管型结构的宽频导波检测方法+建模程序(4)
导波在介质中传播时，如遇到孔洞、裂纹等界面不连续处，就会发生反射、散射及模式转换等，产生携带结构缺陷信息的反射回波，对接收的信号进行处理，即可判缺陷的位置。
图2.1 缺陷检测原理图
两种介质的分界面处对声波能量的反射值是由二者之间的声阻差值决定的。声射。声阻差值越大，反射的回波能量就越大。导波在管中传播时，所有的不连续处和管道几何形状的改变均会引起导波传播速度的变化。当管壁的厚度发生改变(减薄或增厚)时，会引起导波传播速度的变化，从而产生携带结构缺陷信息的反射回波，对接收的信号进行处理后，即可以判断所检测结构中存在的缺陷的位置，并对其尺寸进行估计。两种介质分界面处对声波能量的反射值是由二者之间的声阻差决定的。声阻是波速和介质密度的乘积，当波的传播速度发生变化时，就会引起波的反射和折射。声阻之差越大，反射的能量就越大。根据反射回波能量的大小便可对缺陷尺寸进行估计[6]。假设距激励端￡处有一裂缝，接收端位于距激励端L′处，从激励到接收到回波信号时间间隔为t，纵波波速为c，则可由公式L=（c×t+ L′）/2确定缺陷距激励端距离。导波检测示意图如图2.1。
2.4 管型结构中导波的模态分析
2．4.1 多模态现象与模态选择的重要性
多模态现象是指，当导波在管道中传播时，如果只产生单一模态的导波，那么当其遇到缺陷后产生的反射回波将较易分析，然而实际中，在任一频率下至少会存在2个以上的导波模态，且随频率的增加，导波的模态数亦随之迅速增加，出现很多模态，这种现象称为导波的多模态现象。此外，某一模态的导波在波导的边界或不连续处(如缺陷)会转换为其它模态，即发生模态转换，使模态增加。多模态现象使得导波检测技术的复杂程度大大增加。
检测系统的一个关键要素是对导波某一模态的选择和搜索。通常来讲，激励源可以激发其频带范围内的全部模态，结果形成复杂的难以分析的信号。实际上，即便是单一模态，也需要非常精细地去确定反馈是来自管道的缺损还是类如焊接这样的正常管道特征。因此，虽然有些难度，但设计传感器与信号来激发被选择模态的导波仍然是十分关键的。此外，由于缺损和正常的管道特征能够将能量转换为其它模态，所以能够选择性地接收反馈信号也很重要。
2．4.2 管中导波的模态
在无限长弹性管中沿Z方向传播的超声波存在3种不同的模态，即纵向(轴对称)模态、扭转(轴对称)模态和弯曲(非轴对称)模态，对于纵向轴对称模态，其质点位移无周向分量，对于扭转模态，其质点位移只有周向分量。在实际应用中，纵向模态较扭转模态更适用、方便，因为在实验中，纵向导波更容易激励，重复性也较好，并且可对圆管周向360°全范围检测。至于非轴对称弯曲模态F似，其频散方程的解比在轴对称情况下复杂的多，给实验带了很大困难(通过采用将传感器沿管道圆周方向均匀分布的方法，可以大大抑制弯曲模态F的产生)，但在实际中，由于缺陷的非对称性，致使缺陷回波通常具有非对称性，尽管纵向模态较弯曲模态容易激励，重复性也较好，但研究弯曲模态更具有普遍性。(F似州中的n为周向阶数，表示该导波绕管壁螺旋式传播的形态(n=l，2，3…)，对应的是非轴对称模态的导波；m为模数(m=l，2,3••)，反映的是该模式在管道厚度方向上的振动形态。)导波检测技术涉及的管中导波的纵向模态主要为L(0，1)与“（0，2）模态，弯曲模态为F(1，3)、F(1，2)、F(1，3)，扭转模态为T(0，1)模态。F（0，1)、L(0，2)、F(1，3)和T(0，1)模态的振型分别如下图所示。