基于超聲導(dǎo)波的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)無損檢測及在線監(jiān)測

應(yīng)用領(lǐng)域：

基于超聲導(dǎo)波的結(jié)構(gòu)材料損傷快速無損檢測及損傷在線監(jiān)測應(yīng)用。

挑戰(zhàn)：

目前廣泛應(yīng)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，需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行逐點檢測，因此存在檢測效率低，成本高等缺點；同時逐點掃描的檢測方式也限制了其在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用。

超聲導(dǎo)波是體波在結(jié)構(gòu)界面反射疊加形成的沿結(jié)構(gòu)界面?zhèn)鞑サ膽?yīng)力波。超聲導(dǎo)波相對于體波具有衰減小，傳播距離長的特點，可實現(xiàn)對形狀規(guī)則的大結(jié)構(gòu)件的快速無損檢測；并且具有在線應(yīng)用潛力，可作為結(jié)構(gòu)健康在線監(jiān)測的技術(shù)手段。

但是超聲導(dǎo)波相對于體波更加復(fù)雜，主要表現(xiàn)為兩方面：一方面為導(dǎo)波的多模態(tài)特性，即同一頻率下同時存在有多種導(dǎo)波模態(tài)；另一方面為頻散特性，即同一模態(tài)導(dǎo)波在不同頻率下的傳播速度不同。超聲導(dǎo)波的復(fù)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(dǎo)波檢測方法為主動檢測，包括信號的激發(fā)的和接收。針對導(dǎo)波的多模態(tài)的特性，擬采用單一模態(tài)導(dǎo)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)。主要通過傳感器尺寸，信號激發(fā)頻率，優(yōu)化匹配實現(xiàn)單一導(dǎo)波模態(tài)激發(fā)。

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

1 應(yīng)用背景

隨著當(dāng)前對大型設(shè)備結(jié)構(gòu)安全性的日益關(guān)注，無損檢測技術(shù)已成為現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)備制造和使用過程中必不可少的檢測手段之一, 廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，如航空航天領(lǐng)域、電力生產(chǎn)領(lǐng)域、石化輸運(yùn)加工領(lǐng)域等。這些領(lǐng)域的設(shè)備結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生缺陷，危害結(jié)構(gòu)安全性。因此對這些設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行實時監(jiān)測和診斷成為無損檢測技術(shù)應(yīng)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(yīng)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(dǎo)波的無損檢測技術(shù)則可以有效地解決這一問題。

超聲導(dǎo)波是目前常規(guī)應(yīng)用超聲體波的疊加組合。在無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(dǎo)(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(zhuǎn)換，將會產(chǎn)生沿波導(dǎo)傳播的超聲導(dǎo)波。因此超聲導(dǎo)波是由超聲體波（包括縱波和橫波）在波導(dǎo)上下界面間反射疊加而形成的沿波導(dǎo)傳播的一種應(yīng)力波。

由于超聲導(dǎo)波是在具有上下界面的固體中傳播的應(yīng)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(kuò)散，其衰減與傳播距離的平方成正比。因此超聲導(dǎo)波的衰減相對體波來說小很多，可以沿波導(dǎo)傳播很長距離。

基于超聲導(dǎo)波傳播距離長的特點，其在無損檢測應(yīng)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(jìn)。同時，對于發(fā)電領(lǐng)域和石化領(lǐng)域常見的包覆及埋地結(jié)構(gòu)，利用超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)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(jié)構(gòu)，可以極大的提高效率并降低成本。

由于超聲導(dǎo)波檢測距離長、范圍廣，具有在線應(yīng)用潛力，可以作為結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)檢測(SHM)的技術(shù)手段。

2 面臨問題

由于超聲導(dǎo)波是超聲體波在波導(dǎo)中的反射和疊加，因此超聲導(dǎo)波相對體波來說更加復(fù)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(gòu)件，其頻散關(guān)系可表達(dá)為：

(1)

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

根據(jù)平板中的頻散關(guān)系可以得出導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)波模態(tài)數(shù)也會隨之增加，如在2MHz下，平板內(nèi)存在有8種可傳播模態(tài)。導(dǎo)波這種多模態(tài)效應(yīng)會使得接收到的缺陷反射信號復(fù)雜化，對其檢測應(yīng)用產(chǎn)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(dǎo)波在不同頻率下的傳播速度會發(fā)生變化，這將導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)波的頻散特性將會導(dǎo)致波包在時域上的延長，同時波包幅值也將嚴(yán)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)

(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(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(dǎo)波的多模態(tài)和頻散特點使其在信號激勵、質(zhì)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(fù)雜。為了利用超聲導(dǎo)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(dǎo)波的方法和技術(shù)。

3 解決方案

3.1 單模態(tài)超聲導(dǎo)波激發(fā)

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

根據(jù)導(dǎo)波頻散特性曲線，在高階導(dǎo)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(dǎo)波，包擴(kuò)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(dǎo)波截止頻率以下可以將導(dǎo)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(nèi)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(dǎo)波模態(tài)激發(fā)施力圖

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

目前可以用于在被檢測結(jié)構(gòu)中耦合進(jìn)導(dǎo)波應(yīng)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(yīng)和逆壓電效應(yīng)作為導(dǎo)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(zhuǎn)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(yīng)，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(jié)構(gòu)中的電磁場，利用Lorenz力激勵導(dǎo)波應(yīng)力場。用于超聲導(dǎo)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(yīng)實現(xiàn)導(dǎo)波應(yīng)力場的激發(fā)。激光聲換能器利用激光脈沖束在被檢測構(gòu)件表面產(chǎn)生熱應(yīng)力振動，實現(xiàn)超聲導(dǎo)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(yīng)用，目前主要用于實驗室研究工作。

上述導(dǎo)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(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)用，因此目前各國研究團(tuán)隊主要使用PZT壓電晶片作為導(dǎo)波激發(fā)和接收換能器。