横波探头的检测特性和检测可行性分析

赵钰龙++于灏++高雨航++刘彭

摘 要：本文研究了横波探头在金属板中的激励特性，分析了500kHz下金属板典型导波模态的波结构图，得到了横波探头与板中典型导波模态关系，并通过数值仿真的方法进行分析。对横波探头在金属板中激励导波检测性给予了评价。

关键词：导波 横波 无损检测

中图分类号：TG1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）10（c）-0086-02

石油、天然气是极为重要的能源。用来存储、运输原油和燃气的大型石油、燃气储罐、管道在工业生产中应用广泛，有着不可替代的作用[1]。在长时间的服役中，受到所在地环境的影响以及其内部介质的冲刷容易产生腐蚀缺陷，进而导致结构失效产生泄漏危害生命财产安全。超声导波可以应用于大面积金属板材、管材的无损检测和健康状态评估，大幅提高效率的同时保障了生命财产安全。

1 导波概述

超声导波是利用超声波在媒介中的传播特性，使其在边界条件下不断散射而形成波阵面的一种特殊超声波。该技术适用于板、杆、管等典型结构的缺陷检测和健康状况评估，因其具有检测范围大、效率高、检测全面等诸多优点[2，3]，使得该技术受到国内外众多学者的关注。

2 横波探头

横波探头可在未转换折射波模式的情况下将横波直接射入到被测工件中。当横波探头放置于试件表面，横波探头可在垂直于检测试件表面方向激励出横波，此时横波探头偏振方向平行于试件表面。横波探头在板中的超声导波类型主要包括SH波、SV波、Lamb波（置于空气或真空中板内的 Lamb波，其能量在理论上不向板外扩散）和漏Lamb波（置于液体中板内的Lamb波）等。

3 板中波的模态

为了利用横波探头在金属板中激励典型导波模态，通过分析金属板中导波模态的波结构来确定横波探头的检测特性。分析铝板的频散方程可以在0Hz～2000kHz范围内有SH波与Lamb波。在此频率范围内SH波只存在SH0模态，并且SH0模态没有频散。在此频率范围内Lamb波存在S0模态与A0模态。

4 有限元仿真分析

利用ANSYS进行有限元分析的过程中需要模型设计、建模计算和信号处理三个步骤。在仿真超声波传播过程时，网格尺寸le与超声波的波长应满足式（1）：

（1）

式中：λmin为计算中的超声波中最小的波长。

为了测试传感器，将横波探头放置在铝板上作为激励源，频率为500kHz。将接收信号横波探头放置在以激励信号横波探头为圆心，半径300mm的1/4个圆周上，角度间隔为10°。为了验证其检测性，对传感器和待测板进行建模，板长2m，宽为2m，厚0.002m。缺陷是位于形心处直径为0.008m的通孔，传感器距其0.02m，以SH0模态对其进行检测。

5 信号处理

在进行有限元模拟仿真过程中传感器激励接收了各个方向的导波信号。各个模态的波，由于波速不同分散为各个波包。从0°逆时针围绕激励传感器移动接收传感器到90°的过程中，S0模态波包从无到有幅值逐渐增大，而SH0模态波包的幅值不断减小直至消失。

在对仿真信号进行处理的過程中，需要通过对各个波包的波速进行求解，并与相应导波模态的理论群速度进行对比。波速可以用距离差和其对应的时间差表示为式（2）：

（2）

激励信号为5周期，中心频率为500kHz，HANNING窗调制的音频信号。根据分析导波信号的基本原理和算法，可以计算出缺陷的具体位置：

有限元模型中，缺陷位于板的形心处，计算结果与实际缺陷位置的误差较小，证明了横波探头的检测性。

6 结语

首先对金属板中基于横波探头的导波激励特性进行研究，确定了横波探头偏振方向与在金属板中激励的典型导波模态传播方向的关系。其次通过模拟确定了该探头对板中缺陷的检测性，成功地发现了缺陷位置。

参考文献

[1] 臧铁军，藏天红.我国管道运输的发展概况[J].管道技术与设备，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，吴斌，范晋伟.超声柱面导波技术及其应用研究进展[J].力学进展，2001，31（2）：203-214.endprint