超声导波检测技术的发展与应用

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1、2008大庆石化情报课题超声导波检测技术的发展与应用王学增侯贵富刘华王李媛媛李健奇大庆石化工程检测技术公司2008年12月8日超声导波检测技术的发展与应用相对于传统的超声波检测技术，超声导波具有传播距离远、速度快的特点，因此在大型构件（如在役管道）和复合材料板壳的无损检测中有良好的应用前景。一、超声导波技术的原理1.1超声导波的产生机械振动在弹性介质中的传播称为弹性波（声波）。将弹性介质定义为波导，在波导中传播的超声波称为超声导波。超声波的本质是机械振动，在扰动源的激发下产生，并通过介质传播，因而它既携带扰动源的信息

2、，同时又包含介质本身的特征。导波是由于声波在介质中的不连续交界面间产生多次往复反射，并进一步产生复杂的干涉和几何弥散而形成的。导致超声波弥散的原因有物理弥散和几何弥散。物理弥散是

3、+1于介质的特性而引起的，而几何弥散是由于介质的几何效应引起。超声导波技术则是利用传播介质几何上某些特征尺寸而导致的几何工件往往有很多声学性质不连续的交界面存在。当介质中有一个以上的交界而存在时，超声波就会在这些界而间产生多次往复反射，并进一步产生复杂的干涉作用，由于受到这些界面几何尺寸的影响，超声波的传播速度将依赖于波的频率，从而导致波的

4、几何弥散。由于超声波在交界面上的复杂行为，如果工件的交界面复杂无规则，则导波信号很难识别，所以导波技术一般用于特殊的规则的工件（板、管、棒等）检测。无缝管中的超声导波技术则是利用管子的几何效应，在管子中激发导波。导波可沿轴向传播数米至数十米，因此利用管壁中沿管了轴向传播的导波可对管子进行长距离快速无损检测。1.2导波的频散特性和谐振模式1.2.1导波的频散特性当把被测物件视为无限均匀弹性介质时，各种类型的反射波、透射波以及界面等以恒定的速度传播，传播速度只与传播介质本身材质有关。而当超声波倾斜入射到各向同性的管子边界

5、上，波源处的机械振动在管子中传播时，市于管子自由表面的反射，波运动变为轴向运动利径向运动的合成，使得超声波被拘束在管状的边界内而形成导波。频散是导波的特征之一，即超声波的相速度随频率不同而有所变化。频散特性是导波应用于复合材料无损检测的主要依据。由于导波脉冲市多个不同频率的谐波成分叠加而成，介质质点振动是各个波作用下振动的合成，质点振动最大振幅的传播速度（群速度）不同于各单个波的传播速度（相速度），导波能量以群速度向前传播，相速度则随频率的不同而有所改变。导波在介质中的传播特性与介质特性有很大的关系。目前的研究已不仅

6、仅局限于导波在各向同性弹性介质中的传播特性，还涉及到各项异性和具有黏弹性的材料。导波相速度不仅取决于探头频率，还与管材的特性（包括材质的声学性质和规格尺寸）有关，即使是同类材料的管子，如果其壁厚和直径不同，其频散曲线也不同。这给导波技术的实际检测应用带来了很大的不便。在实验中可通过对探头频率的调节和探头结构的设计，选择适当的导波模式，并辅以信号处理和模式识别等工具，来解决实际工程的探伤问题。1.2.2导波的谐振模式管中导波的激发有多种方法，在不同结构探头的激励下，管子中可激发出不同谐振模式的导波。管中常见的导波谐振模

7、式主要有两大类：一类是轴对称模式，另一类是非轴对称模式。轴对称模式导波激发比较容易，可将探头以环状阵列放置在管子外侧，得到轴对称扭转模式的导波，在此模式下，管子的每个横截面都保持原来的平面不变，并围绕其中心旋转，其轴线未被扰动而保持原状；将探头放于管子中，可从管内激发出管壁中的轴对称纵向模式导波；还可用梳状探头等间隔的振动单元发生周期性的振动，激发出波长与梳状结构间隔相同的导波（兰姆波）；另外，利用其它产生兰姆波的方法也可实现轴对称纵向模式导波的激发。对于这种模式，管子的各个单元作伸展和收缩运动，但不会岀现轴线的横向

8、位移。而非轴对称模式的导波，可由超声波斜探头置于管子上激发。所激发的非轴对称模式导波可以理解为双螺旋形式，从探头处开始向管子两侧散开，到管子另一侧聚拢再散开，超声波以此方式沿管子轴向传播。二、超声导波的应用超声导波（也称为制导波）的产生机理与薄板中的兰姆波激励机理相类似，也是由于在空间有限的介质内多次往复反射并进一步产生复杂的叠加干涉以及儿何弥散形成的。但是对于管道检测，在一般管壁厚度下要产生适当的波型，则需要使用比通常超声波探伤低得多的频率，导波通常使用的频率fVlOOKHz,因此导波对单个缺陷的检出灵敏度与通常使

9、用频率在MHz级别的超声检测相比是比较低的，但是导波检测的优点是能传播20〜30米长距离而衰减很小，因此可在一个位置固定脉冲回波阵列就可做大范围的检测，特别适合于检测在役管道的内外壁腐蚀以及焊缝的危险性缺陷。低频导波长距离超声检测法用于管道在役状态的快速检测，内外壁腐蚀可一次探测到，也能检出管子断面的平面状缺陷。在管道的完整性检测中，超声导波检