基於超聲導波的結構健康狀態無損檢測及在線監測

應用領域：

基於超聲導波的結構材料損傷快速無損檢測及損傷在線監測應用。

挑戰：

目前廣泛應用的超聲波檢測技術大多基於超聲體波，由於超聲體波的傳播特點，需要對結構進行逐點檢測，因此存在檢測效率低，成本高等缺點；同時逐點掃描的檢測方式也限制了其在結構健康監測領域的應用。

超聲導波是體波在結構界面反射疊加形成的沿結構界面傳播的應力波。超聲導波相對於體波具有衰減小，傳播距離長的特點，可實現對形狀規則的大結構件的快速無損檢測；並且具有在線應用潛力，可作為結構健康在線監測的技術手段。

但是超聲導波相對於體波更加複雜，主要表現為兩方面：一方面為導波的多模態特性，即同一頻率下同時存在有多種導波模態；另一方面為頻散特性，即同一模態導波在不同頻率下的傳播速度不同。超聲導波的複雜性對檢測平臺和檢測方法提出了更高的要求。

解決方案：

超聲導波檢測方法為主動檢測，包括信號的激發的和接收。針對導波的多模態的特性，擬採用單一模態導波作為檢測信號，因此需要在檢測平臺從信號激發和接收兩方面抑制其他模態。主要通過傳感器尺寸，信號激發頻率，優化匹配實現單一導波模態激發。

為了實現對被檢對象的快速檢測，根據雷達原理發展了適用於超聲導波的相控陣列及信號處理算法，以此實現對材料損傷的快速成像檢測。

1 應用背景

隨著當前對大型設備結構安全性的日益關注，無損檢測技術已成為現代結構設備製造和使用過程中必不可少的檢測手段之一, 廣泛應用於各個領域，如航空航天領域、電力生產領域、石化輸運加工領域等。這些領域的設備結構通常處於較惡劣的工作條件，容易發生磨損、腐蝕、疲勞、蠕變等損傷，進而造成結構內部產生缺陷，危害結構安全性。因此對這些設備結構進行實時監測和診斷成為無損檢測技術應用中的一個重要方面。

目前工業界常用的五大無損檢測方式包括：滲透檢測，磁粉檢測，渦流檢測，超聲波檢測，射線檢測。在這五種檢測方式中，超聲波檢測由於適用範圍廣（既可檢測金屬，也可檢測非金屬），對人體無害而應用較為普遍。目前常規的超聲波檢測主要使用體波，只能檢測探頭覆蓋區域或者探頭周圍很小範圍，因此通常採用逐點檢測的方法。逐點檢測方法的缺點就是檢測效率低，檢測成本高。而使用超聲導波的無損檢測技術則可以有效地解決這一問題。

超聲導波是目前常規應用超聲體波的疊加組合。在無限均勻各向同性彈性介質中, 只存在兩種超聲波：縱波和橫波，這兩種超聲波稱為超聲體波， 二者分別以各自的特徵速度傳播而無波型耦合。 在有限尺寸波導(如平板、圓管) 中傳播的縱波和橫波由於受到邊界的制約以及在邊界處發生不斷的模態轉換，將會產生沿波導傳播的超聲導波。因此超聲導波是由超聲體波（包括縱波和橫波）在波導上下界面間反射疊加而形成的沿波導傳播的一種應力波。

由於超聲導波是在具有上下界面的固體中傳播的應力波，其衰減主要是由材料吸收造成的，因此與傳播距離成正比。而超聲體波在固體材料是從激發點向三個方向擴散，其衰減與傳播距離的平方成正比。因此超聲導波的衰減相對體波來說小很多，可以沿波導傳播很長距離。

基於超聲導波傳播距離長的特點，其在無損檢測應用中可以實現一次檢測數米距離，是對傳統逐點掃描方式的極大改進。同時，對於發電領域和石化領域常見的包覆及埋地結構，利用超聲導波檢測技術只需要一點接入就可以檢測數米距離，不需要完全暴露結構，可以極大的提高效率並降低成本。

由於超聲導波檢測距離長、範圍廣，具有在線應用潛力，可以作為結構健康狀態檢測(SHM)的技術手段。

2 面臨問題

由於超聲導波是超聲體波在波導中的反射和疊加，因此超聲導波相對體波來說更加複雜，表現為多模態和頻散特性。

對於表面處於自由邊界條件下的各相同性板狀構件，其頻散關係可表達為：

(1)

其中，h是平板半壁厚，ω角頻率，k是波數，V_L和V_S分別是材料中縱波和橫波波速。此種表達方式，當α=0代表對稱模態，當α=π/2代表非對稱模態。

根據平板中的頻散關係可以得出導波頻散曲線，如圖1所示。從中可以看出，在同一頻率下同時存在多種導波模態。如800kHZ以下，同時存在有有三種模態，分別為A0模態、S0模態和SH0模態。隨著頻率的增加，同時存在的導波模態數也會隨之增加，如在2MHz下，平板內存在有8種可傳播模態。導波這種多模態效應會使得接收到的缺陷反射信號複雜化，對其檢測應用產生較大影響。

另外從頻散曲線圖中還可以看出，同一模態導波在不同頻率下的傳播速度會發生變化，這將導致激發信號中不同頻率的成分隨傳播距離的增加逐漸分散，導致激發信號時域延長，幅值降低。圖2為中心頻率為200kHz的A0模態在2mm厚鋼板中激發波包隨傳播距離的變化過程，從中可以看出，隨著傳播距離的增加，導波的頻散特性將會導致波包在時域上的延長，同時波包幅值也將嚴重降低。這種現象將造成檢測信號的疊混和減弱，使得缺陷特徵無法識別。

(a)頻率-波數曲線

(b)頻率-相速度曲線

(c)頻率-群速度曲線

圖1. 2mm厚鋼板的頻散曲線

(彈性模量216.9GPa，泊松比0.28，密度7.9×10³kg/m³)

(a) (b)

(c) (d)

圖2 中心頻率為200kHz的A0模態在2mm鋼板中的頻散現象

(a為激發信號；b為傳播1000mm厚波形；c為傳播1500mm後波形；d為傳播2000mm後波形)

導波的多模態和頻散特點使其在信號激勵、質點振動、傳播、接收和信息提取等方面均比常規超聲波檢測複雜。為了利用超聲導波進行檢測需要從信號的激發、傳播、接收和信號提取等方面發展適用於超聲導波的方法和技術。

3 解決方案

3.1 單模態超聲導波激發

超聲導波具有多模態的特點，隨著激發頻率的增加導波模態數不斷增加。導波的多模態特點會增加信號複雜性，使缺陷特徵信號難以識別。因此為了適用於檢測應用，需要激發單一導波模態。

根據導波頻散特性曲線，在高階導波模態截止頻率以下(對於2mm厚鋼板為810kHz)，僅存在三種0階導波，包擴對稱模態S0、非對稱模態A0、水平剪切模態SH0。因此控制激發信號頻率在高階導波截止頻率以下可以將導波模態數降至三種。

對於S0、A0和SH0模態，其模態形狀存在區別。A0模態主要以離面位移為主，如圖3(a)所示，S0模態和SH0模態主要以面內位移為主，其中S0的位移方向于波傳播方向平行，如圖3(b)所示，SH0模態的位移方向與波傳播方向垂直，如圖3(c)所示。

(a) A0模態激發示意 (b)S0模態激發示意

(c)SH0模態激發示意

圖3 不同導波模態激發施力圖

超聲導波激發的實質上就是在被檢測對象中耦合進模態所對應的應力波，為了獲得單一的導波模態，需要通過傳感器優化來增強所需模態對應的表面應力分布，同時抑制其他模態對應的表面應力分布。

目前可以用於在被檢測結構中耦合進導波應力場的傳感器可分為如下幾類：壓電式換能器，電磁聲換能器(EMAT)，磁致伸縮換能器，雷射超聲換能器。壓電式換能器主要利用晶體材料的壓電效應和逆壓電效應作為導波激發和檢測傳感器，目前常用的壓電材料主要有PZT和柔性的PVDF。其中PZT材料的壓電轉換效率較高，成本較低，但是材料無法彎曲；PVDF材料也具有壓電效應，但是其壓電性相對於PZT材料要低，其優點在於材料具有柔性，可以彎曲。電磁聲換能器(EMAT)主要通過改變金屬結構中的電磁場，利用Lorenz力激勵導波應力場。用於超聲導波激發的磁致伸縮換能器(MT)最早由H.Kwun等人提出，其主要利用磁致伸縮效應實現導波應力場的激發。雷射聲換能器利用雷射脈衝束在被檢測構件表面產生熱應力振動，實現超聲導波的激發，雷射聲換能激發方式的儀器體積較大，成本較高，不適於現場檢測應用，目前主要用於實驗室研究工作。

上述導波換能器中，PZT壓電晶片具有體積小、重量輕、成本低的優點，適用於結構健康狀態監測應用，因此目前各國研究團隊主要使用PZT壓電晶片作為導波激發和接收換能器。