橫波探頭的檢測特性和檢測可行性分析

趙鈺龍++于灝++高雨航++劉彭

摘 要：本文研究了橫波探頭在金屬板中的激勵特性，分析了500kHz下金屬板典型導波模態的波結構圖，得到了橫波探頭與板中典型導波模態關系，并通過數值仿真的方法進行分析。對橫波探頭在金屬板中激勵導波檢測性給予了評價。

關鍵詞：導波 橫波 無損檢測

中圖分類號：TG1 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）10（c）-0086-02

石油、天然氣是極為重要的能源。用來存儲、運輸原油和燃氣的大型石油、燃氣儲罐、管道在工業生產中應用廣泛，有著不可替代的作用[1]。在長時間的服役中，受到所在地環境的影響以及其內部介質的沖刷容易產生腐蝕缺陷，進而導致結構失效產生泄漏危害生命財產安全。超聲導波可以應用于大面積金屬板材、管材的無損檢測和健康狀態評估，大幅提高效率的同時保障了生命財產安全。

1 導波概述

超聲導波是利用超聲波在媒介中的傳播特性，使其在邊界條件下不斷散射而形成波陣面的一種特殊超聲波。該技術適用于板、桿、管等典型結構的缺陷檢測和健康狀況評估，因其具有檢測范圍大、效率高、檢測全面等諸多優點[2，3]，使得該技術受到國內外眾多學者的關注。

2 橫波探頭

橫波探頭可在未轉換折射波模式的情況下將橫波直接射入到被測工件中。當橫波探頭放置于試件表面，橫波探頭可在垂直于檢測試件表面方向激勵出橫波，此時橫波探頭偏振方向平行于試件表面。橫波探頭在板中的超聲導波類型主要包括SH波、SV波、Lamb波（置于空氣或真空中板內的 Lamb波，其能量在理論上不向板外擴散）和漏Lamb波（置于液體中板內的Lamb波）等。

3 板中波的模態

為了利用橫波探頭在金屬板中激勵典型導波模態，通過分析金屬板中導波模態的波結構來確定橫波探頭的檢測特性。分析鋁板的頻散方程可以在0Hz～2000kHz范圍內有SH波與Lamb波。在此頻率范圍內SH波只存在SH0模態，并且SH0模態沒有頻散。在此頻率范圍內Lamb波存在S0模態與A0模態。

4 有限元仿真分析

利用ANSYS進行有限元分析的過程中需要模型設計、建模計算和信號處理三個步驟。在仿真超聲波傳播過程時，網格尺寸le與超聲波的波長應滿足式（1）：

（1）

式中：λmin為計算中的超聲波中最小的波長。

為了測試傳感器，將橫波探頭放置在鋁板上作為激勵源，頻率為500kHz。將接收信號橫波探頭放置在以激勵信號橫波探頭為圓心，半徑300mm的1/4個圓周上，角度間隔為10°。為了驗證其檢測性，對傳感器和待測板進行建模，板長2m，寬為2m，厚0.002m。缺陷是位于形心處直徑為0.008m的通孔，傳感器距其0.02m，以SH0模態對其進行檢測。

5 信號處理

在進行有限元模擬仿真過程中傳感器激勵接收了各個方向的導波信號。各個模態的波，由于波速不同分散為各個波包。從0°逆時針圍繞激勵傳感器移動接收傳感器到90°的過程中，S0模態波包從無到有幅值逐漸增大，而SH0模態波包的幅值不斷減小直至消失。

在對仿真信號進行處理的過程中，需要通過對各個波包的波速進行求解，并與相應導波模態的理論群速度進行對比。波速可以用距離差和其對應的時間差表示為式（2）：

（2）

激勵信號為5周期，中心頻率為500kHz，HANNING窗調制的音頻信號。根據分析導波信號的基本原理和算法，可以計算出缺陷的具體位置：

有限元模型中，缺陷位于板的形心處，計算結果與實際缺陷位置的誤差較小，證明了橫波探頭的檢測性。

6 結語

首先對金屬板中基于橫波探頭的導波激勵特性進行研究，確定了橫波探頭偏振方向與在金屬板中激勵的典型導波模態傳播方向的關系。其次通過模擬確定了該探頭對板中缺陷的檢測性，成功地發現了缺陷位置。

參考文獻

[1] 臧鐵軍，藏天紅.我國管道運輸的發展概況[J].管道技術與設備，1998（4）：1-4.

[2] ROSE J L.A baseline and vision of ultrasonic guided wave inspection potential[J].Journal of Pressure Vessel Technology，2002，124（3）：273-282.

[3] 何存富，吳斌，范晉偉.超聲柱面導波技術及其應用研究進展[J].力學進展，2001，31（2）：203-214.endprint