(dǎo)波監(jiān)測(cè)方法獲得的信號(hào)中缺陷回波的幅值將比直接導(dǎo)波監(jiān)測(cè)方法獲得的大，因此，對(duì)小缺陷的監(jiān)測(cè)能力增強(qiáng)。缺陷造成的模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象和時(shí)間反轉(zhuǎn)信號(hào)取點(diǎn)率是決定時(shí)間反轉(zhuǎn)聚焦增強(qiáng)監(jiān)測(cè)能力的重要因素。
　　(4)利用壓電超聲導(dǎo)波對(duì)管道結(jié)構(gòu)中缺陷進(jìn)行監(jiān)測(cè)的試

6、驗(yàn)研究。分別在管道中激勵(lì)L(0，2)模態(tài)和T(0，1)模態(tài)的導(dǎo)波信號(hào)，對(duì)管道中存在的周向裂紋、軸向裂紋和斜裂紋分別進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確定缺陷所在位置以及各模態(tài)所敏感的缺陷形式。試驗(yàn)結(jié)果表明:將各時(shí)間反轉(zhuǎn)激勵(lì)信號(hào)單獨(dú)激勵(lì)再疊加的方式可以增強(qiáng)導(dǎo)波缺陷監(jiān)測(cè)能力，并將此過(guò)程稱為近似時(shí)間反轉(zhuǎn)監(jiān)測(cè)。信號(hào)經(jīng)時(shí)間法反轉(zhuǎn)處理后，無(wú)論對(duì)于周向裂紋、軸向裂紋、還是斜裂紋缺陷反射系數(shù)較直接導(dǎo)波監(jiān)測(cè)方法有所增大，說(shuō)明時(shí)間反轉(zhuǎn)方法有利于小缺陷的監(jiān)測(cè)。同時(shí)在信號(hào)中出現(xiàn)了許多

7、其它模態(tài)的波包，會(huì)對(duì)信號(hào)的判讀造成一定影響。在管道參數(shù)等條件相同的前提下，模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象越嚴(yán)重，時(shí)間反轉(zhuǎn)法越能在更大程度上提高原有導(dǎo)波缺陷監(jiān)測(cè)的能力。這與數(shù)值模擬得到的分析結(jié)果是一致的。
　　(5)推導(dǎo)出了充液埋地管道的頻散方程，計(jì)算了管道中不同模態(tài)的頻散和衰減等特性。隨著頻率的增加，模態(tài)衰減值也相應(yīng)增大，同時(shí)導(dǎo)波波長(zhǎng)變小，對(duì)缺陷更加靈敏。由于衰減隨頻率增大而增大，監(jiān)測(cè)距離也隨之縮短。因此，在工程實(shí)際中需要根據(jù)監(jiān)測(cè)需要，進(jìn)一步選擇頻