管型结构的宽频导波检测方法+建模程序(7)
图4.1
E. Panetal[13]通过EMAT传感器激励的圆柱形Lamb波，它具有沿管道轴向传输距离远、可沿半径方向穿透管壁，因而对管道超应力引起的腐蚀比纵向Lamb敏感的特点。此外，因为导波信号发射器和接收器在薄壁管道中分布的角度不是很大时圆柱形lamb的传播路径可近似为板面传播，所以在附有粘弹性的弹性钢板传输特性研究中，还寻找到一种可用于对表面覆盖有弹性覆层排水管道结构进行检测的导波信号。图4.2展示了EMAT传感器的排布情况和之所以可以通过板架构的研究研究管结构的原理。
图4.2 两个阻性材料被粘在线性固体材料上来模拟上的沥青涂层阻尼效应
通过导波对比有覆盖的钢板和赤裸钢板中的波传播情况发现角频率在10~13之间的S1、A0、A1导波受覆盖物的影响相对较小，可以用于沥青覆盖的排水港管、钢板的应力侵蚀裂缝的检测。他所用数据如图4.3所示：
图4.3
2001年D. N. Alleyne, et al开发出一种检测长型隐蔽管道轴向腐蚀度占表面5~10%的检测技术，管道直径在2-24inch之间，可以很快完成长距离管道侵蚀和其他缺陷的快速检测，该方法可以用于较小和较大的管道上。其中，低信号引起的信噪比的降低，可以通过平均运算解决，但是非需要激励模态引起的却不可以。1996年Alleyne和Cawley使用干耦合压电传感器系统在管道内激励轴向对称L(0,m)导波对管道进行检测，各个压电传感器组成一个环型各自粘贴到管道表面。L(0,2)导波在管道横切面上具有均匀应力分布的特性，对管道横切面的改变敏感。其反射率较体波受不同情况的影响结果不同，可以发现尺寸比波长小的缺陷。在商业或实际应用中使用多个压电激励环来激励L(0,2)导波时，产生的沿轴向、径向传播的L(0,1)导波比L(0,2)的波速慢，在结果数据中会对信号的可读性造成影响，所以使用T(0,1)模态导波代替纵向L(0,2)导波。2009年Joon-Hyun Lee et al[ 14]使用激光发生器产生L(0,2)模态lamb，运用双空气耦合换能器接受响应信号。通过圆周和纵向扫描得到缺陷方向和长度上的信息。依据频散曲线选取最佳的模态激励信号，通过2D扫描图像成像的结果发现，使用该方法可以有效监测出缺陷的大小和位置。工业部门特别是核电站、化工厂多分布有众多的管道系统结构，需要高度的关注。导波相对与体波具有易于操作、对缺陷极敏感的特点。使用双空气耦合传感器接收激励信号[两接收器]对激励端有相同的距离、接收角度，如图4.5所示
图4.5
4.2 时间反转理论概述
应用导波检测时，导波具有频散和衰减现象，对于一些小的缺陷，检测结果无法更好的更清晰明了的显示出来，这就需要一种技术来解决这种问题，本文采用的是时间反转法，通过这种方法我们能较好的检测出小缺陷。时间反转是指传感器接收到声源发射的时域信号后，将其信号时反，再发射出去，即先接收到的波形后发射、后接收到的波形到先发射。它是声互易性原理的应用之一，可以使能量在空间和时间上得到聚焦，通过这种聚焦可实现声源(输入)信号重构。时间反转检测法不需要介质和换能器数组性质和结构的先验知识，就可以实现声波自适应聚焦和检测，这一优点使得时间反转方法已广泛地应用在现代声学中，如肾结石碎石术、超声脑手术、主动声纳水下通信、医学成像以及NDT等，在Lamb波NDT检测方面的应用近年来也不断增多。一些学者科学家对于时间反转法的研究也颇有成效，例如Wang[20]等综合了时间反转法和合成孔径技术对结构中的损伤成像。Sohn[21]等提出了一个增强的时间反转方法用于复合材料结构中的缺陷识别，他们用小波变换改善Lamb波的时间反转性能。xu和Giurgiutiut[22]研究了单模调整对Lamb波时间反转结构工况应用的影响，他们提出了一个理论模型，研究了单模式和双模式(S0模式和A0模式)的Lamb波时间反转特性，并在实验上进行了验证。Gangadharan[23]等研究了窄带和宽带脉冲激发下A0和S0模式Lamb波的时间反转特性。Ing和Finkt[24]采用时间反转法自动补偿Lamb波的频散，他们的实验显示了时间反转的Lamb波的空间和时间聚焦特性。Park等人指出：Lamb波的时间反转对某些类型的结构损伤(如复合材料的分层引起的非线性)是失效的。Lamb波的时间反转有助于实现频散的Lamb波在空间和时间上的聚焦，改善信噪比。然而，这些工作大多是实验性的，对具有频散和多模式特性的Lamb波健康检测，时间反转方法在结构损伤处的聚焦原理还没有给出系统的阐述。鉴于此，上海大学孙修立[27]定量分析了板类结构中Lamb波的时间反转聚焦过程，理论上推导出了由损伤这个被动波源产生的时间反转波场幅值的表达式，证实了当观察点位于损伤位置时，时间反转波场的幅值最大，验证了时间反转方法对于Lamb波的聚焦效应以及Lamb波结构损伤识别和定位的有效性。在此基础上，他提出了一种成像方法，实现了能量在损伤位置处的聚焦图像，这一方法可以显著改善损伤图像的质量，提高缺陷定位的精度。