频散补偿在导波缺陷形状辨识上的应用

针对超声导波具有的频散特性,导致导波缺陷检测信号波包在结构中传播时发生的展宽及衰减现象,研究了如何利用频散补偿技术对检测信号进行处理,将被频散特性淹没的缺陷信息再现,以实现缺陷形状的辨识问题.在进行实验验证的过程中,利用导波检测管道中的双槽形人工缺陷,通过改变端面加载的压电传感器位置,接收一组时域回波信号,根据波数-频率关系对导波传播过程中的频散进行补偿后,再现缺陷的形状特征.     

厚梁结构中的超声导波传播与损伤识别

基于导波的结构健康监测技术研究中,结构厚度与不同损伤形式对导波传播特性的影响是该技术在工程应用中对实际结构进行损伤识别的关键。通过导波在厚梁结构中传播时所表现出的特性,分析并试验研究损伤对导波传播的影响。通过在结构中引入切槽损伤,理论分析与试验研究导波在有损结构中的传播特性。以此为基础,重点研究疲劳裂纹损伤。试验得出导波在厚梁结构中的实际传播速度,并由此分析损伤反射波中的波包成分,研究并总结损伤大小对导波幅值、相位和到达时间的影响规律。分别对结构中的对称和非对称损伤进行研究,验证具有非对称损伤结构中模式转换波包的存在,分析模式转换波包的形成与传播机理,研究不同的非对称损伤对模式转换波包形式的影响。此外,还介绍了试验试件和疲劳裂纹的加工过程。总结了切槽损伤与疲劳裂纹损伤对导波传播的不同影响。     

基于压电晶片阵列的管中导波时反检测方法研究

为提高超声导波技术对管中小缺陷的检测能力,提出一种采用窄带高压脉冲激发安装在管道外表面的压电晶片阵列实现管中导波时间反转检测的新方法。该方法采用窄带脉冲同时激励沿管道表面轴对称安装的压电晶片阵列,从各压电晶片接收到的反射回波中提取含L(n, 2)模态的缺陷信息进行时间反转,并用获得的时反波再次激励阵列中对应压电晶片,整个阵列将同时接收到较单一L(n, 2)模态信号。试验结果表明,该方法能较好地抑制导波的频散、多模态特性,提高缺陷回波信噪比,增加对小缺陷的检测能力。同时,时反前、后所检测到的管道端面和缺陷反射回波的导波模态几乎相同,可采用特定频率的L(0, 2)模态群速度作为时反后缺陷波包的传播速度;且时反后的幅值最大的缺陷波包能重构窄带初始激励信号幅值最大的波包,可有效增加缺陷波包的辨识能力。     

基于超声导波的压力容器健康监测Ⅰ:波传导行为及损伤定位

严苛的使用环境造成的压力容器损伤会导致结构失效而造成巨大安全隐患;超声导波具有大面积、长距离监测的优点,能及时避免压力容器失效。开展基于超声导波的压力容器健康监测研究,分三个部分。第一部分主要研究超声导波在压力容器中的传播行为及损伤定位方法。首先利用有限元法研究超声导波在压力容器中的传播行为,开发出针对压力容器圆柱筒体及球形封头的损伤定位算法程序,并重点讨论信号处理方法对压力容器不同部位损伤定位精度的影响。研究结果表明,导波在压力容器中传播易产生多模态,其在压力容器中不断地循环传播直至能量衰减耗尽,且极少发生边界反射;在基于超声导波的压力容器缺陷定位时,截取合适的时域导波信号并对信号进行滤波和降噪处理能够有效提升压力容器缺陷的定位精度;缺陷信号相对于基准信号的时间零点漂移及非检测模态波包的干扰是影响压力容器缺陷定位精度的两个主要原因,修正后的算法对压力容器筒体和封头缺陷的定位误差在5%以内。     

基于神经网络和支持向量机的导波弯管腐蚀损伤程度辨识研究

利用导波的远场检测优势和机器学习模型,开展管道弯曲处腐蚀损伤程度智能辨识方法研究.在普通碳质钢管弯头处加工不同程度的腐蚀缺陷,按腐蚀程度分为10个等级.采用自激自收和一激一收两种信号激励接收方式,在管道中激励具有非频散的T(0,1)型超声导波,采集得到不同腐蚀程度缺陷对应的导波检测信号.在时域和频域对检测信号进行分析,提取多个导波信号特征值用于表征损伤程度,并通过BP神经网络和支持向量机两种分类模型对数据进行训练分析得到缺陷损伤辨识模型,实现弯曲处腐蚀程度的准确辨识.研究中分析两种模型的超参数对缺陷辨识模型精度的影响,对比研究两种模型对弯管腐蚀损伤辨识的性能.试验结果表明,两种损伤辨识模型对不同激励接收模式下的导波检测信号均能取得较优的分类效果.相较于BP神经网络,支持向量机在小样本条件下对弯管腐蚀损伤具有更好的辨识效果.     

管道变形损伤超声导波检测试验研究

变形是管道的主要失效模式之一,变形检测是保障管道安全运营的重要措施。现有技术,如通径检测、超声检测等用于管道变形检测能够取得较好的效果,但也均有其局限性。为此,通过开展试验研究,探讨利用超声导波技术进行管道变形检测的可行性。导波模态选择轴对称的纵向模态导波L(0,2)。通过在空心铝管中模拟凹陷变形,得到铝管不同凹陷程度时的反射回波。在此基础上,进一步分析变形回波特征与变形区域的联系。结果表明,L(0,2)模态导波对管道凹陷变形敏感,试验系统能够清晰辨识由于管道变形而反射的回波信号;变形回波幅度有效反映了管道的变形程度,且其时间历程能够有效定位管道变形区域所在的轴向位置。超声导波为管道变形检测提供了一种具有潜在吸引力的新型检测技术。     

改进匹配追踪法在导波检测信号处理中的应用

提出了基于差分进化算法的改进匹配追踪方法,对超声导波无损检测信号进行处理。选取与超声导波回波信号时频特性相近的高斯调制余弦信号作为匹配原子,利用差分进化算法提高全局参数寻优的计算效率,通过叠加每个匹配原子分量的Wigner-Ville分布得到无交叉干扰项的时频分布。实验检测信号处理结果表明,该方法极大提高了参数搜索效率,通过时频分布特征对比可以有效地从回波信号中实现缺陷辨识。     

基于模态分析和小波变换的声发射源定位新算法研究

针对传统声发射源定位中，声发射信号到达传感器的时间受设定门槛电压影响很大，导致声发射源定位效果较差，提出了一种声发射源定位新方法。根据模态声发射理论，携带声发射源信息的声发射信号在结构中传播过程中，具有频散现象和多模态特性。因此，声发射源定位应基于同一频率下、同一模态导波到达各个传感器的时间和传播速度。通过对声发射信号进行Gabor小波变换的方法，在时频空间内确定某一频率下某一模态导波到达传感器的时间；并通过数值计算得到该频率处模态导波的群速度，从而实现声发射源的准确定位。通过薄板中声发射线源定位试验，证明了该定位算法的有效性。     

温变工况下螺栓松动检测的独立成分分析方法

导波损伤检测技术的关键在于检测出结构损伤引起的导波信号变化,但环境温度变化也会影响导波传播过程,引起信号改变,导致损伤检测的失败。为了消除温度变化的影响,笔者采用独立成分分析(independent component analysis,简称ICA)方法处理导波响应信号。作为一种盲源分离的算法,ICA能够从混合信号中提取得到独立的未知源信号分量。因此利用ICA方法能将导波的响应源信号从被温度变化干扰的混合信号中分离出来,实现消除温度变化干扰的目的。为验证该方法的可行性,以螺栓连接铝板为对象进行实验,采集不同温度下螺栓全紧及松动状态的导波响应信号,将其经过ICA方法处理后应用到损伤定位算法中。结果表明,应用ICA处理后的导波信号能够成功定位松动螺栓,证实了ICA方法排除温度变化对导波传播影响的有效性。     

多声道气体超声流量测量动态数据提取与分析

气体超声波流量计研制中，准确定位每个声道正程和逆程收到的回波信号特征点，是精确测量得到该方向传播时间以及通过计算各声道时间差精确得到气体流量值的关键。提出了提取与分析气体超声流量计动态调试数据的方法，获取了回波信号各峰的归一化幅值数据；比较其归一化系数差值，得出最大差值所在的相邻峰为特征峰，两特征峰之间的上升过零点为到达时间阈值点，根据确定的阈值点得到精确的传播时间值。通过Python完成对原始数据的提取和分离并整理到Excel文件中，通过Excel将归一化幅值数据转换为散点图并加以分析，从而快速准确地获取阈值点，进而定位回波信号特征点。通过该方法设定阈值参数的DN50型双声道气体超声流量计，实验证明，所研究的DN50型双声道气体超声流量计能满足气体超声流量计检定规程中对1.0级仪表精度的要求。     

超声导波在H型钢结构损伤识别中的应用

针对H型钢在损伤情况下对超声导波的影响,提出基于超声导波的结构健康监测方法,并探讨了应用超声导波检测技术在H型钢中对结构损伤识别的可行性及其识别能力。采用中心频率为87.5kHz的波形为汉宁窗调幅3.5个周期正弦曲线作为激励波形,应用商业有限元软件ABAQUS对导波在H型钢构件中的传播进行了仿真,同时对无损伤以及有损伤的仿真模型进行实验验证。实验中利用压电材料锆钛酸铝(piezoelectric lead zirconate titanate,简称PZT)换能器来激发和接收在H型钢中传播的导波信号,借助于Morlet小波时频分析等方法对仿真和实验采集到的信号进行处理,并比较实验结果与仿真结果的吻合度。最后分析H型钢中损伤的大小等因素对损伤识别的影响,以及超声导波在H型钢中的损伤识别能力。     

Ultrasonic defect detection of a petroleum pipeline in a viscoelastic medium

During detection of the defects in the inner wall of a petroleum pipeline via an ultrasonic nondestructive evaluation method, the defect echo and the inner-wall echo often overlap. It is difficult to identify the arriving time of the defect echo. When an ultrasonic wave propagates in a viscoelastic medium, the stress relaxation and creep deformation result in a signal characterized by frequency. The wave speed and attenuation rate are dependent on the frequency; thus, the ultrasonic signal has different shapes along the wave propagation path. Sometimes the wave shape is wry. The empirical mode decomposition technology used for separating the overlapping echo signals has been presented in this paper. With such technology, the original ultrasonic signal can be decomposed and then some intrinsic mode functions (IMFs) and a residue can be obtained. Different IMFs contain different echo signals. Some useful IMFs are selected to reconstruct the ultrasonic signal. The peaks of the reconstructed ultrasonic signal envelope indicate the arriving time of the echo signals. The experimental results show that this method is effective for detection of the defects in the inner wall of a petroleum pipeline. The text was submitted by the authors in English.     

基于材料参数的管道防腐层粘接状态识别研究

附着防腐层管道的粘接状态识别是管道状态预诊断的热门研究方向。将弯曲的管道划分为多个紧密相连的微体元平板结构,建立非线性超声导波在微体元结构中的传播模型,分析导波在微体元中以及相邻微体元之间传播的频散特性及能量传递特性,采用SPWVD时频分析与小波包分解算法对回波信号进行分析,以提取能够表征管道不同粘接状态的特征量。以与附着防腐层管道性能接近的有机玻璃-铝双层粘接结构为实验对象,分别采集其粘接完好状态、基于密度变化的弱粘接状态和基于厚度变化的部分脱粘状态下的超声回波信号,分析其材料参数与粘接状态之间的对应关系,并采用特征量间具有独立性的朴素贝叶斯分类器对其粘接状态进行识别分类,得到识别率为92.31%。     

金属材料小缺陷超声反射信号建模及识别

为了能从含噪声金属材料超声检测信号中有效识别出微小缺陷回波,建立了金属材料超声反射信号模型并提出了基于相关系数的微小缺陷回波识别方法。对含微小缺陷金属材料超声脉冲反射信号的成分进行分析,建立了基于散射声场与高斯回波理论的优化超声回波模型。设计了超声缺陷回波位置识别方法。该方法对超声脉冲反射信号去噪后,取探头发射脉冲信号为参考信号;然后与去噪后的信号逐段求解相关系数;最后对该相关系数序列进行阈值化处理,获得缺陷回波在超声回波信号中的位置。将利用上述优化超声回波模型生成的超声反射信号及其频谱与实验获得的金属材料超声反射信号及其频谱进行了对比,结果表明:两者的时频域特征具有一致性。当将阈值设定为相关系数序列最大值的60%时,能够有效从超声背散射信号中识别出金属材料微小缺陷回波。     

基于高频柱面超声导波的螺栓轴向应力测量

基于金属杆件中高频超声导波的传播特性,提出使用柱面导波高阶不同模态群速度比值的单探头螺栓轴向应力测量方法。使用数值方法求解考虑晶粒散射衰减的Pochhammer-Chree方程,得到了导波群速度衰减系数频散曲线,并分析了其在高频区的传播规律。结合非线性声学以及弹性力学理论,推出基于群速度比值的螺栓轴向应力测量方法。搭建超声应力测量平台,讨论了脉冲超声激励下的实测导波信号特点并提出使用经验小波算法对信号进行模态分解,有效获取了信号中特定模态的群速度。使用该方法以及传统的纵横波声时比法进行了螺栓轴向应力对比标定和测量实验,结果表明前者平均测量误差约为4%,其精度明显高于传统方法(平均测量误差6%)且具有更简便的测量流程。     

An experimental method to measure the layer thickness and wave velocity of copper–steel composite board without interface echo

Thickness of each medium layer and velocity of ultrasonic wave propagation in each medium layer of the two-layer composite medium were measured simultaneously based on the method to collect phase information from continuous echo signals on front surface and undersurface. Such measurement was implemented under no interface echo and fixed total thickness of the testpiece. The method can be applied to any two kinds of two-layer composite medium. The paper only used a 35 mm thick copper–steel composite board as an experimental example. Calculated results demonstrated that measuring errors of both thickness and velocity of ultrasonic wave propagation are smaller than 0.2%, indicating the effectiveness of the proposed measurement method.     

超声导波激励频率选取对其模式控制的影响

超声导波在管道中传播模式有纵波、扭转波和弯曲波三种模式,由于扭转波在管道中传播具有非频散特性,在超声导波管道无损检测中得到广泛应用,但在管道中激发出扭转波的同时常常伴随着纵波的出现,导致超声导波检测信号难以识别和分析处理。针对这一问题,计算管道中超声导波传播频散曲线,通过控制扭转波激励频率在纵波的截止频率区范围内选取的方法,抑制纵波的产生。为了验证该方法的有效性和正确性,利用磁致伸缩导波无损检测装置对管道进行一系列不同激励频率的试验。研究结果表明：试验结果与理论结论相吻合,该方法为导波无损检测信号识别和工程应用提供了十分重要的理论依据和指导作用。     

Analysis of Ultrasound Propagation in a Metal Rod by Using Finite Element Method

A metal rod is used in the high temperature testing for ultrasonic propagation and heat output,but the trailing echoes generated by ultrasonic penetration through the metal rod seriously affect the recognition and extraction of characteristic signals.According to the phenomenon,the Finite Element Method(FEM)is used to analyze ultrasonic penetration through a metal rod,the reason of the trailing echoes and the regularity of ultrasonic signals.The motion equation of ultrasonic propagation in a metal rod is established and calculated,then the simulation signals and instantaneous cartographies of the process are obtained.Based on the results of the analysis,it can be concluded that the intervals of the trailing echoes are determined by the rod’s diameter and wave velocity.In practical applications,the FEM is used to analyze ultrasonic propagation in the designed buffer rod at first.Based on the characteristics of the simulation signals,the material and dimension are adjusted and selected,aiming to identify the characteristic echo and trailing echoes in time domain and extract characteristic echo from the ultrasonic signals available.