专利名称：非线性超声导波时间反转检测管道微裂纹聚集区域的方法
技术领域：
本发明涉及一种检测管道微裂纹聚集区域的方法，更具体地说是非线性超声导波时间反转检测管道微裂纹聚集区域的方法。
背景技术：
材料的疲劳损伤是工业上结构失效的主要原因之一。在经历长期循环载荷的作用后，材料内部的应力集中区域会出现微裂纹。微裂纹的密度逐渐增大则可能形成宏观裂纹，最终导致部件失效。为了保障结构的安全性，有必要发展一种无损检测技术，在微裂纹形成的早期阶段即能够检测到其存在。现有的线性超声检测方法基于局部材料性质如模量的变化和声波在界面处的反射等。但微裂纹的尺寸一般远小于线性检测超声的波长，且由微裂纹引起的局部材料性质变化非常小。为了解决该难题，可以采用非线性超声技术来进行检 测。Muller 和 Sutin 等人(J. Acoust. Soc. Am.，118，3946-3952，2005)发现，疲劳引起的微裂纹会在局部导致应力-应变关系具有滞回特性，即在应变上升和下降的过程中，应力沿不同的曲线变化。这种滞回特性会引起线性超声波波形的畸变，产生奇次谐波的分量(如 3 次、5 次等)。Deng 和 Pei (Appl. Phys. Lett.，90，121902，2007)在板结构中利用这种非线性对疲劳损伤进行了检测研究。管道结构的应用非常广泛，如油气输运，风塔，供水等，管中传播的波动一般称为导波。但是一般情形下，管道中导波同时存在多个模态共同传播。这些模态中既有空间对称分布的，也有非对称的，从而使得信号的采集和处理都存在很大的复杂性，造成检测结果难以准确获取。近年来Fink 等人(IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq.Control, 39，555-566，1992)提出了时间反转的思想，指出将接收到的多路信号在接收点反转后输入系统，将会在激励源处汇聚。Goursolle和CalΙ 等人(J. Acoust. Soc.Am.，122，3220-3229，2007)利用数值模拟的方法，验证了结合弹性波和时间反转方法来对缺陷进行定位的可能性。但现有的该方面研究都还不同时具备如下检测能力(1)针对管道结构进行检测；(2)对微裂纹聚集区域进行定位；(3)采用非线性技术。中国专利申请号200910072546. 7 “基于非线性声学和时间反转原理板材缺陷及损伤识别方法”，本专利针对的是板材检测，而非管道检测，其中的声传播特性不同，同时本专利针对宏观裂纹进行检测(尺度在毫米量级以上)，无法检测肉眼不可见的微裂纹，和在损伤形成的早期进行结构失效的提前预测。中国专利申请号201010119536. 7 “金属材料疲劳早期损伤非线性超声在线检测方法”，本发明未能解决针对管道这一类特殊结构进行检测的问题，也不能准确地判断裂纹聚集区域的尺寸及走向，同时在微裂纹聚集区域进行准确的定位和成像上还有待提高
发明内容
I、发明要解决的技术问题针对目前工业上尚无针对管道微裂纹进行无损检测的方法，本发明提供了非线性超声导波时间反转检测管道微裂纹聚集区域的方法，本发明将微裂纹与线性导波相互作用得到的非线性成分进行时间反转，并输入到与待测样品尺寸结构相同的有限差分模型中进行波动模拟，进而得到裂纹聚集区域的尺寸和位置。本方法可以应用在工业上管道的无损检测中，如风塔、石油管道等。2、技术方案本发明解决其技术问题所采用的技术方案是在管道外侧表面环向等间隔激励出轴对称的超声导波，在管道外侧表面另一位置处环向等间隔接收超声导波信号，将得到的信号滤波并只留下三次谐波，之后进行时间反转，建立与待测管道相同的数值的有限差分模型，将反转的信号输入模型并进行时域有限差分计算，即可通过检查波动过程而获知微
裂纹聚集区域的具体信息如位置、尺寸和方向。具体方法步骤如下(I)沿管道外侧表面环向等间隔排列布置超声换能器，利用环向等间隔分布的超声换能器阵列激励超声导波，超声换能器的数量为8个以上，每只超声换能器施加同样的窄带超声激励，在管道外侧表面激发出超声导波，导波激励频率控制在纵振导波模式L (O, 4)的截止频率以下；(2)在管的外侧表面环向等间隔，设置接收点，接收点间距小于超声波环向波长的1/30，在每个接收点使用激光测振仪在管道外侧表面进行等间隔扫描，记录每个扫描点上的导波信号，进行导波信号采集，该采集过程只需选择一个轴向位置进行即可，无需进行轴向扫描；(3)将采集得到的导波信号在计算机中进行处理，利用编程语言或程序包(如Fortran或者Matlab )设计带通滤波器对其进行滤波，滤除基频、二次谐波和四次及以上谐波，仅保留三次谐波成分，得到仅包含三次谐波成分的时域信号，该带通滤波器为有限长冲激响应带通滤波器，具有线性相位特性，以保证滤波后的信号不产生畸变；(4)将滤波得到的时域信号进行时间反转处理；(5)建立与被测管道在材料、结构和尺寸上相一致的有限差分模型(领域内公开常识)，将时间反转后的信号在原接收点输入模型，进行时域有限差分模拟计算；(6)在时域有限差分模拟过程中，动态观察模型中的波动分布，若发现波动汇聚于某个小区域，该区域存在微裂纹聚集；(7)提取波动汇聚时刻的所有模型数据，即可得到微裂纹聚集区域的位置和尺寸。3、有益效果本发明提供了非线性超声导波和时间反转技术检测微裂纹聚集区域的方法，与其他缺陷检测方法相比，本发明提出的方法能够在裂纹滋生的早期即发现可能存在的失效风险，由于本发明采用非线性的三次谐波来进行检测，因此具有更高的空间分辨率。此外，传统方法中测量到的二次谐波来源于整个传播路径，而本发明中采用的三次谐波主要来源于裂纹聚集区域，因此具有更高的检测灵敏度。
图I为本发明方法步骤流程图；图2为管道超声发射和接收系统示意图，I-超声换能器，2-微裂纹聚集区域，3-接收点，4-环向和轴向的零点位置，5-轴向方向；图3为管道剖面(环向-轴向曲面)中裂纹区域定位结果，图3 Ca)为利用径向位移进行成像的结果图，图3 (b)为利用应力分布进行成像的结果图，横坐标为环向角度，单位为弧度除以π，纵坐标为轴向位置，单位为米；图4为管道切面(环向-径向曲面)中裂纹区域定位结果，图4 Ca)为利用径向位移对一个较窄的裂纹区域(区域宽度5_)进行成像的结果图，图4 (b)为利用径向位移对一个较宽的裂纹区域(区域宽度Icm)进行成像的结果图，横坐标为环向角度，单位为弧度除以圆周率π，纵坐标为轴向位置，单位为米；图5为利用线性超声导波时间反转进行裂纹定位的结果图，图5 Ca)和图5 (b) 为利用径向位移和轴向位移对同一个裂纹区域进行成像的结果图，横坐标为环向角度，单位为弧度除以圆周率π，纵坐标为轴向位置，单位为米。
具体实施例方式实施例I如图I和2所示，对一个内半径2. 5cm，外半径5cm的钢管，长度为lm，材料密度为7800kg/m3,泊松比为O. 28，杨氏模量为21. 6X ΚΓΝ/πι2。在钢管的中心区域存在一个微裂纹聚集区域2,位于径向位置r=3. 75cm,轴向位置z=0. 5m,环向角度为<ρ=π处。在位于沿轴向方向5，距环向和轴向的零点位置4的轴向位置z=0. 2m的位置布置16个超声换能器1，每个的长度为4cm，宽度为I. 57cm，沿环向等间隔排列。所有超声换能器发射相同的中心频率为IOOkHz的超声信号
0 .5( sinaV(l-cosO. W) 0<mt< 20π ( ) = |，
Oω >20π其中s(t)即为时域信号的表达式，表示加载在每个超声换能器上的声压，Ain为信号的幅度，本例中取2X10_8m，t为时间变量，角频率ω=2π XlOOkHz0在该频率范围内将激励出三个导波模式，分别为L (O, I), L (O, 2)和L(0，3)。在轴向位置z为O. Sm的位置(沿管的外侧表面环向等间隔设置接收点2，使用激光测振仪在管道外侧表面进行等间隔扫描，记录每个扫描点上的导波信号。此时管道外侧表面的超声波长约为3cm，采用的空间扫描间隔应小于1mm，即小于超声波环向波长的1/30)进行等间隔周向扫描，共扫描320个点(此时的空间扫描间隔约为O. 98mm,)，每个接收点即激光光斑直径小于2_，得到320个时域信号序列，采样频率取20MHz，采样时长取800微秒。设计一个有限长冲激响应带通滤波器，具有线性相位特性，阶数为6298。该滤波器在250kHz和350kHz范围内为通带，其余范围均为阻带，其中低频阻带衰减IOOdB,高频阻带衰减80dB。将采样得到的320个时域信号分别进行带通滤波，即得到了 320个仅包含三次谐波成分的时域信号。将所有时域信号进行时间反转处理，并根据该管道的材料、结构和尺寸等参数建立一个计算机仿真模型(即有限差分模型)，该模型的空间步长大小满足任意方向上每个波长范围内至少30个节点(这是因为，一般线性计算时，每个波长范围内10个节点能保证计算收敛，三次谐波的波长为线性的1/3左右，因而每个波长30个节点能够保证获得正确的结果)，即空间步长在各方向的尺寸应小于该方向导波波长的1/30，时间步长乘以任意方向上的声传播速度小于该方向空间步长(即时间步长应小于任意方向空间步长除以该方向声波的传播速度，时间步长乘以某个方向上的声传播速度，如径向r方向，轴向z方向和环向《P方向，小于该方向空间步长)。在本例中，超声波最小波长约为3cm，因此取径向和轴向空间步长均为1mm，环向则划分为320等分(即环向最大步长为O. 98mm)，时间步长为O. 05微秒。利用该模型进行时域有限差分计算，以模拟波动在管道中的传播过程。经动态观察，波动传播到某一时刻后发生汇聚。此时可利用管道模型中位移分布和应力分布来观察微裂纹聚集区域的存在，如图3所示。由该结果可以确定裂纹聚集区域的位置与事先的设置相吻合。实施例2
对于微裂纹聚集区域的尺寸大小，本发明提出的方法同样能够反映。与实施例I采用完全相同的方法，布置16个超声换能器，图4 (a)和图4 (b)分别给出了对两个不同大小裂纹聚集区域的检测结果。事先设计两个样品，其中一个具有较窄的裂纹聚集区域(区域宽度5_)，其检测结果见图4 Ca);另一个样品中的裂纹聚集区域为前者的两倍(区域宽度为Icm)，其检测结果见图4 (b)。检测结果表明，图4 (a)为一个较窄的裂纹区域(区域宽度5mm)，图4 (b)为一个较宽的裂纹区域(区域宽度Icm)，检测结论与真实的裂纹聚集区域尺寸大小相一致。实施例3与实施例I采用完全相同的方法，布置8个超声换能器，仅将其中的数字滤波器改不具有非线性相位的类型(巴特沃斯型)，滤波导致时域信号发生畸变，在最后的时域有限差分模拟中无法观察到波动的聚焦，因而也就无法实现对微裂纹聚集区域的定位和检测。实施例4与实施例I采用完全相同的方法，布置20个超声换能器，但不进行滤波处理，直接对接收到的信号进行时间反转处理，并输入到有限差分模型进行时域仿真模拟，仍然可以观测到波动的汇聚，结果如图5所示，但是图像质量较差，裂纹分辨能力较低，无法真实地反映微裂纹聚集区域的细节，如缺陷大小远大于图I中的正确结果。
权利要求
1.非线性超声导波时间反转检测管道微裂纹聚集区域的方法，包括以下步骤 (1)沿管道外侧表面环向等间隔排列布置超声换能器，利用环向等间隔分布的超声换能器阵列激励超声导波，每只超声换能器施加相同的窄带超声激励，在管道外侧表面激发出超声导波，导波激励频率控制在纵振导波模式L(O，4)的截止频率以下； (2)在管的外侧表面环向等间隔设置接收点，相邻两个接收点的距离小于超声波环向波长的1/30，使用激光测振仪在管道外侧表面进行等间隔扫描，每个接收点即激光光斑直径小于2_，记录每个扫描点上的导波信号，进行导波信号采集，采集过程选择一个轴向位置进行扫描； (3)将采集得到的导波信号进行处理，利用带通滤波器对其进行滤波，滤除基频、二次谐波和四次及以上谐波，仅保留三次谐波成分，得到仅包含三次谐波成分的时域信号； (4)将滤波得到的时域信号进行时间反转处理； (5)建立与被测管道在材料、结构和尺寸上相一致的有限差分模型，将时间反转后的时域信号在原接收点输入模型，进行时域有限差分模拟计算； (6)在时域有限差分模拟过程中，动态观察模型中的波动分布，若发现波动汇聚于某个小区域，该区域存在微裂纹聚集； (7)提取波动汇聚时刻的所有模型数据，即可得到微裂纹聚集区域的位置和尺寸。
2.根据权利要求I所述非线性超声导波时间反转检测管道微裂纹聚集区域的方法，其特征在于所述超声换能器的数量为8个以上。
3.根据权利要求I所述非线性超声导波时间反转检测管道微裂纹聚集区域的方法，其特征在于步骤(3)中带通滤波器为有限长冲激响应带通滤波器。
4.根据权利要求I所述的非线性超声导波时间反转检测管道微裂纹聚集区域的方法，其特征在于所述有限差分模型中，空间步长在各方向的尺寸应小于该方向导波波长的1/30，时间步长应小于任意方向空间步长除以该方向声波的传播速度(时间步长乘以某个方向上的声传播速度，如径向r方向,轴向z方向和环向Φ方向，小于该方向空间步长)。
5.根据权利要求I所述的非线性超声导波时间反转检测管道微裂纹聚集区域的方法，其特征在于所述步骤(I)中导波模式，分别为L(0，I)，L (O, 2)和L(0，3)。
全文摘要
本发明提供了非线性超声导波时间反转检测管道微裂纹聚集区域的方法，属于超声无损检测领域。其步骤为在管道外侧表面环向等间隔激励出超声导波，在管道外侧表面另一位置处环向等间隔接收超声导波信号，将得到的信号滤波并只留下三次谐波，之后进行时间反转，建立与待测结构体相同的有限差分模型，将反转的信号输入模型并进行时域有限差分计算，即可通过检查波动过程而获知微裂纹聚集区域的具体信息如位置、尺寸和方向。本发明可以在微裂纹滋生的早期阶段即获取相关信息，相比于现有的线性检测方法，该技术具有更强的灵敏度和更高的分辨率。
文档编号G01N29/04GK102866202SQ201210338899
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月13日 优先权日2012年9月13日
发明者郭霞生, 章东, 马飞 申请人:南京大学, 南通南京大学材料工程技术研究院, 中航虹波风电设备有限公司