Page 239 - 《应用声学》2025年第3期
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第 44 卷 第 3 期 刘韧等： 管道缺陷和特征的多点多频超声导波检测方法 773
表明，导波在结构截面的能量分布并非线性均匀，
0 引言
在管道特征结构 (弯头、支架、焊缝、覆层/内积物
金属管道大量应用于石化装置和电厂，是工业 等) 处存在较强的非线性散射特性 [16−17] 。Heinlein
生产中介质输送的重要载体。管道结构健康状态是 等 [18−19] 指出导波在管道弯头处能量不均匀，在
评价设备安全性的重要指标，对生产任务的运行安 25.5 kHz 的单一检测频率下，弯头内侧缺陷易出现
全起决定性作用 [1] 。超声导波技术是一种长距离大 漏检现象。伍文君等 [20] 提出随着激励频率的降低
范围的无损检测技术，已在工业管道的定期检测和 和管道弯头弯曲半径的减小，弯头处的模态转换也
长期监测中得到广泛的工程应用 [2−3] 。国内外已报 会愈加明显，对波形的判断产生干扰。Yamamoto
道多款磁致伸缩传感器与配套导波检测设备 [4−5] ， 等 [21] 分析了导波在管道弯头内外侧缺陷敏感度特
对焊缝、卡箍、弯头特征及裂纹、腐蚀等类型缺陷均 性，提出在相同检测位置采用多个检测频率，可提高
有较好的检测效果 [6−7] 。 弯头处缺陷的检测能力。
目前，工程中常采用单点 (单一节点) 单频 (单 缺陷特征的类型、尺寸与检测频率存在一定关
一频率) 的导波检测方法 [8] 。然而受到传感器自身 系，传感器 A 扫信号中对应回波幅值、形状呈现特
结构与缺陷特征反射特性的影响，该方法存在波形 定规律。Vinogradov等 [22] 提出卡箍、焊缝等特征随
分析难与检出效果差的问题。在单点检测中，传感 检测频率的反射系数变化趋势不同，可根据该趋势
器的激励余振信号与附近区域的特征一次回波发 对特征类型进行初步判断。Kim等 [23−24] 研究了管
生混叠，形成不可检的固有盲区。工程上一般将距 道中 T(0,1) 扭转模态导波与缺陷轴向尺寸间的相
离传感器 4 倍波长内的范围设定为传感器的盲区， 互作用，发现缺陷回波信号的幅值随轴向长度与检
应合理布置传感器，避免盲区覆盖重点关注的结构
测波长的比例呈现周期性变化，处于低反射系数处
特征。尽管有学者提出，优化导波传感器的背衬层
的缺陷有几率被漏检。然而上述文献均未研究缺陷
有利于降低惯性振动，从而减小盲区的覆盖范围 [9] ，
回波形状与检测频率的关系，且大多停留在有限元
但盲区无法从根源上消除，极易在此处产生漏检
仿真阶段，未经理论推导与实验验证。
现象。
综上所述，单点检测中存在盲区、异侧波干扰、
除传感器固有盲区外，由于导波能量沿双向传
多次反射现象，降低信号可读性，受缺陷特征反射系
播，接收信号中易存在波形混叠现象，难以分辨结
数、回波形状与检测频率间规律的影响，单频检测
构特征的实际位置。此外，导波在经过如端面、焊缝
易出现漏检、误判现象。本文发展一种管道缺陷特
等高反射系数的结构时，在波形中将观察到多次反
征的多点多频检测方法解决上述问题，首先提出缺
射回波，影响信号判读 [10−11] 。针对上述问题，有学
陷前后反射回波的相位干涉公式，采用仿真与实验
者尝试对导波激发的方向进行控制，Cheong 等 [12]
的方法探究了缺陷信号反射系数、回波形状的多频
提出使用两个间距 1/4 波长奇数倍的传感器，控制
检测规律。随后提出了多点检测的原理及信号分析
两通道激励信号间的相位差，即可激发出单向传播
方法，基于有限元软件分析在盲区、方向控制、特征
的导波，从而降低异侧波的干扰。基于上述原理，
多次反射情况下的分辨能力。最后在不锈钢管道试
Wang 等 [13] 、Zhou 等 [14] 优化了传感器线圈阵列结
构，提高了单向激发传感器的带宽与系统集成度。 件上展开实验研究，分析其上数个缺陷特征的检测
尽管方向控制技术一定程度上解决了特征辨向的 结果，验证了多点多频检测方法在多结构管道中检
问题，但传感器自身结构及耦合状态都将影响导波 出能力与分析效率的优势。
激发效果，易将异侧泄漏能量误识别为同侧的缺陷
特征 [15] 。在实际单点检测中，方向控制不佳与特征 1 缺陷的多频检测特性分析
多次反射现象较为常见，尚未有研究提出较好的方
法进行解决。 缺陷前反射面回波与后反射面回波之间存在
同时，单频检测结果难以对某些缺陷或特征 相位干涉。如式(1)所示，假设缺陷前反射面回波y 1
结构进行识别，易出现漏检、误判现象。大量研究 与后反射面回波y 2 为连续信号，有
