一種用超聲頻散補償原理檢測空心圓柱體周向缺陷的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及空心圓柱體周向缺陷的無損檢測，尤其涉及一種使用導(dǎo)波頻散補償算 法檢測空心圓柱體周向缺陷位置及其尺寸的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)今，管道在運輸業(yè)的應(yīng)用越來越多，管道事故也隨之增多，給國民經(jīng)濟(jì)帶來了巨 大的損失和給人們生命安全帶了威脅。所以，對管道進(jìn)行經(jīng)濟(jì)適用、簡單有效的無損檢測顯 得特別重要。利用超聲導(dǎo)波技術(shù)對管道缺陷進(jìn)行無損檢測的技術(shù)也吸引了越來越多的關(guān) 注。
[0003] 在已有的研究中，Gazis等人給出了在線性各向同性彈性假設(shè)下的空心圓柱動力 學(xué)分析計算表達(dá)式，他們的工作使得對于計算給定幾何和力學(xué)參數(shù)的管道的色散曲線成為 可能。Alleyne和Cawley等人在帶有周向凹槽的管道中激發(fā)和接收了軸對稱縱向?qū)Р?，?們研究了不同深度和長度凹槽下的回波系數(shù)。Lowe和Cawley等人發(fā)展了有限元方法來模 擬從凹槽反射的低階回波，并且將仿真結(jié)果和實驗結(jié)果進(jìn)行對比，取得了比較好的一致性。 凹槽深度和長度與導(dǎo)波回波系數(shù)有關(guān)，這為缺陷定征提供了指導(dǎo)。然而，對于大多數(shù)情況， 從缺陷的回波信號的信噪比比較低。因此，導(dǎo)波聚焦技術(shù)被發(fā)展來增強對缺陷的識別能力。
[0004] 導(dǎo)波聚焦可以通過兩種方式實現(xiàn)。首先，相控陣激發(fā)技術(shù)可以發(fā)射聚焦過的 能量到一給定方向和距離的限定區(qū)域。John和Joseph提出了 NME (NME, Normal mode expansion)技術(shù)來確定通過指定的表面載荷產(chǎn)生的任何模態(tài)的導(dǎo)波的幅值。通過在管道圓 周上布置相控陣，使用合適的電壓和相位延遲，來使被激發(fā)的振動能量的角度分布在規(guī)定 的圓周位置聚焦。Takahiro Hayashi使用半解析有限元方法（SAFE)計算了一個元素的角 度普。使用相控陣激發(fā)技術(shù)和適當(dāng)?shù)募ぐl(fā)電壓以及相位延遲可以產(chǎn)生聚焦聲場，這大大提 高了信號的信噪比。相控陣超聲技術(shù)在管道無損檢測領(lǐng)域有著重要應(yīng)用，但是費用也很昂 貴。
[0005] 除了相控陣技術(shù)，導(dǎo)波信號也可以通過色散扣除法聚焦。Takahiro Hayashi等人 用磁致伸縮發(fā)射器產(chǎn)生了 T (0, 1)模態(tài)的振動，然后用在管道周向8個均布的傳感器接收振 動信號。周向不同階數(shù)的振動成分是通過一個模式提取技術(shù)分離的，色散扣除技術(shù)被用來 實現(xiàn)缺陷圖像的重建。更高的超聲頻率可以在管道周向和軸向獲得更高的分辨率。Jacob Davies和Peter Cawley使用一種叫做合成聚焦的模擬技術(shù)來對管道的缺陷進(jìn)行成像。在 Cawley等人的工作得到了不同深度和長度的周向裂紋類似缺陷的圖像，同時證明了聚焦 系統(tǒng)可以有能力檢測尺寸大于1.5 As的周向缺陷。但是這需要在管道上完全對稱的激發(fā) T(0, 1)模態(tài)，實際中是很難做到的。除此之外，提高檢測缺陷的分辨率往往需要更高的中心 頻率，然而這會導(dǎo)致失去有效的檢測范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用超聲頻散補償原理檢測空心圓 柱體周向缺陷的方法。其具體方案如下：
[0007] -種用超聲頻散補償原理檢測空心圓柱體周向缺陷的方法，步驟如下：
[0008] 1)在帶有周向缺陷的目標(biāo)空心圓柱體一端的外周環(huán)繞粘貼磁致伸縮材料，并在磁 致伸縮材料外圍繞上激勵線圈，然后在周向缺陷和激勵線圈之間環(huán)繞粘貼磁致伸縮材料； 將激勵線圈與磁場激勵控制器相連，將接收線圈通過導(dǎo)波信號接收器與示波器相連；
[0009] 2)控制磁場激勵控制器發(fā)射電壓脈沖信號至激勵線圈，在激勵線圈下方的磁致伸 縮材料表面產(chǎn)生交變磁場，進(jìn)而在空心圓柱體中激勵出超聲導(dǎo)波信號，接收線圈分別先后 接收到首次從激勵線圈傳播來的參考信號s raf( Θ，t)和從周向缺陷反射回來的回波信號 Θ，t)，其中Θ為沿著空心圓柱體周向的角度變量，t為時間變量；
[0010] 3)根據(jù)參考信號s"f( Θ，t)和回波信號Sc]b]( Θ，t)的到達(dá)接收線圈的時間差A(yù)t， 以及空心圓柱體中導(dǎo)波模態(tài)T(0, 1)的傳播速度C計算出周向缺陷相對于激勵線圈的軸向 距離Zx，計算公式為：
[001
[0012] 式中ζ。為接收線圈與激勵線圈相距的距離；
[0013] 4)分別對參考信號sraf( Θ，t)和回波信號Sc]b]( Θ，t)進(jìn)行二維傅里葉變換，得到 參考信號srrf( Θ，t)在（η，ω)域的分布Srrf(n，ω)，和回波信號Scib]( Θ，t)在（η，ω)域 的分布Scib, (η，ω)，其中η為空心圓柱體中導(dǎo)波模態(tài)的周向階數(shù)，ω為角頻率；
[0014] 5)對分布Sraf (η，ω)添加一個相移啊，對分布Scilu (η，ω)添加一個相移 Φ2,并對相移后的結(jié)果做關(guān)于η-Θ變換對的逆向傅里葉變換，得到Sraf (η，ω)在 (θ，ω)域的分布
和Scibj (η，ω)在（θ，ω)域的分布
其中
為某一頻率ω下η階模態(tài) 的波數(shù)；
[0015] 6)以
為參考信號，X'
進(jìn)行維納濾波，得到
經(jīng)濾 波后的分節(jié)
：
[0017] 式中
的共輒，Q2(0)為降噪因子，且

為不同變量ω下的
之和；
[0018] 7)對
：進(jìn)行關(guān)于ω-t變換對的逆向傅里葉變換，得到&%(04))在 (Θ，t)域的分布 s&( Θ，t);
[0019] 8)計算s^( Θ，t)的幅值沿空心圓柱體周向轉(zhuǎn)角Θ的分布Α( Θ ):
[0020] A ( Θ ) = max I Sdec ( Θ，t) I
[0021] 式中max I Sdec ( θ，t) I為關(guān)于變量Θ對I Sdec ( θ，t) I求最大值
[0022] 9)計算出Α(θ)的半高寬，即為空心圓柱體缺陷的周向尺寸。
[0023] 所述的步驟4)中，Sraf (η，ω)和Scibj (η，ω)的計算公式為：
[0026] 式中FFT2□為二維傅里葉變換。
[0027] 所述的步驟5)中，
的計算公式為：
[0030] 式中IFFTn0 □為關(guān)于η- Θ變換對的逆向傅里葉變換。
[0031] 所述的步驟7)中
（式中IFFTut □為關(guān)于ω-t 變換對的逆向傅里葉變換。
[0032] 所述的磁致伸縮材料為鎳鈷絡(luò)合金、鐵錯合金、鐵鈷銀合金中任意一種。
[0033] 本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果為：克服現(xiàn)有管道或其他空心圓柱體缺陷檢測 技術(shù)不足，以信號_
I為參考，使用維納濾波消除不可避免的非對稱激發(fā)帶來的影 響，大大提高了測量結(jié)果的精度，對于管道或其他空心圓柱體周向缺陷的位置和周向尺寸 的檢測具有積極意義。
【附圖說明】
[0034] 圖1是導(dǎo)波頻散補償算法檢測空心圓柱體周向缺陷檢測系統(tǒng)示意圖；
[0035] 圖2是該檢測系統(tǒng)激勵線圈所在空心圓柱體截面示意圖；
[0036] 圖3是該檢測系統(tǒng)接收線圈所在空心圓柱體截面示意圖；
[0037] 圖4是不同空心圓柱體周向位置接收到的時域信號在做頻散補償之前和之后的 歸一化幅值圖。
[0038] 圖中，激勵線圈控制器1、導(dǎo)波信號接收器2、示波器3、空心圓柱體4、激勵線圈5、 接收線圈6、周向缺陷7和磁致伸縮材料8。
【具體實施方式】
[0039] 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步闡述。
[0040] -種用超聲頻散補償原理檢測空心圓柱體周向缺陷的方法，步驟如下：
[0041] 1)在帶有周向缺陷的目標(biāo)空心圓柱體4 一端的外周環(huán)繞粘貼磁致伸縮材料8,磁 致伸縮材料8可選用鎳鈷鉻合金、鐵鋁合金或鐵鈷釩合金中的任意一種。在磁致伸縮材料 8外圍繞上激勵線圈5,然后在周向缺陷7和激勵線圈5之間環(huán)繞粘貼磁致伸縮材料8 ;將 激勵線圈5與磁場激勵控制器1相連，將接收線圈6通過導(dǎo)波信號接收器2與示波器3相 連（如圖1~3所示）；
[0042] 2)打開磁場激勵控制器1、導(dǎo)波信號接收器2和示波器3?？刂拼艌黾羁刂破? 發(fā)射電壓脈沖信號至激勵線圈5,在激勵線圈5下方的磁致伸縮材料8表面產(chǎn)生交變磁場， 進(jìn)而在空心圓柱體4中激勵出超聲導(dǎo)波信號，接收線圈6分別先后接收到首次從激勵線圈5 傳播來的參考信號s" f(0