基于角谱法的管道导波成像检测研究

姜银方，陈凯歌，蒋俊俊，陈 波，严有琪

(1.江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江 212013;2.江苏省特种设备安全监督检验研究院 镇江分院，江苏 镇江 212009)

基于角谱法的管道导波成像检测研究

姜银方1，陈凯歌1，蒋俊俊1，陈 波1，严有琪2

(1.江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江 212013;2.江苏省特种设备安全监督检验研究院 镇江分院，江苏 镇江 212009)

管道缺陷的成像检测能够直观地得到缺陷的位置信息，便于对缺陷的形状和位置做出直观的评价。文中以超声导波理论为基础，结合角谱传播原理的声场成像理论，设计了管道导波成像算法，并通过试验数据对该方法进行了分析和可行性验证。结果表明，所用成像方法可以对管道缺陷进行成像检测，检测结果能够清晰地反应缺陷的周向位置和轴向位置，成像分辨率随着换能器的增多而增大。

管道检测；导波；角谱；傅里叶变换；缺陷成像

我国管道运输存在系统庞大、储运工艺复杂、线路长、管道沿线区域自然条件多样等特点，同时受到人类活动的影响，安全风险因素众多[1-2]。超声导波管道检测技术具有检测距离长、效率高的特点，适合里程距离长的管线检测[3-4]。目前关于导波检测管道缺陷的研究主要集中在：提取波形特征参数，采用神经网络算法对缺陷的位置和类型进行判断。关于管道导波成像检测的研究还处于起步阶段[5-7]。

国外在上世纪90年代开始对超声无损成像检测进行研究，国内关于这方面的研究则开始于20世纪末。Sicard[8]等提出合成孔径聚焦成像技术。J.Davies和P.Cawley[9-10]提出了管道导波快速成像检测方法。张海燕[11]、吴斌[12]等分别采用类兰姆波法和虚拟相控聚焦法对管道成像检测进行了研究。这些方法对检测设备的要求较高，难以用于实际检测。文献[13～14]采用共源法进行了管道成像检测，但并未对角谱理论进行详细介绍。本文结合现有的试验条件，将角谱理论应用于管道超声导波检测中，并对该方法进行了试验验证，得到了清晰的成像结果。

1 角谱法检测原理

管道导波传播过程中遇到缺陷时会发生模态转换，引起缺陷处声场发生变化。角谱法[15]通过换能器接收到的信号，对管道的声场进行重建，从而得到缺陷的位置信息。

管道一端的外径上均匀布置N个传感器，将管道外径均匀分成N+1份，用 表示传感器的位置，其中1号传感器θ=0°，以此类推，每个传感器代表不同的角度。每个传感器接收到的信号记为f(θ,z=0,t)，其中z为距离管道端面的距离，t为传播时间。将接收到的信号经过二维傅里叶变换后即可得到管道的角谱

(1)

式(1)表示管道端面处(z=0)的角谱，管道任意位置处的角谱可通过下式计算

(2)

导波激励的信号是具有一定带宽的，因此叠加带宽内的所有角谱，即为

(3)

式(3)中的M为积分带宽，一般积分带宽M为激励频率的2倍。将得到的所有带宽下的角谱F(n,z)进行二维傅里叶逆变换，即有

I(θ,z)=F-1[F(n,z)]

(4)

最后，通过Matlab软件中的Imagesc函数来绘制管道导波的成像图。

2 试验研究

2.1 试验系统

试验系统包括函数发生器AFG3011C、数字示波器LDS31010、前置放大器PAI、前置供电信号分离器、压电传感器阵列、管道及计算机。本文的试验对象为带凹槽缺陷的碳钢管道，管道长6.8 m，外径108 mm，壁厚5 mm。试验器材的连接如图1所示。

图1 试验系统示意图

在管道一端环形均匀布置两环规格为15 mm×4 mm×1 mm的PZT-5压电陶瓷片，陶瓷片沿管道外径切向布置，激励T(n,1)模态。每环16片，一环用作激励，另一环用作接收。试验激励汉宁窗调制的5周期的正弦函数，激励频率为60 kHz。压电陶瓷片的粘贴位置如图2(a)所示。

在管道3.6 m处施加通透槽缺陷，缺陷尺寸为周向弧长55 mm，宽3 mm。为了验证角谱法对缺陷的周向位置的定位准确性，将缺陷所在位置对应的3个压电陶瓷片的编号记为1、2、3号，之后的陶瓷片编号顺时针依次增加。即16个陶瓷片将管道外径进行均分，其中1号压电陶瓷片代表0°。加工的缺陷如图2(b)所示。

图2 试验管道的布置

2.2 试验结果及分析

2.2.1 信号采集

激励环的16组压电陶瓷片并联在一起同时激励导波信号。接收环16组压电陶瓷片同时进行数据采集，采集数据经过编号后分开保存，共采集16组信号。每组数据的编号与对应的压电陶瓷片的编号相同。如图3(a)所示管道为未加缺陷时的波形图，图3(b)所示为施加缺陷后其中一组压电陶瓷片采集的波形。从图3(b)可以看出，在2.2 ms时出现缺陷回波，计算得导波的速度为3 314 m/s，这与理论得到的 模态的导波速度相同。

图3 接收的波形信号

2.2.2 角谱分析

将得到的数据经过小波降噪后带入式(1)，可得到管道端面处的角谱图。如图4所示，图4(a)为无缺陷时管道端面的角谱F(n,z=0,w)，n与T(n,1)模态簇中各模态的周向阶数n对应。图中幅值坐标轴表示不同周向阶数的导波的幅值，周向阶数为0时的幅值最大，因此无缺陷管道中T(n,1)模态仍然占据主要比重，其它模态的产生可能是由于管道端面和管道内部的应力以及杂波造成的。图4(b)为含缺陷管道端面的角谱图，图中由于缺陷的存在，使得管道中导波的成分复杂，这是由于缺陷处导波发生模态转换造成的。因此通过角谱法可以重建管道导波的声场，为管道成像检测奠定了基础。

图4 管道端面处的角谱

2.2.3 成像处理

式(3)中，在积分带宽M内叠加管道任意位置处的角谱F(n,z,w)。试验激励导波频率为60 kHz，积分带宽为激励频率的两倍，因此M取为1～120 kHz。最后将叠加后的角谱经过二维傅里叶反变换即可得到导波成像图。图5为1～120 kHz频带内叠加后，经过二维傅里叶反变换后得到的成像图。图中椭圆标注处为缺陷位置，横坐标表示缺陷的轴向位置，纵坐标表示周向位置。由于图像的颜色深度是由对应点的幅值高度决定的，而激励波的幅值相对于缺陷波来说太大，因此加入激励波时会使缺陷位置颜色太浅，为了方便观察，图中删去了激励波。如图5所示，缺陷距离端面的轴向距离约为3.6 m，这与实际相符。

图5 管道缺陷的成像图

图中缺陷的周向尺寸张角为-90°～0°。在实际中，55 mm的缺陷弧长在外径为108 mm的管道上占据的周向角度为-58°～0°，因此图5中的周向位置仍有一定误差。由试验情况可知，管道的外径共布置了16组压电陶瓷片，因此每片压电陶瓷片所代表的角度为360°/16=22.5°，即图像中纵轴每个色块代表22.5°，而缺陷的周向角度为58°，因此对缺陷的周向尺寸描述不够准确。随着压电陶瓷片的增加，缺陷的周向定位精度会越来越准确。综上所述，使用角谱理论可以对实际管道进行成像，根据所得图像可以快速准确的对缺陷进行定位。

3 结束语

通过角谱法对管道导波成像进行了研究，成功完成了对管道的成像检测，主要结论如下：(1)通过试验对比含缺陷管道和不含缺陷管道的角谱，表明角谱法可以对管道中导波的声场进行重建，描述管道中导波发生的模态转换现象；(2)利用角谱传播原理的声场成像理论，可以快速地对管道缺陷进行成像，图像可准确反映缺陷的位置信息；(3)本次试验结果中周向位置的成像分辨率较小，这与传感器的个数有关。随着管道圆周方向布置的传感器个数的增加，图像的周向定位精度也将有所提高。

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Research on Pipe Guided Wave Imaging Detection Based on Angular Spectrum

JIANG Yinfang1, CHEN Kaige1, JIANG Junjun1, CHEN Bo1, YAN Youqi2

(1.School of Mechanical Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China；2. Jiangsu Province Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute,Zhenjiang 212009,China)

The imaging detection of pipeline can visually obtain the position information of defects, which makes it easy to make a visual evaluation of the shape and position of defects. Based on the theory of ultrasonic guided wave, this paper designed a pipeline imaging algorithm combined with the theory of angular spectrum propagation, and analyzed its feasibility by experimental data. The result shows that the imaging method can be used to detect the pipeline, and its result can clearly reflect the circumferential and axial position of the defects.

pipeline inspection；guided wave；angular spectrum；fourier transform；defect imaging

2017- 02- 16

江苏省质量技术监督局科技项目 (KJ155419)

姜银方(1962-)，男，教授。研究方向：表面工程技术等。陈凯歌(1991-)，男，硕士研究生。研究方向：超声导波技术在管道无损检测的应用。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.12.022

TN814；TP391.41

A

1007-7820(2017)12-083-04