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1、第 3 2卷第 8期 2 0 0 6年8月 北京工业大学学报 J OURNAI OF B EI J I NG UNI VERS I TY OF TE CHNOI OGY VO 1 3 2 NO 8 Aug20 06 管道超声导波检测中信号选取的实验研究 刘增华,吴 斌,李 隆涛,何存 富,王 秀彦 ( 北京 工业大学 机械工程与应用 电子技术学院 ,北京 1 0 0 0 2 2 ) 摘要 : 为 了研 究信号选 取对缺陷检测的影响, 激 励 4个不 同周期数但中心频率均为 1 2 0 k Hz 的单 音频信号, 对 长 7 1 2 r n的管道中的单缺陷进行了检测检测结果表明, 2 0个周期的
2、单音频信号适合检测该管道中的缺陷 当单音频信号周期数较 小时 , 激励的 L( 0 , 2 ) 模态波形较 窄, 频带较 宽, 信噪 比较 低, 并且 当该 模态 遇到缺 陷后 , 反射的一些转换模 态( 如弯 曲模态 ) 频 散严 重, 不利 于模 态识别 和缺 陷检 测 当周 期数逐渐增 加 至 定 数量时 L( 0 , 2 ) 模态频 带变窄, 频散程度变 小, 信 噪比更高 , 有利于管道的缺 陷检测 周期数过 多, 尽管 模态控 制较好, 但 各缺 陷回波 波形持 续时间较长, 彼此 之间容易相互叠加, 反而 影响 缺陷定位和识别 关键词 : 导波 ;单音频信号 ; 缺 陷检测 ;
3、频散 ;模态 中图分类号 : T G1 1 5 2 8 文献标识码 : A 文章 编号 : 0 2 5 40 0 3 7 ( 2 0 0 6 ) 0 8 0 6 9 90 5 超声导波沿管道能传播较远的距离, 可达几十米, 甚至上百米, 适合长距离管道检测 1 - 4 超声导波具 有多模态特性, 模态不同, 波结构和频散程度也不相同, 对不同类型缺陷敏感程度也相差较大 , 因此, 可以 采用不同模态检测管道中多类型缺陷 但为了避免多个模态波形相互叠加, 在管道缺陷检测时, 通常 1次 只激励单一模态, 并抑制其他模态通常选取的模态频散要求较 小, 对某一或多类型缺 陷敏感然而, 当 激励的某一
4、模态遇到缺 陷时, 会产生复杂的模态转换现象, 影响检测效果为此, 在管道导波检测时, 在采 用专用探头的基础上, 通常选取特定频率的单音频信号控制和选取所需模态用于管道检测 李隆涛等通 过调整激励信号抑制 了 L( 0 , 1 ) 模态的频散 5 J , 但前提是必须得到特定模态在特定位置 的波形, 应 用范围 受到了很大限制 L o w e等选取了经 Ha n n i n g窗调制的 1 0个周期正弦信号作为激励信号, 在管中激励了 频率为 7 0 k Hz 的 L( 0 , 2 ) 模态, 分别得到了 L( 0 , 2 ) 和其转换模态 F( 1 , 3 ) 的反射系数与缺陷尺寸的变化
5、关系曲线 6 J 但文献中没有分析该信号周期数的变化对缺陷检测效果的影响, 并且其研究的周 向缺陷尺 寸比较规则, 而在工程实际中, 管道缺陷形状很少是规则 的, 转换模 态现象 也将更复杂和严 重由于经 Ha n n i n g 窗调制的多个周期正弦信号常用来作为管道超声导波检测时的激励信号, 因此作者通过改变该 信号周期数来分析信号选取对管道缺陷检测的影响 管道 中的超 声导波 管道 中沿轴向传播的超声导波模态有纵向模态、 扭转模态和弯曲模态 3种 7 其中, 前 2种模态均为 轴对称模态,常用于管道的缺陷检测 弯曲模态为非轴对称模 态, 传播特性较为复杂, 应 用较少, 主要用 于特殊场
6、合( 如空间受到限制的地方 ) 作者利用长度伸缩型压 电陶瓷片在管道 中激励纵向模态 L( 0 , 2 ) 检测管道缺陷, 分析了激励信号对检测效果的影响图 1 给 出了频带 0 3 0 0 k H z时, 钢管中听有纵 向模 态和弯曲模态的群速度频散曲线其中, 管道外直径 3 2 mm, 壁厚 3 mm, 密度 7 81 0 k g m , 纵波波速 5 9 6 m ms , 横波波速 3 2 6 m ms 从图 1 可以看出: 1 )在频带 0 3 0 0 k H z 时, 只有 2个纵向模态, 分别为 L( 0 , 1 ) 、 L( 0 , 2 ) 模态其中, L( 0 , 2 ) 模态
7、在频 带( 9 0 3 0 0 ) k H z时, 频散较小, 群速度最大, 适合检测管道缺陷 收稿 日期 : 基金项 目: 作者 简介 : 20 05 1 0 08 国家 自然科学基金资助项 目( 1 0 2 7 2 0 0 7 , 1 0 3 7 2 0 0 9 , 6 0 4 0 4 0 1 7 ) ; 北京市 自然科学基金资助项 目( 4 0 5 2 0 0 8 ) ; 北京市 教育委 员会资助 项 目( K Z 2 0 0 5 1 0 0 0 5 0 0 4 , KM2 0 0 3 1 0 0 0 5 0 1 2 , KM2 0 0 4 1 0 0 0 5 0 0 3 ) 刘增华(
8、1 9 7 3 一) ,男 ,江西 湖 口人,博士生 维普资讯 http:/ 北京工业大学学报 2 0 0 6 2 )在同一频段, 弯曲模态则远多于纵向模态, 共有 2 2个 其 中, 弯曲模态的最高周向阶数达到 1 0 , 并 且各模态频散都相对较大, 许多模态在某些频段群速度很接近, 因此, 当纵向模态遇到缺 陷转 化成多个弯 曲模态时, 波形很容易相互叠加, 给缺陷定位与识别带来困难 2 实验装置 实验装 置 由管 道、 计算 机 、 数字 示波 器 ( F D S 3 0 3 2 B) 、 功率 放 大 器 ( Ul t r a 2 0 2 0 ) 、 任意 波 形 发 生器 ( HP
9、 3 3 1 2 0 A) 、 转换开关和传感器( 1 组 P Z T5压电陶瓷片) 组成 激励信号由任意波形发生器产生, 经功率 放大器放大后, 通过转换开关激励传感器, 在管道中产生纵 向模态; 激恸信号后, 经过转换开荚, 传感器义 可接收信号, 在数字示波器上显示, 并通过 以人 网端 口存储 到计 机里被测试 的管道 为无缝 钢管, 长 7 1 2 m, 其他尺寸和主要参数与前面数值计算相同 2 1 探头选取 为 r在管道中产生沿轴 向传播的纵向模态, 采用的传感器为 1 6片 2 0 mm4 mm0 5 mm的 长良 伸 缩型 P Z T 5压电陶瓷片压电陶瓷片在管道一端 周向均布
10、, 采用氰基丙烯酸酯黏 合剂育接粘贴在管道表 面 将一定数量的压电陶瓷片管道周向均布, 可以有效地抑制弯曲模态 、 激励纵向模态 2 2 人工 周向缺 陷 为 _r进行管道缺 陷检测实验, 在距纵向模态激励端即管道一端 3 7 7 m处加工一 人J : 同向缺陷缺陷 横截面形状如图 2所示 缺陷周向弦长 1 4 mm, 轴向宽 1 1 mm 该缺陷为非穿透缺陷经计 , 陔缺陷的 横截面面积为整个管道横截面面积的 5 5 5 _ 4 E 二 三 2 L ( O , 2 ) 3 , 3 ) 0 5 0 1 O O 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 | k H z 图 l 纵 向模态和
11、弯 曲模态 的群速度频散 曲线 Fi g 1 Gr o up v e l o c i t y dis p e r s i o n c u r v e s o f l o ng i t u di na l a nd f l e xu r a l mo d e s 2周向缺陷 Fi g 2 Ci r c u n1 f e r e n t i a 1 f l a w 2 3激励信号 为在管道中激励出某一频率的纵向模态, 选取的激励信号为经 Ha n n i n g窗调制的多个 圊期正弦信 号 该 信号的周期数可以任意选取, 在本实验中, 分别为 5 、 1 0 、 2 0和 4 0个图 3给出 厂中
12、心频窭为 1 2 0 k H 的 4种单音频信号的时域信号 其中, 采样频率均 为 1 MH z 图 4给出 了 , 3中各单音频信号的归一 化频 谱 表 1 给出了各个信号 3 d B的带宽以及在相应的带宽 内, 弯曲模态的群速度变 化范围 从图 3 、 4和表 1 可以看出: 1 )随着周期数的增加, 时域信号的持续时间越长 5个周期为 4 1 6 7I S , 1 0个周期为 s 3 3 4 , 而 4 ( ) 个 周期则达到 了3 3 3 3 3 S 信号的周期数越多, 波形越易叠加, 不利 : 缺陷的检测与识别 2 )周期数越多, 信号的频带越窄, 则激励的模态控制得也越好 从表 1
13、可 以看 , 随着 同朗敬成倍的 维普资讯 http:/ 第 8期 刘增华等 :管道超声导波检测 中信号选取的 实验研 究 7 O 1 增加, 3 d B的带宽则相应大致减半 经以上分析可知, 信号的周期数不能任意选取, 过多或太少均会给管道检测带来困难凶此, 作者通 过改变信号的周期数来检测管道 中的缺陷, 分析检测结果, 选择单音频信号合适的周期数 I I 1 O O - 8 O 6 0 4 O 2 f ms ( a ) 5 个 l l f ms ( b ) 1 0 个 f ms ( C ) 2 0 个 图 3 频率为 1 2 0 k H z 的激励信号 Fig 3 Ex c i t a
14、t i o n s i g na l s a t 1 20 kHz I l f , 一 J , 一 ll O 0 0 5 0 1 0 0 1 5 O 2 O O 2 5 f M H z 图 4 激励信号的频谱 Fi g 4 Fr e qu e nc y s pe c t r u ms of e xc i t a t ion s ign a l s 3 实验结果与分析 f Il l S ( d ) 4 0 个 表 1 单音频信号的带宽和 F( 1 , 3 ) 模态的群速度范围 Ta b 1 Fr e qu e n c y b a n dwi dt h o f t o n e bu r s t s
15、 a nd c o r r e s p o n d i n g g r o u p v e l o c i t y r a n g e s o f F( 1 , 3 ) 采用周期数不同的单音频信号, 在管道 中分别激励 L( 0 , 2 ) 模态, 用来检测管道中的周 向缺陷, 得到的 波形如图 5所示单音频信号的中心频率不变 , 均为 1 2 0 k Hz 从图 5可以看出几点 1 )虽然管道 中只存在单一的周向缺陷, 但均存在多个缺陷回波, 这是 由于模态转换现象所产生的 通过各缺陷回波的传播时间可得到其相应的传播速度, 与理论的群速度频散曲线对 比, 可以确定不同的模 态以图 5 ( c
16、 ) 中的端面回波和缺陷回波I 、 为例, 通过采集到的数据可知端面回波的传播时间为 2 7 2 0 m s , 则其 实际波速为 7 1 2 0 m2 2 7 2 0 ms =5 2 3 5 m ms , 与 L( 0 , 2 ) 模态的理论群速度 5 3 2 6 m ms 相比, 相对误 差不超过 2 , 因此可以确定端面回波为 L( 0 , 2 ) 模态缺陷回波 I 的传播时间为 1 4 4 0 ms , 则其传播速度 为 3 7 7 0 m2 1 4 4 0 ms =5 2 3 6 m ms , 因此可确定缺 陷回波 I 为从缺陷处反射回来的部分L( 0 , 2 ) 模态 缺 陷回波
17、I I 的传播时间为 1 6 3 6 m ms , 则其传播速度为 3 7 7 0 m ( 1 6 3 6 ms 一3 7 7 0 m 5 2 3 5 m ms 一 ) 与 F( 1 , 3 ) 模态的理论群速度 4 1 2 6 m ms 相比, 相对误差不超过 0 3 , 因此可以确定缺 陷回波 为弯曲 模态 F( 1 , 3 ) 2 )同样, 也可以确定其他 3种情况下的缺陷回波 I、 也分别为 L( 0 , 2 ) 和 F( 1 , 3 ) 模态 这说明改变 激励信号的周期数不会使缺陷回波中的模态类型产生很大变化,但 随着周期数成倍的增加, 缺陷回波的 时域波形 I也相应变宽 经计算,
18、图 5 ( a ) 、 ( c ) 中缺 陷回波 I 与端面 回波的峰峰值之 比分别 : 勾3 8 9 和 4 6 2 , 信噪比也有所增大, 缺陷信号更容易识别 3 )图 5 ( c ) 中的缺陷回波 有明显的波形叠加, 说明该缺 陷回波中存在 2个或 多个转换模态 其时间 大致在( 2 2 7 6 2 6 1 3 ) ms , 则模态的传播速度范围为( 1 9 9 2 2 4 2 3 ) m ms , 如图 1中虚方框所示 可 以 维普资讯 http:/ 7 0 2 北京工业大学学报 2 0 0 6正 看出, 虚方框中共有 6个弯曲模态, 群速度很相近 , 因此, 很难从缺陷回波 的时域上
19、分辨m相 应的模态 从图 5 ( a ) 、 ( b ) 也可看出缺陷回波 中含有多个小波包, 但由于波速过于接近, 无法确 定相应的模态, 而图 5 ( d ) 中缺陷回波 则由于各转换模态相互叠加成一个大波包凶此, 对于波速非常接近的转换模态, 很难 通过改变信号的周期数来识别 4 ) 从图 5 ( a ) 可以看出, 缺 陷回波 即 F( 1 , 3 ) 模态持续时间明显大 于图5 ( b ) 、 ( c ) 中相应的缺陷回波, 但幅度相应较小, 这是由于 5 ( a ) 中 F( 1 , 3 ) 模态频带更宽, 群速度变化相对较大, 频散现象严重, 如图 1所 示由表 1可知, 5个周
20、期时, F( 1 , 3 ) 模态的群速度变化范 围上下相差 1 5 7 0 m ms , 而 2 0个周期时则降 至 0 3 4 0 m ms , 频散范围大幅减小因此, 当周期数不断减少, 不仅缺陷回波 】波形变窄, 不易识别, 并且 由于转换模态 F( 1 , 3 ) 的频带变宽 , 使得信号频散严重 增加周期则可以减少转换模态的频散程度, 有利 于缺陷识别然而, 当周期数从 2 0继续增加至 4 0时, 可以很明显地看f 缺陷回波 I和 相互叠加随着 周期数增加, 缺 陷回波的频散得到 了有效控制, 但缺陷回波的持续时间也相应增加, 反而不利 于缺 陷回波 的识 别 端面回波 缺陷回波
21、 I 缺陷回波l 1 L : 。 - 一 n ”一 缺陷回波1 11 fm S ( a ) 5 个周期 端面同波、 、 缺陷回波 I缺陷回波 L 一 缺陷F I 波 端而同波 缺陷同波I 缺陷 波 1I I 、 、 、 r 缺陷F I 波I U tI 1 1 S ( b ) l O个周期 端面同波 、 缺陷同波 I 缺陷同波 L 、 , : 缺陷同波1 11 t | ms t i ms ( c ) 2 0 个周期 【 d ) 4 O 个周期 图 5 带缺 陷的管道 中接收到的时域信号 Fi g 5 Ti me d o ma i n wa v e f or ms r e c e i v e d
22、i n p i p e wi t h f l a w 通过以上 比较分析, 可认为 2 0个周期的单音频信号适合检测管道中的缺陷 4 结论 为了研究信号选取对缺陷检测的影响, 激励 4个不同周期数但中心频率均为 1 2 0 k Hz 的单音频信号, 对长 7 1 2 m 的管道中的单缺陷进行了检测 对检测结果 比较分析得出, 2 0个周期的单音频信号适合检测 该管道中的缺 陷当单音频信号周期数较少时, 激励的 L( 0 , 2 ) 模态波形较窄, 频带较宽 , 信噪比较低, 并 且当该模态遇 到缺陷后, 反射的一些转换模态( 如弯曲模态) 频散严重, 不利于模态识别和缺 陷检测当周 期数逐渐增
23、加至一定数量, L( 0 , 2 ) 模态频带变窄, 频散程度变 小, 信噪比更高, 有利 J 管 道的缺陷检测 然而周期过多, 尽管模态控制较好, 但各缺陷 回波波形持续时间较长, 彼此之间容易相互叠加, 反而影响缺 维普资讯 http:/ 第 8期 刘增华等 :管道 超声导波检测 中信号选取 的实验 研究 7 0 3 陷定位和识别因此, 选择合适周期数的单音频信号, 在管道超声导波检测中具有重要的作用 需要说明的是, 文中选择的单音频信号是经 Ha n n i n g窗调制的正弦信号, 但对其他类似的单音频信号 周期数的选择仍具有一定的指导意义同时, 周期数的选取与管道长度也有一定关系,
24、当单音频信号相 同 时, 管道越短, 各模态频散现象越不明显, 因此, 在满足检测的要求下, 周期数可以相应减少 参考文献 : 1 何存富,刘增华,郑碌瑜 ,等 管道 导波检 测 中传感 器数量和 频率持性 研 究 J 北 京工 业大 学学报 ,2 0 0 4 ,3 0 ( 4 ) : 3 93 3 97 HE Cu n f u ,LI U Z e n g h u a ,Z HE NG J i n g y u ,e t a 1 S t u d y o n t h e n u mb e r a n d t h e f r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t
25、 i c o f t r a n s d u c e r s i n p i p e i n s p e c t i o n u s i n g g u i d e d w a v e s J J o u r n a l o f B e ij i n g Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , 2 0 0 4 ,3 0 ( 4 ) :3 9 3 3 9 7 ( i n C h i n e s e ) 2 何存富 ,吴斌,范晋 伟超声柱面导波技术及其应用研 究进 展 J 力学进 展,2 0 0 1 ,3 1 ( 2 ) : 2 0 3 2 1 4
26、 HE C u n f u ,wU B i n ,F AN J i n w e i Ad v a n c e s i n u h r a s o n i c c y l i n d r i c a l g u i d e d,v a v e s t e c h n i q u e s a n d t h e i r a p p l i c a t i o n s J Ad v a n c e s i n Me c h a n i c s ,2 0 0 1 ,3 1 ( 2 ) :2 0 3 2 1 4 ( i n Ch i n e s e ) 4 5 6 7 KwuN H,KI M S Y,L
27、 I G HT GL o n g r a n g e g u i d e d w a v e i n s p e c t i o n o f s t r u c t u r e s u s i n g t h e ma g n e t o s t r i c t i v e s e n sor J J o u r n a l o f Ko r e a n S o c i e t y o f NDT,2 0 0 1 ,2 1:3 8 3 3 9 0 DEMM A A,C AW L EY P,I OW E M ,e t a 1 Th e r e f l e c t i o n o f t h e
28、f u n d a me n t a l t o r s i o n a l mo d e f r o m c r a c k s a n d n o t c h e s i n p i p e s J J J o u r n a l o f t h e A c o u s t i c a l S o c i e t y o f A me r i c a ,2 0 0 3 ,1 1 4 ( 2 ) : 6 1 1 6 2 5 李隆涛 , 何存 富,吴斌 管道长距离超声导波模 态频 散现象 的抑 制方法研究 J 数据采集与处理,2 0 0 4 1 9 ( 3 ) : 2 9 7 3 01 I I
29、 L o n g - t a o ,H E C u n f u wu B i n R e s e a r c h o n r e s t r a i n i n g d i s p e r s i v e c h a r a c t e r i s t i c s o f u l t r a s o n i c g u i d e d w a v e i n a l o n g p i pe J J o u r n a l o f Da t a Ac q u i s i t i o n& Pr o c e s s i n g ,2 0 0 4,1 9 ( 3 ) :2 9 7 3 0 1 (
30、i n C h i n e s e ) I O WE M AL 1 E YN E D, C A WI E Y P D e f e c t d e t e c t i o n i n p i p e s u s i n g g u i d e d w a v e s J Ul t r a son i c s ,1 9 9 8 ,3 6 : 1 4 7 1 5 4 R OS E J L U l t r a s o n i c wa v e s i n sol i d me d i a M C a mb r i d g e : C a mb r i d g e Un i v e r s i t y
31、P r e s s ,1 9 9 9 :1 5 4 1 7 6 Ex p e r i m e nt a l S t u d y o n S i g na l Cho i c e f o r Ul t r a s o ni c Gu i d e d W a v e I n s pe c t i o n i n Pi p e s LI U Ze n g h ua ,W U Bi n , LI Lo n g t a o,HE Cu n f u,W ANG Xi u y a n ( C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g a
32、nd Ap p l ied E l ect r o nic s T h n o l o g y。B e ij i n g Univ e r s i t y o f T e c h n o l o g y。B e ij i n g 1 0 0 0 2 2 。C h i n a ) Ab s t r a c t :To i n ve s t i g a t e t he i n f l ue nc e o f s i gn a l c ho i c e o n f l a w d e t e c t i o n,d e t e c t i o n i s d o n e o n s i n g l
33、 e f l a w bv u s i n g 4 t o ne bu r s t s wi t h d i f f e r e nt c y c l e s a t 1 2 0 kHz i n a 7 1 2 m l o n g pi pe Th e t o n e b u r s t o f 20 c y c l e s i s s u i t a b l e f o r f l a w d e t e c t i o n i n t h e pi p e b y c o mp a r i n g a n d a n a l yz i ng c or r e s p o n d i n g
34、 e x p e r i m e n t a l r e s ul t s W h e n i t s c y c l e nu mb e r b e c o me s s ma l l e r , t he t o n e bu r s t i s un s u i t a b l e t o de t e c t f l a ws be c a u s e t h e wa v e f o r m o f e x c i t e d L( 0 , 2)mo d e b e c o me s n a r r o we r ,a n d i t s f r e q u e n c y s p
35、e c t r u ms b e c o me wi d e r ,s i g n a l t o n o i s e r a c i o( S NR)o f f l a w s i g na l s b e c o me s ma l l e r ,a n d t h e d i s p e r s i o n o f c o n v e r t e d mo de s ,s u c h a s f l e x ur a l mo de s ,b e c o me s mo r e s e r i o u s whe n t he i n c i d e nt mo d e r e f l
36、e c t s f r o m t h e f l a w W h e n i t s c y c l e nu mb e r gr a d ua l l y i n c r e a s e s t o a c e r t a i n v a l u e ,f r e q u e n c y s p e c t r u m o f e x c i t e d L( 0 , 2)mo d e b e c o me s n a r r o we r ,i t s d i s p e r s i o n b e c o me s m( ) r e i n c o n s p i c U O U S
37、,a n d t h e SNR o f f l a w s i gn a l s b e c o me l a r g e r ,t h us ,t h e t o n e b u r s t wi t h t h i s n u mbe r o f c y c l e s i s s u i t a bl e f o r f l a w de t e c t i o nHo we v e r ,t h e t on e b ur s t b e c o me s i m p r o pe r whe n i t s c y c l e nu mb e r i nc r e a s e s l a r g e l y Be c a u s e f l a w e c h o e s a r e i nc l i ne d t o s up e r p o s e mu t u a l l y whe n d ur a t i o n s b e c o me l o n ge r Ke y wo r d s :g u i d e d wa v e s ;t o n e b ur s t s ;f l a w de t e c t i o n;di s pe r s i o n;mo d e s 维普资讯 http:/
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