[發(fā)明專利]非線性超聲導(dǎo)波時(shí)間反轉(zhuǎn)檢測(cè)管道微裂紋聚集區(qū)域的方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210338899.9
• 申請(qǐng)日: 2012-09-13
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102866202A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-01-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郭霞生;章東;馬飛
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京大學(xué);南通南京大學(xué)材料工程技術(shù)研究院;中航虹波風(fēng)電設(shè)備有限公司
• 主分類號(hào): G01N29/04
• 分類號(hào): G01N29/04
• 代理公司: 南京知識(shí)律師事務(wù)所 32207
• 代理人: 蔣海軍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種檢測(cè)管道微裂紋聚集區(qū)域的方法，更具體地說(shuō)是非線性超聲導(dǎo)波時(shí)間反轉(zhuǎn)檢測(cè)管道微裂紋聚集區(qū)域的方法。

背景技術(shù)

材料的疲勞損傷是工業(yè)上結(jié)構(gòu)失效的主要原因之一。在經(jīng)歷長(zhǎng)期循環(huán)載荷的作用后，材料內(nèi)部的應(yīng)力集中區(qū)域會(huì)出現(xiàn)微裂紋。微裂紋的密度逐漸增大則可能形成宏觀裂紋，最終導(dǎo)致部件失效。為了保障結(jié)構(gòu)的安全性，有必要發(fā)展一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，在微裂紋形成的早期階段即能夠檢測(cè)到其存在。現(xiàn)有的線性超聲檢測(cè)方法基于局部材料性質(zhì)如模量的變化和聲波在界面處的反射等。但微裂紋的尺寸一般遠(yuǎn)小于線性檢測(cè)超聲的波長(zhǎng)，且由微裂紋引起的局部材料性質(zhì)變化非常小。為了解決該難題，可以采用非線性超聲技術(shù)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。

Muller和Sutin等人（J.Acoust.Soc.Am.,118,3946-3952,2005）發(fā)現(xiàn)，疲勞引起的微裂紋會(huì)在局部導(dǎo)致應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系具有滯回特性，即在應(yīng)變上升和下降的過(guò)程中，應(yīng)力沿不同的曲線變化。這種滯回特性會(huì)引起線性超聲波波形的畸變，產(chǎn)生奇次諧波的分量（如3次、5次等）。Deng和Pei（Appl.Phys.Lett.,90,121902,2007）在板結(jié)構(gòu)中利用這種非線性對(duì)疲勞損傷進(jìn)行了檢測(cè)研究。

管道結(jié)構(gòu)的應(yīng)用非常廣泛，如油氣輸運(yùn)，風(fēng)塔，供水等，管中傳播的波動(dòng)一般稱為導(dǎo)波。但是一般情形下，管道中導(dǎo)波同時(shí)存在多個(gè)模態(tài)共同傳播。這些模態(tài)中既有空間對(duì)稱分布的，也有非對(duì)稱的，從而使得信號(hào)的采集和處理都存在很大的復(fù)雜性，造成檢測(cè)結(jié)果難以準(zhǔn)確獲取。

近年來(lái)Fink等人（IEEE?Trans.Ultrason.Ferroelectr.Freq.Control,39,555-566,1992）提出了時(shí)間反轉(zhuǎn)的思想，指出將接收到的多路信號(hào)在接收點(diǎn)反轉(zhuǎn)后輸入系統(tǒng)，將會(huì)在激勵(lì)源處匯聚。Goursolle和Callé等人（J.Acoust.Soc.Am.,122,3220-3229,2007）利用數(shù)值模擬的方法，驗(yàn)證了結(jié)合彈性波和時(shí)間反轉(zhuǎn)方法來(lái)對(duì)缺陷進(jìn)行定位的可能性。但現(xiàn)有的該方面研究都還不同時(shí)具備如下檢測(cè)能力：（1）針對(duì)管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)；（2）對(duì)微裂紋聚集區(qū)域進(jìn)行定位；（3）采用非線性技術(shù)。

中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枺?00910072546.7“基于非線性聲學(xué)和時(shí)間反轉(zhuǎn)原理板材缺陷及損傷識(shí)別方法”，本專利針對(duì)的是板材檢測(cè)，而非管道檢測(cè)，其中的聲傳播特性不同，同時(shí)本專利針對(duì)宏觀裂紋進(jìn)行檢測(cè)（尺度在毫米量級(jí)以上），無(wú)法檢測(cè)肉眼不可見(jiàn)的微裂紋，和在損傷形成的早期進(jìn)行結(jié)構(gòu)失效的提前預(yù)測(cè)。

中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枺?01010119536.7“金屬材料疲勞早期損傷非線性超聲在線檢測(cè)方法”，本發(fā)明未能解決針對(duì)管道這一類特殊結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)的問(wèn)題，也不能準(zhǔn)確地判斷裂紋聚集區(qū)域的尺寸及走向，同時(shí)在微裂紋聚集區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確的定位和成像上還有待提高。

發(fā)明內(nèi)容

1、發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題

針對(duì)目前工業(yè)上尚無(wú)針對(duì)管道微裂紋進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的方法，本發(fā)明提供了非線性超聲導(dǎo)波時(shí)間反轉(zhuǎn)檢測(cè)管道微裂紋聚集區(qū)域的方法，本發(fā)明將微裂紋與線性導(dǎo)波相互作用得到的非線性成分進(jìn)行時(shí)間反轉(zhuǎn)，并輸入到與待測(cè)樣品尺寸結(jié)構(gòu)相同的有限差分模型中進(jìn)行波動(dòng)模擬，進(jìn)而得到裂紋聚集區(qū)域的尺寸和位置。本方法可以應(yīng)用在工業(yè)上管道的無(wú)損檢測(cè)中，如風(fēng)塔、石油管道等。

2、技術(shù)方案

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：在管道外側(cè)表面環(huán)向等間隔激勵(lì)出軸對(duì)稱的超聲導(dǎo)波，在管道外側(cè)表面另一位置處環(huán)向等間隔接收超聲導(dǎo)波信號(hào)，將得到的信號(hào)濾波并只留下三次諧波，之后進(jìn)行時(shí)間反轉(zhuǎn)，建立與待測(cè)管道相同的數(shù)值的有限差分模型，將反轉(zhuǎn)的信號(hào)輸入模型并進(jìn)行時(shí)域有限差分計(jì)算，即可通過(guò)檢查波動(dòng)過(guò)程而獲知微裂紋聚集區(qū)域的具體信息如位置、尺寸和方向。

具體方法步驟如下：

（1）沿管道外側(cè)表面環(huán)向等間隔排列布置超聲換能器，利用環(huán)向等間隔分布的超聲換能器陣列激勵(lì)超聲導(dǎo)波，超聲換能器的數(shù)量為8個(gè)以上，每只超聲換能器施加同樣的窄帶超聲激勵(lì)，在管道外側(cè)表面激發(fā)出超聲導(dǎo)波，導(dǎo)波激勵(lì)頻率控制在縱振導(dǎo)波模式L(0,4)的截止頻率以下；

（2）在管的外側(cè)表面環(huán)向等間隔，設(shè)置接收點(diǎn)，接收點(diǎn)間距小于超聲波環(huán)向波長(zhǎng)的1/30，在每個(gè)接收點(diǎn)使用激光測(cè)振儀在管道外側(cè)表面進(jìn)行等間隔掃描，記錄每個(gè)掃描點(diǎn)上的導(dǎo)波信號(hào)，進(jìn)行導(dǎo)波信號(hào)采集，該采集過(guò)程只需選擇一個(gè)軸向位置進(jìn)行即可，無(wú)需進(jìn)行軸向掃描；