基于宽带脉冲激励的管道导波时反检测方法

周进节，贾浩东,，郑 阳

(1.中北大学机械工程学院，山西 太原 030051)

(2.中国特种设备检测研究院，北京 100029)

超声体波在介质中的传播速度不随频率变化，在检测过程中采用时域窄、频率宽的脉冲作为激发信号时，可有效实现缺陷信息的逐点检测。而超声导波在管中传播距离远、衰减小，且质点振动包含了整个壁厚的信息，可实现远距、大范围的检测[1-2]。超声导波具有频散、多模态特性，使得利用超声导波对管道缺陷进行检测时，要根据管道材料、直径和壁厚计算频散曲线，才能选出合适的激励模态和激发信号类型、频率[3]。在常规超声导波技术中，在合适频率点采用低阶轴对称模态进行检测时，选用时域和频率均有限的窄带脉冲激发，这是因为有限的激发信号频率，可避免出现频散、多模态现象，便于分辨缺陷信号。

但是由于在轴对称模态下沿管道圆周方向能量分布均匀，因此采用轴对称模态难以对小缺陷进行有效检测[4]。而非轴对称模态下沿管道圆周方向能量分布不均匀，会导致常规检测时缺陷反射回波波包难以辨识。当缺陷恰好位于非轴对称模态的自聚焦点时，可有效增强缺陷反射回波能量，有望提高对小缺陷的检测精度，但在该检测过程中需反复调整传感器的入射角度、激发频率等参数[5]。近年来，针对非轴对称模态能量聚焦的检测方法得到广泛研究[6-9]。其中，Rose等[6-7]基于正交模态展开法提出的超声导波相控阵聚焦方法，经各通道延迟时间、幅值系数的调整，可将超声导波能量聚焦在预定位置。文献[8]～[11]研究了基于时间反转过程将超声导波能量聚焦在缺陷位置的检测方法。但上述的超声导波检测方法均采用窄带脉冲作为激励信号。

在超声导波检测过程中，当采用时域窄、频率宽的激励信号时，会导致频散现象；而采用时域宽、频率窄的激励信号时，会发生不同缺陷波形的叠加。目前，在导波检测领域，已采用宽带信号激励，不仅可激发更多的能量，且可有效提高检测速度。文献[12]采用宽带激励板中的Lamb波，并进行虚拟时反成像，有效提高了缺陷位置分辨率。

鉴于管道导波的复杂性，目前采用宽带信号进行管中时间反转导波检测的研究尚不充分。为扩展管道导波检测时的激发频率范围，本文提出一种宽带脉冲激励的时反检测方法。虽然采用宽带脉冲激发时，会发生频散和多模态混叠的现象，但利用时间反转检测方法(时反检测方法)后，能将较宽频率范围内的导波能量积攒在同一时间到达缺陷处，可以有效增加缺陷回波的能量。且采用宽带时反脉冲激发时，能提高缺陷波包时域分辨率，便于缺陷波包位置的判读。

1 管中导波宽带时反检测方法

在对管道进行宽带时反检测时，传感器阵列安装方式如图1所示。在管道端面周向安装阵列1和2，两阵列轴向距离管道激励端面分别为L1和L2，每个阵列均有M个阵元且周向间距相等。采用该方法获取时反检测信号的过程包括以下步骤：

图1 管道宽带时间反转检测方法示意图

1)采用宽带信号V1(t)～VM(t)同时激励阵列1中的第1～M个阵元，并在激励信号发射的起始时刻开始接收阵列2中第1～M个阵元检测到的回波信号R1(t)～RM(t)，将各阵元接收到的回波信号进行叠加，得到常规导波检测时程曲线。

2)分别提取阵列2中的第1～M个阵元接收到的波形数据点，得到M个向量，以所有波形数据点的最大值对各向量进行归一化，再将归一化处理后的M个向量分别进行逆序排列，得到M个时间反转波形数据点。

3)将阵列2中第1～M个阵元得到的时间反转波形数据点合成为M个激励信号V1tr(t)～VMtr(t)，并分别激励阵列2中的第1～M个阵元，在激励信号发射的起始时刻开始接收阵列1中第1～M个阵元检测到的回波信号R1tr(t)～RMtr(t)，然后叠加各组回波信号，作为时反检测信号。

2 实验研究

2.1 实验系统的架构

时反导波检测实验系统如图2所示，包括自制的时反导波激励板卡，该板卡可输出常规导波及时反导波激励信号，输出电压幅值变化范围为10～350 V[13]；自制的回波接收电路放大增益范围为5～60 dB，采样频率为1.667 MHz[14]。在管道端部沿周向等间隔放置16个压电传感器作为换能器阵列1，在距离管道端部特定轴向距离处布置换能器阵列2，阵列2中各阵元与阵列1中各阵元周向位置相同。阵列中各阵元为长16 mm、宽4 mm、厚1 mm的沿长度方向伸缩振动的压电晶片。在实验过程中所使用钢管的外径为70 mm、壁厚为4.2 mm、管长为2.55 m，钢管的材料参数为密度为7.932 g/cm3，纵波波速为5 960 m/s，横波波速为3 260 m/s。在距离管道激励端面1.5 m处开有沿轴向宽度为4.5 mm的非通透斜缺陷。

图2 实验系统装置图

2.2 实验过程及数据处理

为验证本文所提时反聚焦方法对宽频范围内多模态的时间-空间聚焦效果，在该部分采用宽带高斯脉冲作为初始激励信号驱动压电晶片阵列。所采用高斯脉冲的时域表达式为：

V(t)=Amaxe-(t-b)2/2c2

(1)

式中：V(t)为驱动压电晶片的激励电压；Amax为高斯脉冲峰值；b为峰值所在时间，取为25 μs；c为控制脉冲时域宽度，设置c为1 μs。

本文中激励板卡将时域数据点按特定频率输出，经高速D/A转换器合成，再由模拟电路将其线性放大成特定幅值的高压信号[13]。考虑硬件电路存储空间、数据输出速度的限制，为实现对信号的有效合成，将信号的采样频率设置为10 MHz。为观察高斯脉冲的时域特性，按照此采样频率做出高斯脉冲信号，如图3(a)所示。

对高斯脉冲时域信号进行傅里叶变换，得到高斯脉冲的频率表达式为：

(2)

图3 宽带激励信号时域、幅-频图

在具有裂纹缺陷的管道上，采用激励板卡输出宽带高斯脉冲作为初始激励信号加载在换能器阵列1上，由接收板卡检测换能器阵列2中各阵元的回波信号，并将接收到的16组信号线性叠加，作为时反前检测到的初始信号，如图4(a)所示。

图4 时反前信号处理图

利用高斯窗[15-16]函数对初始检测信号经傅里叶变换后的频谱进行滤波，如图4(b)所示，表达式如下：

(3)

式中：G(ω)为高斯窗函数；ωc为信号中心频率；c1为窗函数频带宽度。将高斯窗函数处理后的频域信号，进行傅里叶逆变换，重构出滤波后的时域信号，如图4(c)所示，对时域信号进行希尔伯特变换[15-16]得到包络线，如图4(d)所示。

将阵列2各阵元接收到的信号进行时反及归一化，得到各通道对应的时反波，激励板卡根据各通道对应的时反波产生高压时反信号激励对应阵元，阵列1中各阵元分别接收对应的回波信号，叠加各通道回波信号作为时反检测信号，如图5(a)所示。时反检测信号对应频谱及其所用高斯窗函数如图5(b)所示，重构后的时域信号如图5(c)所示，滤波后的信号的包络线如图5(d)所示。

图5 时反后信号处理图

3 结果分析与讨论

3.1 缺陷波包历程时间的确定

在常规检测时，常根据管道材料参数和几何尺寸选择合适的激励信号，一般选择中心频率附近的窄带激励信号，激发低阶轴对称模态进行管道缺陷检测。由于初始激励信号带宽较窄，因此激发出的导波主要位于中心频率附近。而采用宽带脉冲信号作为激励信号，必然激发出较宽范围的导波信号，因此检测到的缺陷回波信号与常规检测结果有一定差异。截取常规信号检测结果，如图4(c)中虚线框内为宽带脉冲激发产生的缺陷回波信号，进行局部放大后，如图6所示。从实验结果可知，缺陷回波信号的波包展宽，难以判断缺陷回波的波峰与波谷。这主要是因为本文所激发的L(0,2)模态在50～200 kHz频率范围内相速度有一定变化，即激发信号由多个频率信号叠加而成，从而导致激发的导波必然存在一定带宽，如此多个相近频率范围内信号的叠加，就构成了幅值相等的多个波包。从图6可知，时反前检测到的缺陷回波发生频散现象，导致波包展宽。

图6 宽带脉冲激励所检测缺陷回波波包图

由于时反检测方法的时间-空间聚焦特性，可将不同频率的导波信号压缩在同一时间到达缺陷位置，从而使得采用时反方法检测到的缺陷回波将在时域上变窄，便于读取曲线的峰值时刻。截取时反处理后的检测结果，如图5(c)中虚线框内时反检测的缺陷回波信号，并进行局部放大后，如图7所示。为比较时反检测方法的聚焦检测效果，将初始激励信号(实线)与时反检测方法重构的初始信号(虚线)叠加比较。从图7可知，时反后缺陷回波幅值最大波包能完全重构宽带激励信号，且缺陷回波信噪比较好。但由于换能器带宽及响应速度的限制，导致缺陷回波幅值最大波包旁产生一定谐振。

图7 时反波所检测到的缺陷回波与初始激励信号的比较

由上述分析可知，原始激励信号带宽较宽，激发出频散和多模态混叠信号，难以准确判断波包的位置。而经时反处理后的缺陷回波信号在时间域和空间域进行了聚焦，从而使得波包在时域变窄，便于判断缺陷波包所位于的时刻。由此可知，用宽带信号作为初始激励信号时，可激发尽量多的能量，再用时反检测方法将导波能量聚焦在一起，可实现对缺陷波包在时域上的压缩，以提高缺陷波包辨识度。

3.2 缺陷波包波速的确定

常规检测的激励信号带宽范围较窄，缺陷回波能量主要集中在中心频率附近，可以将初始激励信号中心频率的波速作为波包的传播速度。而激励信号带宽较宽时，时反检测方法检测到的缺陷回波为宽带信号。为确定缺陷波包的传播速度，本文首先对时反前、后检测到的缺陷回波进行时频变换，如图8所示，以此研究在特定时刻所检测到波包的频率特征。

图8 时反前、后信号的时频分析结果

从试验结果可知，时反前、后端面回波信号均占有较宽的带宽，其频率范围为100～170 kHz。时反前缺陷回波信号能量较小，无法有效获取管道缺陷信息。经时反处理后，管道缺陷信号幅值显著加大，比时反前增大11.8倍，频率范围仍为100～170 kHz。从频散曲线可知，在此段范围内L(0,2)模态速度变化较小。因此，可将缺陷波包能量最大处的频率点作为中心频率计算导波波速。

为验证时频分析方法对时反检测信号的分析效果，可比较时反前、后对含通透缺陷管道的检测结果。实验管道在117 kHz时L(0,2)模态群速度为5.408 m/ms。利用常规检测可计算出管长为2.540 m，与实际管长误差为0.39%；缺陷位于1.520 m处，与实际缺陷位置误差为1.33%。运用时反检测可计算出管长为2.537 m，与实际管长误差为0.51%，而缺陷位置为1.517 m，与实际缺陷位置误差为1.13%。

4 结束语

本文依据宽带脉冲的时反检测原理，架构具有时间反转功能的管道超声导波检测系统，试验结果表明，虽然时反前检测到的缺陷波包发生频散、多模态现象使得缺陷波包展宽，但时反导波激励检测到的缺陷回波相对于宽带初始激励检测到的缺陷回波，波形变窄、变尖，更容易区分缺陷波包的时间位置，且时反后在管中传播的导波模态主要以时反前所激发的导波模态为主。由此可知，基于宽带脉冲激励的管道时反导波检测方法能有效提高缺陷回波反射系数，增强缺陷波包的辨识度。