超聲導波檢測技術的研究進展

1、綜述ND T無損檢測超聲導波檢測技術的研究進展周正干,馮海偉(北京航空航天大學機械工程及自動化學院,北京100083摘要:綜述近年來超聲導波檢測研究的最新進展。介紹導波在不同材料和結構中的頻散特性及與之相關的理論成果。從導波的結構出發(fā),分析了導波在介質中能量與位移的分布。論述了導波檢測技術領域中數(shù)值分析方法和信號處理方面的一些新技術。關鍵詞:超聲檢測;導波;頻散特性;有限元;邊界元;信號處理中圖分類號:T G115.28文獻標識碼:A文章編號:100026656(2006022*Progress in R esearch of U ltrasonic G uided W ave T estin

2、g T echniqueZH OU Zheng2gan,FENG H ai2w ei(School of Mechanical Engineering and Automation,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing100083,China Abstract:The recent advances in ultrasonic guided wave testing technique are summarized.Firstly,the disperse characteristics and the relat

3、ed theoretical results of the guided waves in different materials and distinct structures are introduced.Then,based on the structure of the guided waves,the distribution of the energy and displacement of guided waves is analyzed.Lastly,some new techniques of numerical analysis and signal processing

4、for guided wave nondestructive testing are described.K eyw ords:Ultrasonic testing;Guided wave;Disperse characteristic;Finite element;Boundary element;Signal processing相對于傳統(tǒng)的超聲波檢測技術,超聲導波具有傳播距離遠、速度快的特點,因此,在大型構件(如在役管道和復合材料板殼的無損檢測中有良好的應用前景。但目前,導波的一些機理和特性仍然不很清楚,導波的理論研究成為近年來無損檢測界的熱點。隨著理論研究的深入,產(chǎn)生了很多有關導波的新

5、技術,促使其應用于更廣泛的領域。1導波的分類導波是由于聲波在介質中的不連續(xù)交界面間產(chǎn)生多次往復反射,并進一步產(chǎn)生復雜的干涉和幾何彌散而形成的。主要分為圓柱體中的導波以及板中的SH波、SV波、蘭姆波(Lamb和漏蘭姆波1等。根據(jù)Silk和Bainton的理論2,圓柱體中的導波分為軸對稱縱向模式L(0,m(m=1,2,3,收稿日期:2005201213基金項目:國家自然科學基金資助項目(50475006。軸對稱扭轉模式T(0,m(m=1,2,3,。非軸對稱彎曲模式F(n,m(n,m=1,2, 3,。各模式中整數(shù)m是計數(shù)變量,反映該模式在管壁厚方向上的振動形態(tài);整數(shù)n反映該模式繞管壁螺旋式傳播形態(tài)。

6、其中,L(0,m和T(0,m模式是F(n,m模式中n=0的特例。雖然上述定義已被廣泛接受,但是針對某些具體問題,研究人員也提出了不同的導波分類方法,以利于分析在具體問題中表現(xiàn)出來相似特征的導波模式。如Vogt T等3在研究部分埋地圓柱體結構中的導波散射問題時提出了單一(v,n模式,其中v 1對應原彎曲模式;v=0對應原縱波和扭轉模式。兩種模式用計數(shù)變量n區(qū)別。兩種定義方式的模式,(0,1對應L(0,1,(0,2對應T(0,1,(0,3對應L(0,2,(0,4對應T(0,2等。2頻散特性與頻散方程頻散是導波的主要特性之一,即導波的相速度隨著頻率的不同而不同。頻散特性是導波應用于復合材料無損檢測的

7、主要依據(jù)。對導波頻散特性的研究是深入研究導波本質的重要方面。導波的頻散方程反映了導波的頻散特性。2.1波導材料導波在介質中的傳播特性與介質特性有很大關系。目前的研究已經(jīng)不僅僅局限于導波在各向同性彈性介質中的傳播特性,還涉及到各向異性和具有黏彈性的材料。由廣義虎克定律可知,固體媒質的彈性性質可以由36個彈性系數(shù)C ij(i,j=16表示。具有對稱性的介質,相應的彈性系數(shù)減少。對于各向同性固體,彈性系數(shù)的值只有拉密常數(shù)和不為零。對于各向同性的材料,其相速度面是球面,而對于各向異性的材料,其相速度面是非球面4。Lowe MJ S 等5在對航空碳纖維蒙皮板進行檢測時發(fā)現(xiàn),導波在各向異性材料中傳播時,其

8、頻散方程為F(s,s,=0(1式中s慢度矢量(群速度的倒數(shù)s衰減矢量相位的方向角頻率對各向異性材料,導波頻散方程的解需在四維空間內獲得;對于各向同性材料,則只需要考慮s和。但是,無論是何種材料,如果波源為有限區(qū)域,導波的能量速度矢量通常指向材料的慢度面。導波在彈性材料中傳播時通常無需考慮衰減。而許多現(xiàn)代人造材料(聚合物和復合材料都屬于黏彈性材料,導波在其中的衰減是當前研究的一個熱點。目前研究黏彈性材料的模型包括Maxwell和Kelvin2Voight模型4。對于黏彈性材料而言,其彈性模量是復數(shù),實部代表儲能能力,虛部代表耗能能力。就黏彈性層中傳播的導波來說,其波數(shù)也是復數(shù)6,實部用來表征波的

9、傳播,虛部用來表征波的衰減。彈性層中傳播的導波的波數(shù)值是實數(shù)。2.2多層結構建立導波在多層結構中的頻散方程的方法通常是,先求出導波在單層中的位移和應力表達式,然后設定層與層交界面上相應的位移和應力連續(xù),即分別在相鄰兩層表面處得到的位移和應力值相等。目前,求解導波在多層結構中的頻散方程主要采用傳遞矩陣法和全局矩陣法4。傳遞矩陣法的基本思想是消去中間層引入的所有未知量,問題的解用外邊界條件形式表示,它在頻厚積較大的情況下會造成數(shù)值解的不穩(wěn)定。全局矩陣法可以解決任何頻厚積范圍的情況,其求解速度比傳遞矩陣法快,但涉及到求解高階行列式的問題。Lowe MJ S7利用傳遞矩陣法建立了蘭姆波在多層平板中的頻

10、散方程。J ames Barshinger等8使用全局矩陣法推導出導波在多層圓柱體中的頻散方程。Ro se JL等4在飛機機翼結冰的檢測中,研究了不同厚度冰層和鋁層的多層模型,其研究工作表明,對于一個劣化模型,其頻散曲線比完好連接模型的頻散曲線向左偏移。在國內,同濟大學他得安等9研究了復合管中縱波模式的頻散特性。杜光升等10利用柱狀分層結構中軸對稱聲導波的波動方程和界面彈簧模型,導出了具有弱界面雙層復合結構中軸對稱聲導波的廣義頻散方程。中南大學楊天春等11利用傳遞矩陣法研究了三層各向同性層狀彈性固體介質中瑞利波頻散曲線及自由表面的位移強度,說明了各頻散曲線之間是互不相交的,指出了存在低速軟弱夾

11、層時的頻散曲線特征,論證了之字形頻散曲線的形成機理。2.3邊界問題邊界問題是指導波的傳輸介質是處于自由邊界還是在其周圍有液體,后一種情況會造成導波的衰減。Aristegui C等12研究了導波在管道內外表面都是空氣、內部是空氣外部是液體、內外部都是液體以及內部是液體外部是空氣四種情況下的頻散特性,他們將粘性液體等效成能傳播體積縱波和切變波的固體,并將衰減分別考慮成由等效縱波和切變波造成的。Yang CH等13研究了壓電板浸在導電液體中的漏蘭姆波(LL W情況。他們利用平板部分波理論,研究發(fā)現(xiàn)不同的導電液體具有不同的傳導率,隨著導電液體傳導率的改變,LL W模式發(fā)生了平移。在國內,他得安等14研

12、究了縱波模式在充液管道中的頻散特性、位移以及能量分布。需要指出的是,根據(jù)Rose JL的理論4,對于任意一個N層結構(不論材料是彈性、黏彈性、各向異性還是各向同性,可以通過全局矩陣方法建立的頻散方程為A11A12A1(4NA21A22A2(4NA(4N1A(4N2A(4N(4N= (2方程中左邊的各元素由給定層的拉密常數(shù)、厚度、頻率和波數(shù)等決定。如果某層是液體,可以刪除相應的行和列。2.4頻散方程的數(shù)值計算頻散方程的求解過程相當復雜,需要求解Bes2 sel方程。對于圓柱體,解的形式必須采用第三類Bessel函數(shù)(即Hankel函數(shù)15。Barshinger J N16對含有黏彈性層的多層圓柱

13、體進行了研究。對彈性層求解時使用二分法;對黏彈性層而言,首先不考慮導波的衰減,選取彈性層的解為初始值,沿著相速度和衰減的兩個方向使得頻散方程得到最小值,從而獲得頻散方程的解。南京理工大學尹曉春17在研究了多層厚壁圓筒的頻率方程后,指出若干層互相接觸的圓筒的整體頻率方程可以用單個厚壁圓筒的頻率方程來代替,并求出了一類Bessel函數(shù)的推導公式。中國礦業(yè)大學楊公訓18研究了復宗量修正的Bessel函數(shù),推導出任意階數(shù)下的復宗量修正Bessel函數(shù)的遞推公式。由于頻散方程數(shù)值計算的復雜性以及Bessel 函數(shù)不穩(wěn)定性,研究人員也在尋找一些近似的方法使問題簡化。Niklasson A Jonas等19

14、在研究各向同性的平板上覆蓋有各向異性材料的情況時,采用有效邊界技術(BCs建立了近似頻散方程,它比全局矩陣法得到的方程要小得多,節(jié)約了計算量。BCs是把作用在覆蓋層上的牽引力延伸到整個覆蓋層的厚度處,建立近似頻散方程時利用了覆蓋層的邊界、交界面的條件以及運動方程。2.5商業(yè)化軟件目前在導波技術領域有兩個應用很廣的商業(yè)可視化軟件,即Lowe等開發(fā)的Disperse和Rose JL 等開發(fā)的ZANL Y。這些軟件可以仿真導波在平板或圓柱體等規(guī)則形體中傳播時的頻散和衰減曲線,同時可以模擬這些情況下的介質在不同方向的位移、應力、應變和能量的分布。3導波的位移、能量和波包Rose JL20指出,選擇用于

15、無損檢測的導波模式應考慮導波的頻散特性以及波的結構2面內位移、面外位移以及隨著結構厚度變化的應力變化。不同的波結構影響入射的能量和對缺陷的敏感程度。如圓管中傳播的導波,其位移的軸向分量對探測圓周向開口裂紋的靈敏度很高;管道內外表面徑向位移的大小決定了能量泄漏量,能量泄漏多的導波傳播距離短。導波的能量和波包形狀也是選擇導波模式的兩個重要因素,衡量的標準是導波的能量泄漏少、傳播距離遠以及隨距離增加波包變化小。3.1導波的位移研究導波在不同結構中的位移分布時,通常選取不同的坐標系。在平板中采用普通三維坐標,而對于圓柱體則采用柱面坐標(坐標方向是沿軸向、徑向和圓周向。國內外學者深入研究了導波位移場的分

16、布情況4,15,利用上述軟件也可得到多種材料中導波位移分布的理論值。他得安等9對復合層管狀結構中導波位移分布情況的研究表明,各種縱向導波模式的徑向和軸向位移在管內壁上的值較大,在管壁中間和外壁上的值較小;當頻厚積增大到某特定值后,管壁中間和管外壁上的徑向和軸向位移都近似為零,該特定值隨模式階次的提高而增加。3.2導波的能量導波能量的研究主要集中在能量的傳播、分布和泄漏。對于彈性介質,一般認為導波的群速度就是能量的傳播速度;對于黏彈性材料,Bernarda A 等21指出,導波能量的傳播速度不能按照脈沖或者波包的速度(即簡單的群速度來計算?；赑oynting能量矢量合成的方法,他們推導出了在各

17、向異性材料中導波能量傳播速度的表達式,即V e(y=PE(3式中PPoynting矢量E系統(tǒng)中的總能量(動能和勢能在能量的分布方面,Quarry MJ22提出了板內能量的計算公式,即P i=Re-12BV i T iz d x(4式中P i第i階模式導波所帶的能量V i第i階模式的能量速度矢量T i第i階模式的應變張量x導波的傳播方向B多層板的總厚度z每一層的厚度中南大學張碧清23等研究了多層彈性固體結構在三維方向上的能量分布,分析了三層結構中間層的切變波速度在不同范圍時各層能量分布的變化。從理論和數(shù)值分析的角度研究了沿著多層結構傳播的導波的平均能流和能量密度,論證了只有當傳播的距離遠遠大于波

18、長的時候,總能量的平均速度才等于導波的群速度,平均能流密度的速度與深度和最底層的相速度相等。Chong Myoung Lee 等24指出導波能量在平板之間的環(huán)氧層會有較大的損失,而且隨著導波模式的不同,損失的程度也不一樣。Michel Castaings等25研究了內部衰減很大的彈性橡膠覆蓋在彈性板上的情況,認為能量可以從板泄漏到彈性橡膠中去,指出衰減與交界面的壓縮力有關。研究導波的能量主要還是為了選擇用于無損檢測的導波模式。很多研究人員基于導波能量提出了一些選擇導波模式的參數(shù)。Chong Myoung Lee 等24采用的是板內能量。他得安等26利用總能量密度參數(shù)研究了在管道中傳播的縱波模式

19、,說明總能量密度也可以用來選擇最佳的導波模式。Rot h DJ等27研究陶瓷基復合材料中缺陷時,回波信號處理選用的主要參數(shù)是時域中的能量譜密度(PSD。3.3傳播距離對導波波包的影響導波的頻散程度決定了信號波包的峰值幅度隨著傳播距離的增加而減小的快慢,頻散嚴重就會導致信噪比的降低。Wilcox P等28研究了導波的傳播距離對導波波包的影響,結果表明,波包寬度隨著傳播距離線性增加,通過選擇合適的入射信號可以使波包的寬度最小。他們也建立了一個相關參數(shù)最小可分辨距離(MRD,以比較不同入射信號的分辨率。他得安等29研究了導波在單層管道中的傳播距離和較低階縱波模式波包幅度的關系,指出對于不同的檢測距離

20、和內徑2壁厚比的管道,應采用不同的導波模式和激發(fā)脈沖頻率。4導波在特殊形體中的傳播實際被檢工件并不都是規(guī)則的平板、棒或圓柱體,因此,研究導波在一些特殊形體中的傳播也具有很重要的現(xiàn)實意義。一般來說,對于由規(guī)則和不規(guī)則形體組成的復雜結構而言,導波在其規(guī)則部分中的傳播特性和在單一規(guī)則結構中的傳播特性是一樣的,研究只需考慮復雜結構中的不規(guī)則部分。由于對導波在規(guī)則形體中的傳播特性研究得較多,國內外學者都將更多精力投入到不規(guī)則形體中導波的傳播特性研究中。杜光升等30研究了腔內為流體的柱狀多孔介質結構中的聲導波,基于Biot多孔聲學理論(認為存在快慢兩種縱波導出了在這種情況下的廣義色散曲線,并數(shù)值計算了軸對

21、稱和非軸對稱聲導波的色散特性。田光春等31利用混合邊界元模型計算了臺階型散射區(qū)域的反射系數(shù)和透射系數(shù)與各種入射模式、入射頻率以及臺階高度變化的關系,研究了在單一模式入射時導波與散射體的相互關系。Demma A等32用有限元法研究了彎曲管道的頻散特性;Christop he Aristegui等33研究了管道彎曲處導波的反射和模式轉換。5數(shù)值分析和信號處理技術目前,超聲導波技術研究最主要的部分集中在數(shù)值分析和信號處理技術上。用數(shù)值模擬的方法可以模擬不同的導波模式,并研究其特性,這對設計研究導波特性的試驗具有指導意義,可以大大減少試驗的盲目性和工作量;利用數(shù)值模擬技術還可以研究導波模式與不同種類缺

22、陷的相互作用,即研究不同的導波模式在不同缺陷處的散射問題,主要包括導波在缺陷處的反射和折射系數(shù)以及在缺陷處的位移和能量的變化。由于導波在邊界和缺陷處產(chǎn)生的回波信號非常復雜,導致產(chǎn)生多種模式的導波以及噪聲,因此,采用合理的信號處理技術分離出有用的信號,提高信噪比就顯得十分重要。5.1數(shù)值分析方法目前國際上通常采用有限元法和邊界元法解決導波散射問題。英國帝國理工學院機械工程系的超聲無損檢測研究小組主要使用有限元法,美國賓西法尼亞大學工程科學和力學系的科研工作者對邊界元法作了比較深入的研究。有限元法首先對位移矢量形式的運動學方程用加權余量法表示,接著將研究區(qū)域離散得到每個單元的運動方程,最后將所有單

23、元的運動學方程集合成全局運動方程;邊界元法是將位移矢量形式的運動學方程用加權余量法得到邊界積分方程,將邊界劃分成若干單元,用這些單元將邊界積分方程離散,最終得到一個表征結點上位移和應力的矩陣方程。Alleyne DN等34在研究Lamb波與各種深度、寬度以及不同方向刻痕的作用時采用了純時域的有限元法。Lowe MJ S等35用有限元法對管道中的缺陷建立了幾種模式的反射函數(shù),以得到缺陷對導波的敏感程度和導波的強度,同時指出L(0,2模式導波的反射系數(shù)近似是刻痕圓周尺度的線性函數(shù),而反射系數(shù)與缺陷深度也近似呈線性關系。Rose JL等36在研究導波在板材中的反射和透射時,利用邊界元法對板材表面缺陷

24、的形狀進行了分類。在研究導波無損檢測時,有時單純使用有限元法或邊界元法并不非常完善。有限元法雖對介質的性質沒有特別要求,可處理各向同性和非均勻的各向異性材料,但要求研究區(qū)域是有界的,而且處理起來較麻煩。相對于有限元法,邊界元法具有維數(shù)減少、需要更少的計算時間和存儲空間、容易管理面積更大的區(qū)域以及可以對更多的目標值進行計算的優(yōu)點,但要求材料是均勻的。運用上述兩種基本方法和其它一些技術的結合,產(chǎn)生了多種混合方法,其中被廣泛使用的是簡正模態(tài)展開法。該方法最早由Auld提出,可用于波場的分析和合成,但其要求導波模式必須完備且必須正交(嚴格意義上講是雙正交,即在粒子的速度場和應力場內都應正交。Chang

25、 Z等37在研究導波在平板鉚釘洞和裂紋處的散射時,使用了混合頻域有限元法和簡正模態(tài)展開法進行分析,并用快速傅里葉反變換得到時域的散射聲場。Karim MR等38在研究Lamb波在平板中裂紋處散射時使用了混合有限元法和簡正模態(tài)展開法。Cho Y等39用邊界元和簡正模態(tài)展開法的混合技術研究平板邊界處的Lamb波模式轉換以及Lamb波與表面開口缺陷的相互作用,在研究Lamb波在平板中任意形狀三維缺陷處的散射也得到比較理想的結果40,41。在國內,王路根等42綜合利用邊界元法和傳遞矩陣法研究了板中缺陷對彈性波的散射問題,結果表明,該方法比無限介質中的Green函數(shù)法能更容易地計算出Lamb波各模式的反

26、射和透射系數(shù)。他得安等43也提出了用有限元和邊界元相結合的方法研究不同區(qū)域的缺陷。除目前這些數(shù)值計算方法外,導波研究人員還根據(jù)具體問題提出了針對性更強的技術。Tobias Lentenegger等44在檢測圓柱體中缺陷時,采用了時間反轉數(shù)值模擬(TRNS方法和三維有限差分方法。Takahiro Hayashi等45利用半分析有限元方法研究了聚焦技術在導波傳播中的應用。Mukdadi OM等46在研究超聲導波在各向異性雙層平板中的瞬時情況時,也采用了半分析有限元方法,該方法是把平板中的位移u(x,y,z,t分解成N(y,zu e(x,t,即u(x,y,z,t=N(y,zu e(x,t(5式中u(x,y,z,t點(x,y,z在t