Page 120 - 无损检测2024年第十一期

左万君，等：

管道超声导波检测技术研究进展

料的表面检测，无法精确检测厚壁钢管 ；磁粉检测 管道，超声波在经历多次反射或折射后，信号的处理
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灵敏度高、操作简便，但仅适用于磁性材料的表面缺 和表征更加复杂，且会产生超声引导波，其通常被称
陷检测 ；射线检测精度高，可检测整体缺陷，但辐 为兰姆（Lamb）波。
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射对人体有害且成本较高；超声检测更适合局部缺 1.2 超声导波的频散与多模态
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陷的精确检测，而无法进行长距离部件检测 ；超声 频散和多模态是管道中波传播的两个关键特
导波能够沿着管道壁长距离传播，其声场可以覆盖 征，主要受到波导中导波频率等相关传播特性的影
整个部件的壁厚，具有低衰减和高穿透等特性，能够 响。在频域中，频散会导致不同频率分量的相位偏
有效检测部件表面和内部缺陷，显著提高检测效率。 离，使得具有相同初始相位的频率分量在波导中传
现有方法的局限性凸显了对高效、精准损伤检 播时发生展宽，进而降低频率分辨率；在时域中，频
测技术的需求。考虑到油气管道损伤检测的重要意 散会引起信号展宽和波形的变化，从而降低空间分
义和目前损伤检测技术的多样性，以及基于超声导 辨率，且频率分量的相速度变化会导致波形失真 ，
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波的管道损伤检测研究的综合评述有限，文章针对 频域和时域中的频散信号与非频散信号的传播示
超声导波在管道损伤检测中的研究应用进行了综 意如图 1 所示 （图中振幅无量纲） 。通过利用多
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述。主要阐述了超声导波检测技术的基本原理，讨 模波导的传播和这些缺陷的反射，可以有效检测非
论了超声导波损伤检测过程中采用的模态激励方 轴对称缺陷。通常情况下，采用解析或半解析有限
法，重点介绍了超声导波换能器与信号处理及识别 元方法求解复杂结构的频散曲线，例如余旭东等
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技术的研究进展。 通过半解析有限元方法的计算框架，实现了对周
向导波频散关系的精确求解，频散曲线如图 2 所
1 超声导波及其检测技术原理
示[图中CLT为周向兰姆类 （厚度）模态波，CHS
1.1 超声导波的概念 为周向水平剪切模态波，其中导波数字代表模态波

超声引导波（Ultrasonic-Guided Waves，UGW） 的阶数]，该方法对波导结构的横截面进行有限元
是一种能够在特定几何结构（如管道、板材或轨道） 离散，在波传播方向采用解析描述，从而将三维问
中传播的特殊超声波，被广泛应用于检测部件内部 题转化为二维求解，能够准确计算具有任意材料属
缺陷。在弹性介质中，超声波（包括超声引导波）在 性、层数和环向截面形状的复合圆管中的导波频
遇到不同介质或部件结构变化时会发生反射、折射 散关系，适用于复杂结构的无损检测和材料表征。
和模式转换。模式转换是在超声波传播过程中，特 BARZEGAR等 提出待定的信号处理程序对黏结
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别是在界面处，波从一种模式转换为另一种模式，例 铝板进行频散曲线估计，该方法基于带通滤波器、快
如纵波可能在反射或折射时部分转换为横波，反之 速傅里叶变换和带通高斯滤波器对获取的信号进行
亦然。而在复杂的检测结构中，如多层材料或曲面 处理，减小了频散曲线的评估误差。

图 1 频域和时域中的频散信号与非频散信号的传播示意
导波的频散效应和多模态行为会显著增加回波 波对不同的管道缺陷具有不同的敏感度。因此，多
信号的处理难度，但是不同模态和高阶模态簇的导 模态激励也为检测各种类型的管道缺陷提供了更多
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2024 年 第 46 卷 第 11 期
无损检测