周向导波电磁超声探头(EMAT)设计与优化

为了利用SH0模超声周向导波检测油气管道纵向裂纹,提出了一种新的周向导波电磁超声探头(EMAT)结构设计,其结构特点是磁铁顶部放置碳钢片,相邻磁铁之间放置非磁性材料片.为了提高周向导波EMAT的换能效率,采用ANSYS仿真对其结构参数进行了优化.优化的结果为:磁铁顶部应放置厚度大于1mm的碳钢片,线圈中导线间距要尽量小.在直径200 mm壁厚、4mm的管材上进行实验,结果表明,优化设计后的探头能有效地激励出周向SH0导波.     

利用Lamb波检测垢层厚度的数值分析

针对锅炉垢层厚度检测的问题,提出一种通过Lamb波的频散特性检测垢层厚度的方法。首先,建立Lamb波在铝板-垢层双层弹性结构中的波动模型,利用半解析有限元法求解Lamb波的特征方程,绘制Lamb波的频散曲线。其次,建立铝板-垢层二维电磁超声仿真模型,通过电磁超声换能器在铝板中激发S0模态的Lamb波,得到不同采集点下的波形曲线。最后,通过对频散曲线和波形曲线的分析得知,随着垢层厚度的增加,低频S0模态Lamb波群速度变慢,高频S0模态Lamb波群速度变快,信号波群的幅值减小。结果表明,可利用S0模态Lamb波群速度变化及幅值变化进行锅炉垢层厚度检测。     

电磁超声单向应力横纵波联合测量方法研究

针对单向应力检测时厚度不均匀及拉伸变形等严重影响应力检测精度的难题,提出一种电磁超声横纵波联合测量单向应力的方法.通过基于洛伦兹力换能机理,优化设计出电磁超声纵波与横波探头,可有效提高回波信号的信噪比与幅值大小.分析了纵波与横波应力-声时差关系,建立了横纵波联合的单向应力电磁超声测量模型.利用自制的铝合金7075螺栓模拟件,开展了单向应力-声时差系数标定及横纵波联合应力测试实验,并与基于应变片的实测值进行了比较,验证了所设计电磁超声探头和应力测量方法的有效性.     

基于 Lamb 波的数据传输与缺陷检测同步实现方法

在结构健康监测领域,超声导波相对于体波具有传输距离远、覆盖范围大、检测成本低的优点。提出了一种基于Lamb波的数据传输与缺陷检测同步实现方法,实现了超声系统的多功能复用。通过理论仿真与扫频实验验证了Lamb波模态调制理论,使用压电晶片主动传感器在铝板上以500 kHz的中心频率激发出S₀模态Lamb波进行数据传输和缺陷检测。针对Lamb波边界反射引起的码间串扰问题,采用移不变稀疏编码方法进行信息恢复,在具有反射边界的铝板上成功实现100 kbps的信息传输速率,并且误码率为0。同时,利用移不变稀疏编码中的原子信号进行结构缺陷检测,根据合成孔径聚焦技术实现了缺陷的准确定位,定位误差小于0.2%。     

Lamb波时间反转分解损伤识别方法研究

基于主动Lamb波的结构健康监测和损伤检测是目前研究的热点之一。时间反转分解方法利用发射-接收阵列可以选择性地分别聚焦定位各个散射体.由于Lamb波传播的频散和多模式特性,导致了Lamb波时间反转传递矩阵的不对称性。基于压电激励Lamb波传播过程,分析研究了Lamb波时间反转传递矩阵显著特征值数目与散射体数目的关系,进行了Lamb波传播与损伤检测的实验研究,利用Lamb波A0和S0模式传播解析解数值反向传播,定位板中各个散射体。实验结果表明了Lamb波时间反转分解损伤识别方法的有效性,能够有效识别并定位结构损伤。     

Lamb波时间反转分解损伤识别方法研究

基于主动Lamb波的结构健康监测和损伤检测是目前研究的热点之一。时间反转分解方法利用发射-接收阵列可以选择性地分别聚焦定位各个散射体.由于Lamb波传播的频散和多模式特性,导致了Lamb波时间反转传递矩阵的不对称性。基于压电激励Lamb波传播过程,分析研究了Lamb波时间反转传递矩阵显著特征值数目与散射体数目的关系,进行了Lamb波传播与损伤检测的实验研究,利用Lamb波A0和S0模式传播解析解数值反向传播,定位板中各个散射体。实验结果表明了Lamb波时间反转分解损伤识别方法的有效性,能够有效识别并定位结构损伤。     

复合材料板的空耦超声 Lamb 波原位应力测量方法

为了实现大部件复合材料板的原位应力测量,提出了基于 Lamb 波的复合材料板空气耦合超声应力测量方法。 目前, 由于空耦超声换能器声阻抗的严重不匹配导致能量损失严重、空耦超声信号较为微弱,在声学特征准确提取上难度较大。 与此 同时,空耦超声 Lamb 波应力测量方法在复合材料中的应用仍处于理论与实验的探索阶段。 通过实验方法探究碳纤维复合材 料的 Lamb 波声弹性效应规律。 根据复合材料板相速度与最佳入射角频散特性分析确定了空耦超声换能器的中心频率与相对 纯净 A0 模态 Lamb 波的激励方式,使空耦超声 Lamb 波具有较好的信噪比,保证声时提取的准确度。 为了验证所提出方法的有 效性,分别沿着 0°、15°、30°、45°、60°、75° 以及 90° 纤维方向获得 7 个不同的拉伸试样进行应力测量。 实验结果表明,在 0~ 100 MPa 范围内测量误差小于±8. 1 MPa,测量重复性为 7. 5 MPa。 该方法在测量精度和测量重复性等方面具有显著优势,可 为大部件复合材料板的原位应力测量提供一种先进可行的技术。     

基于SH波的埋地管道泄漏监测方法

埋地管道在服役过程中受到工作载荷波动、周围环境变化等复杂因素的影响,易发生泄漏等事故,建立一种泄漏定量在线监测技术是提升埋地管道运行安全性的有效手段。为此探索了黏性媒质对矩形横截面杆中SH波传播的影响规律,研究了SH波衰减与粘滞系数和波导杆结构的相互影响规律。研究发现粘滞系数和波导杆表面积分别与SH波衰减呈现单调对应关系,推导了波导杆中的SH波衰减粘滞阻尼方程,设计了一种基于SH波衰减的埋地管道泄漏在线监测湿度传感器,建立了基于SH波的埋地管道泄漏监测方法。搭建试验台,开展SH波湿度传感器监测埋地管道泄漏可行性试验。试验发现,当湿度传感器选定并且埋入深度固定时,SH波衰减公式可以定量地表征土壤的湿度,根据SH波衰减公式测量土壤湿度相对误差不大于8%,即基于湿度传感器建立的埋地管道泄漏监测方法能定量地判断管道泄漏情况。     

二维傅立叶变换在Lamb波模式识别研究中的应用

用二维傅立叶变换对实验测定的Lamb波信号进行分析。该方法是在波的传播路径方向上,对一系列等间距位置接收到的时间信号进行二维傅立叶变换。给出了各向同性和各向异性媒质中传播的Lamb波频散曲线的数值和实验结果。研究表明,二维傅立叶变换能有效地识别Lamb波模式。     

液层负载作用下薄板中腐蚀的Lamb波检测

针对液层负载作用下薄板结构中的损伤检测,建立液层负载作用时薄板中Lamb波的传播理论模型.通过傅里叶变换和拉普拉斯变换求解外力作用时板中的响应,并得到板中Lamb波传播的特征方程,绘制不同厚度液层的频散曲线.利用有限元模拟液层负载作用时薄板中Lamb波与腐蚀坑的相互作用过程.研究结果表明,薄板开始有液层负载作用时Lamb波相速度与群速度变化较大,随着液层厚度逐渐增加,频散曲线逐渐趋近于某一曲线.Lamb 波与腐蚀坑相互作用时发生波型转换,在腐蚀初始阶段反射波和透射波的强度变化缓慢,当腐蚀坑超过一定深度后,反射波中各模式以及透射波强度变化加剧.     

边界散射对超声水平剪切导波成像检测的影响

超声水平剪切(Shear horizontal,SH)导波在工业在役板材成像检测和结构健康监测(Structural health monitoring,SHM)中有重要的应用价值。基于合成孔径聚焦方法,对钢板中人工缺陷用超声SH导波进行成像,对边界散射条件下的成像检测阵列信号进行分析,探讨了边界散射对超声SH导波成像检测的影响。研究结果表明,基于合成孔径聚焦的超声SH导波成像方法用于板材缺陷成像检测时,超声边界散射使成像信号双曲线阵列特征弱化,缺陷声波信号衰减增大,信号散射噪声增强,进而使成像清晰度降低,易导致漏检;同时边界散射会造成同一缺陷信号产生双峰或多峰,成像信号双曲线阵列特征紊乱,使成像发生畸变,会导致误检。这将为进一步改进工业在役大尺度板材超声导波成像质量与提高结构健康监测水平提供重要基础。     

Experimental verification of the interface wave method to detect interlaminar damage of a metal multilayer structure

The interface wave traveling along the boundary of two materials has been studied for nearly a century. However, experiments, engineering applications, and interface wave applications to the non-destructive inspection of interlaminar composite have developed slowly. In this research, an experiment that applies Stoneley waves (a type of interfacial wave between two solid half-spaces) is implemented to detect the damage in a multilayer structure. The feasibility of this method is also verified. First, the wave velocity and wave structure of Stoneley waves at a perfectly bonded aluminum-steel interface are obtained by solving the Stoneley wave dispersion equation of two elastic half-spaces. Thereafter, an experiment is conducted to measure the Stoneley wave velocity of an aluminum-steel laminated beam and to locate interlaminar cracks by referring to the Stoneley wave velocity and echo wave time. Results indicate that the location error is less than 2%. Therefore, Stoneley waves show great potential as a non-destructive inspection method of a multilayer structure.     

空心圆管中导波频散特性与检测频率选择

频散是长距离管道导波检测中影响检测频率选择的重要因素。通过分析空心圆管中纵向模态导波的频散特性,探讨导波检测常用模态L(0, 2)和L(0, 1)的频率选择问题。根据导波频散现象,建立缺陷回波分辨距离与激励信号参数间的量化关系,分析检测频率优化选择问题。以导波频散引起的信号分辨距离为依据,计算不同几何尺寸管道中L(0, 2)和L(0, 1)导波非频散段的限制频率。结果表明,限定或最小化缺陷回波分辨距离,可获得最佳的导波激励信号周期及检测频率或频段。随着管道几何尺寸变化,得到L(0, 2)和L(0, 1)导波频散特性变化的几个重要结论。当管道内径壁厚比不小于4时,L(0, 2)导波低限频率与管道直径的乘积约为4.0 MHz•mm,高限频率与壁厚的乘积约为1.06 MHz•mm。对于小口径管中的L(0, 1)导波,其高限频率与直径的乘积约为0.81 MHz•mm。这些简单的函数关系为管道检测时快速确定非频散段频率范围提供参考。     

激光激发兰姆波

用激光激发超声兰姆波是近年提出的一种新的微传感器构成方法.本文从光-热-声波转换的基本原理出发,推导出激光在硅薄膜中激发兰姆波的条件和产生给定模式兰姆波的方法,给出了具体的实验设置、初步实验结果和数据分析.     

用于激光驱动冲击波诊断的成像型VISAR设计

利用激光驱动冲击波是高压状态方程研究的主要手段之一,一般利用扫描光学高温计(SOP)对冲击波进行诊断,但SOP存在的靶场干扰、无法实现弱冲击波测量和状态方程绝对测量等缺陷。为解决这些问题,提出了一种用于激光驱动冲击波诊断的双灵敏度成像型任意反射面速度干涉仪(VISAR)设计,并给出了VISAR各组成部分的技术要求。     

磁致伸缩导波在锚杆检测中的应用

为了实现对埋地锚杆的长度以及缺陷的高效检测,提出了一种基于磁致伸缩导波原理的锚杆无损检测新方法。在研究了锚杆中纵向模态导波模型的基础上,计算了直径20 mm的锚杆的频散曲线,搭建了锚杆检测实验系统,并利用该系统完成了空气中以及埋地结构中锚杆长度和缺陷的检测实验。研究结果表明:该方法能实现对空气中以及埋地结构中锚杆的长度、缺陷的检测,具有检测精度高、检测过程简单等特点,可以应用在实际锚杆质量检测中。     

Noninvasive measurement of viscosity from damping of capillary waves

Capillary waves are surface waves on fluids with wavelengths in the millimeter range. The determination of viscosity from the damping of capillary waves is of great practical importance as it affords the possibility of measuring the viscosity of fluids noninvasively. In this paper a noncontact method for generation and detection of capillary waves on fluid is described. A miniature laser interferometer is employed to measure noninvasively the wave amplitude and its attenuation with a resolution of about 10 nm. As a test case, the attenuation data for capillary waves on pure water are used to obtain the kinematic viscosity of water as a function of temperature. The results compare favorably with the most reliable published data on the subject.     

Excitation and detection of shear horizontal waves with electromagnetic acoustic transducers for nondestructive testing of plates

The fundamental shear horizontal（SH0） wave has several unique features that are attractive for long-range nondestructive testing（NDT）. By a careful design of the geometric configuration, electromagnetic acoustic transducers（EMATs） have the capability to generate a wide range of guided wave modes, such as Lamb waves and shear-horizontal（SH） waves in plates. However, the performance of EMATs is influenced by their parameters. To evaluate the performance of periodic permanent magnet（PPM） EMATs, a distributed-line-source model is developed to calculate the angular acoustic field cross-section in the far-field. Numerical analysis is conducted to investigate the performance of such EMATs with different geometric parameters, such as period and number of magnet arrays, and inner and outer coil widths. Such parameters have a great influence on the directivity of the generated SH0 waves that arises mainly in the amplitude and width of both main and side lobes. According to the numerical analysis, these parameters are optimized to obtain better directivity. Optimized PPM EMATs are designed and used for NDT of strip plates. Experimental results show that the lateral boundary of the strip plate has no perceivable influence on SHO-wave propagation, thus validating their used in NDT. The proposed model predicts the radiation pattern ofPPM EMATs, and can be used for their parameter optimization.     

Annular flow in rod-bundle: Effect of spacer on disturbance waves

A high-speed camera technique is used to study the effect of spacers on the disturbance waves present in annular two-phase flow within a rod-bundle geometry. Images obtained using a backlight configuration to visualize the spacer-wave interactions at the micro-scale resolution (in time and space) are discussed. This paper also presents additional images obtained using a reflected light configuration which provides new observations of the disturbance waves. These images show the separation effect caused by the spacer on the liquid film in which the size of generated liquid droplets can be controlled by the gas superficial velocity. Furthermore, the data confirm that the spacer breaks the circumferential coherent structures of the waves.