Page 125 - 无损检测2024年第十一期
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左万君，等：
管道超声导波检测技术研究进展
及导波信噪比的下降，从而需要增加输入和输出放 信号的覆盖。近年来，研究人员对小缺陷的超声导
大信号的功率。为此，LAN等 [35] 通过建立EMAT 波检测问题提出了许多针对性的方法。波包识别技
有限元二维模型，研究了结构参数和声学参数对换 术被提出用于处理小缺陷回波信号，通过设计与小
能器能量转换效率的影响并对其进行了优化设计， 缺陷信号相匹配的滤波器，能够增强目标波包的检
此外还发现用1K107型非晶纳米晶体材料对磁路进 测效果，使小缺陷信号在噪声背景中更加突出 [43] 。
行优化能够显著增强导波信号强度。杜灿勋等 [36] 通 ROSTAMI等 [44] 提出了一种稀疏表示与基于色散
过多物理场有限元仿真方法，模拟研究了不同磁铁 的匹 配追踪（Sparse representation with dispersion-
和线圈组合对换能器性能的影响，发现减小磁铁提 based matching pursuit，SDMP） 算法，用于减少在管
离距离和适当减小磁铁宽度可以增加磁场强度，而 道检测中使用导波时的频散效应。该算法通过设计
后对电磁超声导波的激发和传播过程进行了优化。 一个基于有限元模拟的过完备和冗余字典，最大限
董明等 [37] 设计了一种变尺寸蝶形线圈EMAT，该 度地模拟实际导波信号，并实现信号的稀疏表示；数
EMAT能够通过改变线圈不同部位导线的宽度和间 值模拟和试验结果均验证了其在复杂环境下导波信
距以及不同部位的换能效率，进而达到增强横波抑 号分离和缺陷检测中的有效性。PEDRAM等 [45] 引
制纵波的效果。 入了分频处理（SSP） 技术，通过将超声导波检测信
基于磁致伸缩效应用于管道结构中激励扭转导 号分解为多个子频带并进行非线性滤波处理，显著
波的电磁声换能器的结构示意如图10（b）所示。预 提高了信号质量和信噪比；优化的SSP参数使其在
磁化的应用意味着会存在退磁等不稳定因素，而激 检测带涂层或埋地管道时，能够有效减小频散波模
发纵波、弯曲波等不利导波。KANNAN等 [38] 提出 式对信号质量的影响，增强对小缺陷的检测能力，可
使用具有较大矫顽力磁场的贴片材料来避免退磁， 将信噪比提高约40 dB。YANG等 [46] 提出了基于一
因为这些材料在外加磁场撤去后能更好地保持磁 种可调Q因子群稀疏小波变换 （Group sparse tunable
性，抗退磁能力强，从而确保磁致伸缩换能器能在长 Q-factor wavelet transform，GS-TQWT）的超声导波
时间使用和外界磁场干扰下仍稳定工作。ZHANG 焊缝缺陷检测特征提取方法，该方法利用导波信号
等 [39] 设计了一种具有弯曲模态选择性激励的螺旋 的群稀疏特性，通过TQWT算法分解信号、求解子
梳状磁致伸缩贴片换能器，该换能器能够激发高阶 带系数，并进行小波重构，从而提取缺陷回波；试验
弯曲模态导波控制波向，并实现以7. 2%的断面损 结果表明，相对于传统方法，GS-TQWT在噪声环境
失率检测管道缺陷。KIM等 [40] 发现在MHz量级频 中能更准确地提取缺陷回波且计算成本更低，适合
率范围内激发扭转导波须考虑阻抗匹配的影响，以 实时检测。吴锦豪等 [47] 采用基于时间反转的导波检
避免磁致伸缩贴片内的波反射而产生的畸变。姜颖 测方法，通过L（0，2）模态导波检测燃气管道的裂
等 [41] 研究了线圈宽度、间距和磁致伸缩贴片厚度对 纹，该方法能够使导波聚焦在缺陷位置，增强信号能
换能效率的影响，并设计优化了适用于黏结结构损 量，放大小缺陷的回波信号。
伤检测的换能器。 3.2 多模态分离
超声导波在传播过程中会产生多种模态，这些
3 超声导波信号处理技术
模态在传播特性和速度上有所不同，因此提出模态
导波检测信号分析技术主要包括缺陷波包的提 分离和提取方法，分析并分离多模态信号，进而通
取、多模态分离以及复杂信号的处理。其中，信号 过导波模态特性与缺陷特性之间的关联识别缺陷。
的复杂性主要由导波多模态特性以及缺陷的复杂性 HAYASHI等 [48] 提出了一种基于正态模态展开的导
导致的，而噪声成分是由环境因素的干扰引起的 [42] 。 波模态分离和提取方法来处理管道缺陷信号，该方
针对上述问题，目前研究的热点主要集中在小缺陷 法在分离轴对称波和非轴对称波方面表现良好。陈
信号的增强与识别，频散效应和近场缺陷导致重叠 乐等 [49] 研究了弯曲导波模态的分离和频散补偿的方
波包的分离上。 法，该方法将导波信号时频变换后的数据与理论时
3.1 小缺陷信号的增强与识别 频曲线对比，获得导波的频散补偿，最后与波包信号
在超声导波检测过程中，小缺陷难以被准确检 进行叠加，更利于缺陷的识别和定位。黄吉等 [50] 利
测，其主要原因包括小缺陷回波信号微弱以及噪声 用轴对称导波在非对称结构传播时转变为弯曲模态
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2024 年 第 46 卷 第 11 期
无损检测
