Page 54 - 无损检测2023年第十期

穆为磊, 等:

管道缺陷的高分辨率抗噪声定位方法

非常接近, 使得采集信号的波包相互重叠。此外, 纵 1
θ 最优 =min 2 ( 2 )
波、 扭转波和弯曲波模态的频散特性延长了反射波 2 y s- θD 2+ λθ 1
包的持续时间 [ 3 ] 。因此, 高时空分辨率的数据分析 式中: λ 为正则化参数, 用来平衡稀疏性和保真度。
方法有利于信号的处理和分析 [ 4 ] 。 DENG 等 [ 5 ] 采 其具体步骤为: 首先构建管道中某一模态下的
用时间反转定位方法, 集中研究了管道中的损伤位 字典 D M , 随后对信号 y s 和字典中的每一列的向量
置, 但该方法并不能提高导波信号的信噪比和损伤 a i 进行内积运算, 记录计算结果中最大的内积值,

检测能力。 并对产生最大内积的原子及其列数 i 进行记录。
基于压缩感知的反射波包分离方法目前得到了 下一步对θ 进行计算并记录, 计算原始信号经
广泛的应用。 ALGURI等 [ 6 ] 通过试验建立了导波 过此次匹配后的残余值 r , 随后进行迭代运算, 当迭
数据字典, 然后重建了被测结构的场波。过完备字 代次数等于 K 时, 终止程序的运算。
典原子与采集信号波包之间的匹配度是确定定位精 利用以上的过完备字典迭代优化算法以及由导
度的重要因素。因此, 如果利用所有潜在的缺陷位 波传播原子组成的字典, 可以求解出 K 个与原始信
置来构建一个精确的损伤反射模型, 就可以建立一 号 y s 匹配的波包, 以实现信号的稀疏分解与频散移

个精确的过完备字典。在以往的工作中, 笔者通过 除, 从而得到更为清晰与准确的信号信息。
兰姆波传播的解析模型建立了一个平板缺陷检测字 2 超声导波检测试验
典 [ 7 ] , 然后分别分离出波包。稀疏分解方法有利于
对存在缺陷的管道进行超声导波检测, 试验材料
提高定位分辨率, 特别是对于多缺陷成像的情形。

提出了一种基于波包分解和频散移除的管道损 为304不锈钢管, 其外径为35mm , 壁厚为1.5mm ,

-3
伤定位方法。利用过完备字典迭代优化算法, 对重 长度为1.2m , 密度为 7930k g m , 弹性模量为
·

叠的波包进行分离。通过频散移除进一步重构分离 195GPa , 泊松比为0.247 。采用由汉宁窗调制的中

的波包, 以将长波包补偿为原始波包。试验结果表 心频率为125kHz的正弦信号作为激励信号 [ 10 ] , 即

×
明, 重构信号的定位性能明显优于原始采集信号。 y=Asin ( 2π f c t ) [ 1-cos ( 2π f c t / N )]
式中: A 为正弦信号的振幅; N 为调制信号的周期
1 导波理论与信号重建方法
数; 为中心频率; t 为从0到 N /
f c f c 的时间序列。
在无限长的管道中, 距离激励距离d 处的导波 为了减少扭转模态和弯曲模态的影响, 在试验
响应可以表示为 [ 8 ] 中将16块压电片均匀分布并平行放置 [ 11 ] 。同时,
对压电片按顺时针方向进行编号。接收压电片的布
+∞
1 j ωt -j k ( ω ) d
u pt = S ( ω ) e e M dω ( 1 ) 置和数量与激励压电片相同, 其位置如图 1 所示。
()
2π ∫
-∞ 激励端位置靠近管道的左壁, 接收端中心位置距离
式中: u pt 为 p 模态( 不同阶的 L 、 F 或 T 模态) 的
()

时域响应信号; t 为传播时间; ω 为角频率; S ( ω ) 为 激励端70mm 。

缺陷管道检测试验中, 在距离管道端面600mm
(
频域的激励信号; k M ω ) 为相应导波模式的波数;
j
处, 切割出一条弦长20mm , 弦宽2mm 的裂缝( 缺
为虚数单位。
陷1 见图 2 )。用时间反转法对具有单一缺陷的损
对激励信号的位移长度d , 设置一个给定的间隔
伤管道试验数据进行处理后, 累积复数的模长值, 从

与范围, 如间隔为0.01m , 长度范围为0~2.5m 。
而确定信号的峰值, 即确定损伤的位置。上述方法
因此可以将激励信号在此长度范围内各距离处
对损伤管道的定位结果如图 3 所示( 缺陷 1 ), 即定
的时域信号进行组合, 构成一个在特定模态下的频

位结果为0.65m , 与实际结果相差0.05m 。
散字典。
随后, 在距离端面650mm 处切割第二个裂纹
在稀疏分解理论中, 只包含某些波包的稀疏信
( 缺陷2 , 见图2 )。试验测量了存在两个缺陷管道的
号 可以用一个过完备字典中的原子的线性组合
y s
导波信号, 在没有噪声的情况下, 采集信号包含大量
来表示。
的波包, 双缺陷管道超声导波信号如图4所示。从
通过字典 D 求解最佳的系数 θ 并确定字典中
时间反转定位结果可知, 其存在一些明显的峰值, 代
与信号 最匹配的原子即为过完备字典迭代优化
y s 表了执行器的位置、 潜在的缺陷和边界。 但是由于
算法需要解决的问题, 即
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2023年 第45卷 第10期
无损检测