一种用超声频散补偿原理检测空心圆柱体周向缺陷的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及空心圆柱体周向缺陷的无损检测，尤其涉及一种使用导波频散补偿算 法检测空心圆柱体周向缺陷位置及其尺寸的方法。
【背景技术】
[0002] 现今，管道在运输业的应用越来越多，管道事故也随之增多，给国民经济带来了巨 大的损失和给人们生命安全带了威胁。所以，对管道进行经济适用、简单有效的无损检测显 得特别重要。利用超声导波技术对管道缺陷进行无损检测的技术也吸引了越来越多的关 注。
[0003] 在已有的研究中，Gazis等人给出了在线性各向同性弹性假设下的空心圆柱动力 学分析计算表达式，他们的工作使得对于计算给定几何和力学参数的管道的色散曲线成为 可能。Alleyne和Cawley等人在带有周向凹槽的管道中激发和接收了轴对称纵向导波，他 们研究了不同深度和长度凹槽下的回波系数。Lowe和Cawley等人发展了有限元方法来模 拟从凹槽反射的低阶回波，并且将仿真结果和实验结果进行对比，取得了比较好的一致性。 凹槽深度和长度与导波回波系数有关，这为缺陷定征提供了指导。然而，对于大多数情况， 从缺陷的回波信号的信噪比比较低。因此，导波聚焦技术被发展来增强对缺陷的识别能力。
[0004] 导波聚焦可以通过两种方式实现。首先，相控阵激发技术可以发射聚焦过的 能量到一给定方向和距离的限定区域。John和Joseph提出了 NME (NME, Normal mode expansion)技术来确定通过指定的表面载荷产生的任何模态的导波的幅值。通过在管道圆 周上布置相控阵，使用合适的电压和相位延迟，来使被激发的振动能量的角度分布在规定 的圆周位置聚焦。Takahiro Hayashi使用半解析有限元方法（SAFE)计算了一个元素的角 度普。使用相控阵激发技术和适当的激发电压以及相位延迟可以产生聚焦声场，这大大提 高了信号的信噪比。相控阵超声技术在管道无损检测领域有着重要应用，但是费用也很昂 贵。
[0005] 除了相控阵技术，导波信号也可以通过色散扣除法聚焦。Takahiro Hayashi等人 用磁致伸缩发射器产生了 T (0, 1)模态的振动，然后用在管道周向8个均布的传感器接收振 动信号。周向不同阶数的振动成分是通过一个模式提取技术分离的，色散扣除技术被用来 实现缺陷图像的重建。更高的超声频率可以在管道周向和轴向获得更高的分辨率。Jacob Davies和Peter Cawley使用一种叫做合成聚焦的模拟技术来对管道的缺陷进行成像。在 Cawley等人的工作得到了不同深度和长度的周向裂纹类似缺陷的图像，同时证明了聚焦 系统可以有能力检测尺寸大于1.5 As的周向缺陷。但是这需要在管道上完全对称的激发 T(0, 1)模态，实际中是很难做到的。除此之外，提高检测缺陷的分辨率往往需要更高的中心 频率，然而这会导致失去有效的检测范围。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种用超声频散补偿原理检测空心圆 柱体周向缺陷的方法。其具体方案如下：
[0007] -种用超声频散补偿原理检测空心圆柱体周向缺陷的方法，步骤如下：
[0008] 1)在带有周向缺陷的目标空心圆柱体一端的外周环绕粘贴磁致伸缩材料，并在磁 致伸缩材料外围绕上激励线圈，然后在周向缺陷和激励线圈之间环绕粘贴磁致伸缩材料； 将激励线圈与磁场激励控制器相连，将接收线圈通过导波信号接收器与示波器相连；
[0009] 2)控制磁场激励控制器发射电压脉冲信号至激励线圈，在激励线圈下方的磁致伸 缩材料表面产生交变磁场，进而在空心圆柱体中激励出超声导波信号，接收线圈分别先后 接收到首次从激励线圈传播来的参考信号s raf( Θ，t)和从周向缺陷反射回来的回波信号 Θ，t)，其中Θ为沿着空心圆柱体周向的角度变量，t为时间变量；
[0010] 3)根据参考信号s"f( Θ，t)和回波信号Sc]b]( Θ，t)的到达接收线圈的时间差At， 以及空心圆柱体中导波模态T(0, 1)的传播速度C计算出周向缺陷相对于激励线圈的轴向 距离Zx，计算公式为：
[001
[0012] 式中ζ。为接收线圈与激励线圈相距的距离；
[0013] 4)分别对参考信号sraf( Θ，t)和回波信号Sc]b]( Θ，t)进行二维傅里叶变换，得到 参考信号srrf( Θ，t)在（η，ω)域的分布Srrf(n，ω)，和回波信号Scib]( Θ，t)在（η，ω)域 的分布Scib, (η，ω)，其中η为空心圆柱体中导波模态的周向阶数，ω为角频率；
[0014] 5)对分布Sraf (η，ω)添加一个相移啊，对分布Scilu (η，ω)添加一个相移 Φ2,并对相移后的结果做关于η-Θ变换对的逆向傅里叶变换，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
为某一频率ω下η阶模态 的波数；
[0015] 6)以
为参考信号，X'
进行维纳滤波，得到
经滤 波后的分节
：
[0017] 式中
的共辄，Q2(0)为降噪因子，且
为不同变量ω下的
之和；
[0018] 7)对
：进行关于ω-t变换对的逆向傅里叶变换，得到&%(04))在 (Θ，t)域的分布 s&( Θ，t);
[0019] 8)计算s^( Θ，t)的幅值沿空心圆柱体周向转角Θ的分布Α( Θ ):
[0020] A ( Θ ) = max I Sdec ( Θ，t) I
[0021] 式中max I Sdec ( θ，t) I为关于变量Θ对I Sdec ( θ，t) I求最大值
[0022] 9)计算出Α(θ)的半高宽，即为空心圆柱体缺陷的周向尺寸。
[0023] 所述的步骤4)中，Sraf (η，ω)和Scibj (η，ω)的计算公式为：
[0026] 式中FFT2□为二维傅里叶变换。
[0027] 所述的步骤5)中，
的计算公式为：
[0030] 式中IFFTn0 □为关于η- Θ变换对的逆向傅里叶变换。
[0031] 所述的步骤7)中
（式中IFFTut □为关于ω-t 变换对的逆向傅里叶变换。
[0032] 所述的磁致伸缩材料为镍钴络合金、铁错合金、铁钴银合金中任意一种。
[0033] 本发明相对于现有技术的有益效果为：克服现有管道或其他空心圆柱体缺陷检测 技术不足，以信号_
I为参考，使用维纳滤波消除不可避免的非对称激发带来的影 响，大大提高了测量结果的精度，对于管道或其他空心圆柱体周向缺陷的位置和周向尺寸 的检测具有积极意义。
【附图说明】
[0034] 图1是导波频散补偿算法检测空心圆柱体周向缺陷检测系统示意图；
[0035] 图2是该检测系统激励线圈所在空心圆柱体截面示意图；
[0036] 图3是该检测系统接收线圈所在空心圆柱体截面示意图；
[0037] 图4是不同空心圆柱体周向位置接收到的时域信号在做频散补偿之前和之后的 归一化幅值图。
[0038] 图中，激励线圈控制器1、导波信号接收器2、示波器3、空心圆柱体4、激励线圈5、 接收线圈6、周向缺陷7和磁致伸缩材料8。
【具体实施方式】
[0039] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步阐述。
[0040] -种用超声频散补偿原理检测空心圆柱体周向缺陷的方法，步骤如下：
[0041] 1)在带有周向缺陷的目标空心圆柱体4 一端的外周环绕粘贴磁致伸缩材料8,磁 致伸缩材料8可选用镍钴铬合金、铁铝合金或铁钴钒合金中的任意一种。在磁致伸缩材料 8外围绕上激励线圈5,然后在周向缺陷7和激励线圈5之间环绕粘贴磁致伸缩材料8 ;将 激励线圈5与磁场激励控制器1相连，将接收线圈6通过导波信号接收器2与示波器3相 连（如图1~3所示）；
[0042] 2)打开磁场激励控制器1、导波信号接收器2和示波器3。控制磁场激励控制器1 发射电压脉冲信号至激励线圈5,在激励线圈5下方的磁致伸缩材料8表面产生交变磁场， 进而在空心圆柱体4中激励出超声导波信号，接收线圈6分别先后接收到首次从激励线圈5 传播来的参考信号s" f(0