基于超声导波埋地层状管道结构健康监测

本文以超声导波在层状管道结构传播规律研究为基础,对基于超声导波在埋地层状管道结构健康监测进行研究。首先,以Navier-Stokes方程为基础,结合势函数中和一个附加的位移场方程,引入具有渐进性的Hankel函数,联立边界条件,建立频散方程。研究频散方程的数值解,绘制频散曲线。根据频散曲线性质选择用于监测的导波模态和频率,建立试验系统。由于超声导波在埋地层状管道结构中传播是能量逐渐衰减的过程,采用能量法能够对结构中能量消散有更清晰的认识,以能量密度为参量,对理论和试验进行验证,结果表明,一定频段和模态的超声导波对浅层埋地层状管道结构健康监测能够清晰实现。     

液态金属快堆主管道中超声导波传播特性研究

讨论了钠冷快堆(Sodium-cooled Fast Reactor,SFR)主管道的整体温度和内部液态金属钠流动速度的变化对管道导波传播特性的影响。推导了充液管道中导波频散方程的一般形式,并给出了管道内液态金属钠处于流动状态下的导波频散方程。采用数值计算方法获得了管内液态金属钠处于不同温度和不同流速时的导波纵向模式频散曲线和导波时域波形。结果表明,温度变化对基阶纵向模式的影响较小,但对高阶纵向模式的影响较大;液态钠流速增大会使导波频散曲线向高频轻微移动,但在实际检测中可以忽路管内液体流动速度的影响。通过对时域接收波形的模拟计算,进一步考察了液态金属钠的温度及流动速度变化对导波传播的影响,并通过对比不同模态的激发特点和不同频段的导波时域波形特点,结合导波频散曲线,给出了适用于SFR管道超声无损检测的导波模态和声源激发频段选择方案。     

基于压电导波的钢梁损伤检测实验

本文对压电导波应用于钢梁损伤检测进行了实验研究。实验利用压电陶瓷片(PZT)作为导波激励器和接收器,选择1000 mm×30 mm×20 mm的Q235钢梁。首先根据MATLAB求解出的钢梁频散曲线,选择3.5周期,Hanning窗调节的50 k Hz正弦信号作为实验激励信号。实验中,利用双片加载产生的单模态导波(A0导波和S0导波)作为激励信号,并选择不同位置的3个PZT片作为接收器进行损伤检测。实验结果表明:损伤会引起激励信号的反射和透射;A0和S0模态导波都可对损伤进行高精度定位,其中S0导波比A0导波精度高,且将激励器和接收器置于损伤同侧可提高定位精度;损伤反射导波幅值和端面反射导波幅值与损伤程度之间具有很强的线性相关性;通过粘贴200 g砝码实验,得知导波法对结构微小质量增加变化的敏感性很低。     

应用独立分量分析管道两点泄漏定位

针对管道多点泄漏定位干扰因素多的问题,提出一种基于独立分量分析技术,融合小波消噪与时频分析的有用源信号提取方法。在管道检测粗定位混合信号进行小波消噪处理的基础上,利用Fast ICA算法最大化投影矩阵的非高斯性最大化组件的统计独立性,分析小波变换极大值与信号奇异点的关系,对观测信号进行白化处理与时域分析,同时通过小波时频分析确定泄漏源的主要导波模态形式,进而计算得出泄漏源的位置。通过实验证明,该方法能够有效对管道两点小泄漏进行定位,并获得了较高的定位精度。     

分层固体板中导波的激发与频散特性

针对无限大弹性分层固体板,研究了结构中导波的频散和激发特性。首先使用传递矩阵法推导分层板模型中导波的频散方程,然后用二分法求取导波各模式的频散曲线,进而分析结构中导波的频散特性。结果表明:在速度递增或递减的分层板中,基阶模式和高阶模式的高频极限分别等于低速层的瑞利波速和横波波速。对于含低速夹层的分层板,所有模式的高频极限都等于低速层的横波速度。在导波激发特性方面,研究了在具有一定宽度的法向力源作用下的分层板中导波各模式在结构中的法向位移谱。发现在速度递增的分层板结构中基阶模式是主导模式,而对于速度递减和含低速夹层模型,主导模式在不同的频段范围内对应不同的导波模式。     

利用简正波频散特征映射方法进行海洋环境参数反演

浅海波导中传播的脉冲信号可以通过频散特征映射方法(warping变换)进行简正波的有效分离,这使得频散曲线的获取更加容易和准确.利用简正波频散特征映射方法分析2010年南海声层析实验中单个阵元接收的声学信号,有效分离出各号简正波,并进一步通过Wigner-Ville分布处理提取出波导中各号简正波的频散曲线.将提取的频散曲线与理论计算到达时差进行匹配,实现了利用单水听器信号的海洋环境参数反演.实验结果表明:将简正波分离与Wigner-Ville分布相结合可有效消除Wigner-Ville分布在估计多分量信号时的交叉干扰,提取的频散特征可很好地用于同时反演海水和海底声速剖面。为评价反演结果的有效性,对反演结果进行了后验概率分析,并将一小时内的海水声速剖面反演结果与温度链实测值作对比,二者符合较好.     

管道弯头对低频纵向导波传播特性影响分析

管道弯头显著改变了导波传播特性,影响了对检测信号的解读,研究弯头对导波传播特性的影响是实现复杂管道系统导波检测的基础。采用半解析有限元法计算弯管导波频散曲线,分析了弯管导波频散曲线所呈现的不同特征,并基于弯管导波频散曲线,以低频L(0,1)模态导波为研究对象,实验研究了低频L(0,1)模态导波通过管道弯头时的模态变换特征。研究结果发现,当L(0,1)模态导波通过管道弯头时,不仅会发生L(0,1)到F(1,1)的模态变换,还会模态变换出反向L(0,1)模态导波,即弯头反射现象,且随着激励频率的降低和弯头弯曲半径的减小,弯头反射现象愈发明显。研究结果将深化对弯管导波传播特性的认识,推动导波检测技术在复杂管道系统检测中的应用。     

采用超声导波特征参量的骨质疏松识别方法

骨质的定期检测对骨质疏松的防治至关重要。本文研究了骨质疏松对超声导波在人体长骨中传播的影响。提出采用多尺度小波变换方法对接收到的导波信号进行处理,通过分析在不同传播距离下高阶小波细节分量所占信号总能量的变化,来判断是否患有骨质疏松症。在13位志愿者的小腿胫骨上进行超声测量,得到导波信号。经多尺度小波变换方法的分析处理结果显示在13位志愿者中,有7位志愿者的超声导波信号随着传播距离的改变,其主要频率成分发生了明显的变化,显示这7位志愿者患有骨质疏松症。这一诊断结果与X射线技术诊断结果相比,准确率可以达到92.3%,表明本文所提出的利用小波多尺度变换方法对长骨进行超声诊断具有较好的潜力。     

基于独立成分分析的尖轨导波监测信号处理方法研究

道岔尖轨属于一种非规则变截面波导,复杂的结构导致其在应用导波进行检测时,存在的模态众多,而尖轨本身也处于一种动态且复杂的工作状态,以上因素造成对于超声导波监测信号使用传统的残差分析的方法难以解读的问题。因此,通过基准信号与当前信号在同一特征空间分解的方式,对空间中表征缺陷对于监测信号影响的维度进行了分析,提出了基于独立成分分析的尖轨导波监测信号处理方法,在理论分析的基础上使用超声导波监测仪对尖轨进行了模拟监测实验。研究结果表明:使用本处理方法能够对尖轨导波监测信号进行分解,从中提取有效信息实现缺陷的准确判别与定位,对于同一组缺陷,监测结果信噪比残差分析法更高。     

焊缝散射对板中超声水平剪切导波直线合成孔径阵列成像的影响

为探讨焊缝散射与板中超声导波阵列成像之间的关系,提出了将散射渡越时间矩阵作为分析工具用来开展焊缝散射对板中超声水平剪切(Shear horizontal,SH)导波直线合成孔径阵列成像影响的研究。运用散射因子和散射渡越时间矩阵描述焊缝散射,结合分析超声SH导波直线阵列信号所特有的圆锥曲线特征和合成孔径成像算法,从导波阵列信号和阵列成像机理出发,重点研究了焊缝散射因子和散射渡越时间矩阵在阵列成像中的作用。结果显示,焊缝散射易造成同一成像散射体反射声波的阵列信号形成"多峰",焊缝散射因子随之同步变大,散射渡越时间矩阵的秩随之成倍数关系增大,导致导波图像相应出现对应倍数的"条带"伪像,图像椭圆簇轨迹特征复杂化,特别是图像背景噪声增幅可达50%,图像信噪比减小幅度可达10%。成像实验验证了理论分析的有效性,表明散射渡越时间矩阵是研究焊缝散射对超声导波阵列成像影响规律的有力工具,该影响规律的揭示可为深入开展焊接板结构超声导波阵列图像处理和图像识别提供基础。