Page 75 - 无损检测2021年第七期

韩佳琪, 等:

弯折小径管中槽型缺陷的 L ( 0 , 1 )模态导波检测

图3为在 N 端面圆周4个节点提取的典型自激
自收位移波形。当激励的 L ( 0 , 1 ) 模态超声导波沿小
径管传播时, 在其弯头处发生反射和模态转换 [ 9 ] 。图
3中标记为 A 的波形代表弯头反射回 N 端面的 L ( 0 ,
1 ) 模态导波。由于弯头处有明显的几何不对称性, 所
以部分 L ( 0 , 1 ) 模态导波转换成非轴对称的 F ( 1 , 1 ) 模
态导波, 其群速度较小, 约为 L ( 0 , 1 ) 模态导波群速度
的1 / 2 。因此, 在弯头处因模态转换形成的 F ( 1 , 1 ) 模
态导波反射回 N 端面的传播时间落后于信号 A 的传
播时间, 而形成回波信号 B 。

图 3 不同节点接收的信号波形
当导波经过弯头后, 仍然保持以 L ( 0 , 1 ) 模态和

F ( 1 , 1 ) 模态两组波形向前传播。波形 C 代表 L ( 0 ,
1 ) 模态导波从 N 端面折返再次经过弯头产生的第
图 5 无缺陷小径管 N 端面接收信号的时频分析结果
二次反射信号。波形 D 为 L ( 0 , 1 ) 模态从 E 端反射
散曲线叠加绘制在如图 5 所示的时频分析结果中。
回 N 端的信号。
图 4 给出了 N 端面所有 8 个节点提取的位移 通过对照, 可以确定波形 A , B 分别为从弯头反射回
波形叠加后的结果, 可以明显看出, 弯折角度对接收 来的 L ( 0 , 1 ) 模态和 F ( 1 , 1 ) 模态。值得注意的是,
当θ=45° 和θ=135° 时, F ( 1 , 1 ) 模态反射回波明显。
导波信号存在影响。这里主要关注入射的 L ( 0 , 1 )
相比而言, 当弯折角度θ=90° 时, F ( 1 , 1 ) 模态反射
模态 导 波 在 弯 头 处 的 反 射 特 性。 因 此, 选 择 对
回波非常微弱, 这与θ=90° 时弯头处的几何不对称

0.3ms~0.55ms时间内的波形进行短时傅里叶变

性相对较低有关。当θ=45° 时, 弯折导致外凸弧长
换, 以便于观察波形 A , B 的成分。无缺陷小径管 N
和内凹弧长存在较大差异, 导波在内、 外凸弧的反射
端面接收信号的时频分析结果如图 5 所示。
回波出现微小时间差, 而在时频分析结果中呈现两
将图 1 中的 L ( 0 , 1 ) 和 F ( 1 , 1 ) 模态的群速度频
个相互重叠的波包信号。
为了 定 量 分 析 弯 折 角 度 对 弯 头 处 L ( 0 , 1 ) 和
F ( 1 , 1 ) 模态反射回波的影响, 计算图 4 中回波 A , B
的幅值平方和( 代表波形能量), 不同弯折角度时不
同模态 导 波 的 反 射 回 波 能 量 如 图 6 所 示。 按 照
F ( 1 , 1 ) 模态反射回波能量的高低, 对弯折角度进行
排序, 依次为 45° , 135° , 90° 。这表明: 当弯折角度为

90° 时, L ( 0 , 1 ) 模态向 F ( 1 , 1 ) 模态转换的能量最小;
图 4 无缺陷小径管中 N 端面的接收信号 弯折角度为 45° 时, 弯头处内外侧的非对称性最高,

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2021 年 第 43 卷 第 7 期

无损检测