Page 61 - 《应用声学》2022年第4期
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第 41 卷 第 4 期 王松浩等： 超声导波管道缺陷定位方法研究 559
终在无需轴向位置先验信息的情况下实现损伤位
0 引言
置可视化。
超声导波具有传播距离远、幅值衰减小的特点，
1 管道缺陷位置识别方法
适用于对板类以及管类波导结构进行大面积及长
距离的无损检测 [1] 。其中管类结构作为一种快速、 在检测区域两侧分别放置反射波接收换能器
高效的液体及气体运输装置，在石油化工领域中广
阵列与透射波接收换能器阵列，实现反射波和透射
泛应用。然而在使用过程中，由于气体及液体的冲
波信号在管道周向的采集。接收换能器阵列由 20
击使其内壁减薄，油液及周围环境会对管道进行腐
个沿周向均布的探头组成，将用于采集反射波及透
蚀，造成各种缺陷，因此，需要对管道进行定期检修。
射波的接收换能器阵列分别命名为接收换能器阵
而传统的无损检测方法难以适应管道检查的需要。
列 1、接收换能器阵列 2。与没有缺陷时换能器阵列
近年来，超声导波技术的发展，使得在管道中激发和
接收到的信号相比，有缺陷时阵列 1 接收到的信号
接收各种类型的超声导波成为可能 [2−6] ，各种利用
会多出一个反射波波包，阵列 2 接收到的透射信号
超声导波对管道进行无损检测及健康监测的技术
在幅值和波形上有所变化。利用不同位置换能器阵
方法也逐步成为研究热点 [7−9] 。
列检测到的有缺陷信号与无缺陷信号的差异，可以
笪益辉等提出一种基于傅里叶变换的量化检
判别缺陷的存在及位置。
测方法 [10] ，在频域内对管道上的周向环状缺陷进
行反演，并利用人工智能技术重构了缺陷位置和深 1.1 周向位置识别
度 [11] 。Wang 等 [12] 通过仿真研究了管道中周向环 损伤差异系数 (简称损伤指数) 常被用于判别
状缺陷边缘对反射波的影响，发现缺陷前后边缘的 信号是否含有损伤信息及损伤严重程度 [18] 。损伤
反射信号具有不同的特征。梁伯翱等 [13] 通过分析 指数表示为
缺陷前后边界产生的反射信号对缺陷轴向尺寸进 ∫ t 1
I(t)V (t)dt
行量化评估。这几种方法在理论上能够较好地对 t 0
D = √ , (1)
周向环形缺陷进行量化评估，但实际应用中很少存 ∫ t 1 ∫ t 1
2
2
I (t)dt V (t)dt
在这种类型的缺陷，并且这些方法对小尺寸缺陷不
t 0 t 0
适用。
其中，D 为损伤指数，I(t) 为无缺陷管道的参考信
邓菲等 [14−15] 利用数值方法验证了时间反转
号，V (t) 为检测信号，t 0 、t 1 分别为信号的开始和截
理论可以应用于管道检测，且对小尺寸缺陷具有一 ∫ t 1
止时间， I(t)V (t)dt 为将信号相乘后的积分
定的检出能力，能够对缺陷在轴向上的位置进行定
t 0
位。刘素贞等 [16] 用有限元方法分析了周向 Lamb 取模。
波与缺陷作用时的模式转换问题，得到缺陷深度与 损伤指数是通过衡量两组信号相乘后与原信
反射波和透射波幅值的关系。傅贵武等 [17] 研究了 号在幅值上的差异，表征损伤引起信号在时间和能
换能器位置、缺陷位置与超声传播路径的直接关系， 量上的变化大小，从而反映损伤对信号的影响程度。
利用周向 Lamb 波对管道缺陷进行定位。这些方法 由式(1)可以看出，损伤指数D 的取值范围为0 ∼ 1，
对缺陷具有一定的检测能力，但是难以同时确定缺 D 的值越接近 1，管道中有缺陷的概率越小：越接近
陷在周向和轴向的空间位置。 于 0，则存在缺陷的概率就越大。在实际应用中，由
针对上述问题，本文提出了一种利用电磁声 于采集到的参考信号和缺陷信号都存在噪声，因此
换能器形成伪阵列的方法，利用两个电磁声换能 损伤指数不可能为1。
器伪阵列对缺陷的反射和透射信号进行旋转采集， 由于各测量点信号会受缺陷周向分布影响，
由变分模态分解(Variational mode decomposition, 可以通过多个测量点信号来确定缺陷周向分布
VMD) 对采集到的信号进行高频噪声去除，通过多 的长度。为此，本文提出了多目标迭代比较法，
目标迭代比较法由透射波损伤指数对缺陷周向分 用于缺陷跨越多个通道情形的检测。令信号通
布进行判断，再结合小波变换获得时间小波能量谱 道数量为 20， 且设最小的损伤指数为 D m ， 即
来确定反射波所对应时间，计算出缺陷轴向位置，最 D m = min{D 1 , D 2 , · · · , D 20 }，m 为损伤指数最小
