鋁材管道管壁厚度對激光超聲信號影響的探究

王貴鑫，嚴 剛，關建飛

鋁材管道管壁厚度對激光超聲信號影響的探究

王貴鑫，嚴 剛*，關建飛

（南京郵電大學光電工程學院，南京210023）

為了探究管壁厚度對超聲信號的產生與探測的影響，采用有限元法建立了理想化的管道模型，分別探究均勻管壁厚度變化和激發源處、接收端處及傳播路徑上等畸變管壁厚度的變化對超聲信號產生的影響。結果表明，當接收端處管壁厚度較薄時，無法探測到可分辨的瑞利波信號；傳播路徑上管壁厚度變小到一定程度后，高頻成分會出現明顯的衰減，但隨著厚度的增大又會在一定程度內恢復。這一結果對激光超聲在柱狀、管狀材料的無損檢測中的進一步應用提供了有益的補充。

激光技術；激光超聲；有限元法；無損檢測

引 言

管道在制造、儲藏運輸、焊接及長期的使用過程中，不可避免地會形成銹跡、焊渣、防銹劑、泥沙等雜質的沉積，對于一些永久性的設施，如供水管道、輸油管道、輸氣管道等，經過長期的使用甚至還可能出現比較嚴重的腐蝕，因此對于管道的檢測就顯得十分重要。參考文獻［1］～參考文獻［3］中對柱狀材料進行了相關的數值模擬，并采用雙積分變換法計算了激光在圓柱體中激發的柱面表面波波形。參考文獻［4］中給出了有限元中網格大小的劃分，對時間步長的選取作了科學的論證。DONG等人［5］提出了基于光熱調制的激光聲表面波檢測疲勞裂紋的實驗系統和方法，并將其用于發動機葉片疲勞裂紋的檢測。FENG等人［6］分析了超聲位移場隨時間變化的特征。LIU等人［7］采用有限元法模擬了鋁狀板材中聲表面波的激發過程，為改善激光超聲檢測中聲表面波的信噪比提供了一定的理論依據。

近年來，研究人員致力于將激光超聲技術應用于管道材料的相關研究，這使得管道材料中激光超聲的激發、傳播及缺陷對超聲信號的調制等問題成了急需解決的熱點問題。CAO等人［8］采用環狀激光源研究了鋁管內部溫度分布。參考文獻［9］中采用激光超聲技術檢測了鐵及鋁圓柱表面的裂縫，討論了圓柱表面激光瑞利波與缺陷的相互作用。ZHAO和HE等人［10-11］研究了柱狀和管狀材料中超聲波的激光激勵及其傳播的有限元模型及算法，從理論及實驗方面研究了柱狀和管狀材料中激光激勵超聲波的傳播特性，及其在復雜結構材料的無損檢測領域的應用。然而目前的研究大多集中于規則管道，而對于生活中由于腐蝕等因素引起的不規則管道的相關研究則鮮見于報道。因此，本文中結合有限元法的優勢，研究薄管及不規則管道中瑞利波的激光激發和傳播過程。

作者主要對一些特殊情況的管道進行理想化的模擬處理，以期找到一些通用的規律，為管道超聲無損檢測提供必要的支持。

1 鋁質偏心管道有限元模型

本文中在對均勻管道探究的基礎上，建立非均勻管道的理想化模型，對實際情況進行簡化處理。具體模型如圖1所示，其中圖1a是均勻管道模型，圖1b～圖1d分別是3種不同的非均勻模型。圖1b對應的激發源處厚度適中，但是在超聲信號的傳播路徑上出現了厚度的畸變，主要是為了探究傳播路徑上管壁厚度的畸變對超聲信號的影響；圖1c對應的是激發源管壁厚度比較薄的情況，主要是為了探究激發源管壁厚度的變化對超聲信號的相應影響；圖1d對應的是探測角處比較薄的情況，主要是為了探究在管壁畸變處探測超聲信號時可能受到的影響。作者在對圖1a和圖1c對應模型的分析基礎上，重點對圖1b和圖1d對應的模型進行了探究分析。α表示信號探測角，其中x軸處表示0°探測角，R2表示管道外徑，R1表示管道內徑。

Fig.1 The excitationmodel of uniform and non-uniform cylinder（detection angleα）

在本文中的3個非均勻模型中，考慮到結果的精度及運算時間的雙重因素，將模型分為兩個部分，采取不同的網格劃分密度，即在激光直接作用區域采用高密度的網格，在激光不能直接作用的區域采用較低密度的網格。當模型外徑為10mm時，1°的圓心角對應的弧長約為174μm，同時考慮到采用的激光線源的半寬為100μm，為保證加密區充分涵蓋熱作用區，故對探測角度數在－2°～2°的扇形區域內采用細網格，單元邊長選為20μm，在模型的其它區域采用較粗網格，單元邊長選為40μm。

2 缺陷管道中超聲波的傳播規律分析

考慮到模型的可對比性，首先分別對圖1a～圖1d進行對比分析，即以圖1a為參照模型，在此基礎上將模型中的內圓沿x軸正方向偏離一定單位形成模型（見圖1c），將模型中的內圓沿x軸負方向偏離一定單位形成模型1（見圖1d），這種情形下的圖1a、圖1c和圖1d為一組對比模型。由于對圖中每個模型都有一系列的數值模擬分析，為了便于區分和對比，對具體的模型采用如下兩種命名方式：（1）α（R1，R2），這是對均勻管道模型的命名；（2）α（ecXmmβ（R1，R2）），這是對偏心管道的命名規則，其中α表示信號探測角，ec表示是偏心模型，X表示偏心位移量（單位是mm），β表示偏心方向（取值分別為0°，90°和180°，分別表示沿x軸正方向、y軸正方向、x軸負方向偏移）。

Fig.2 The ultrasonic signal of the uniform and non-uniform model（60°，180°，R2＝10mm，R1＝8mm）

圖2是分別對應如圖1a、圖1c和圖1d 3種模型在60°和180°探測角處探測到的對比波形。圖2a中的曲線1和圖2b中的曲線2對應的模型是內徑為8mm、外徑為10mm的正常圓管。圖2a中的曲線3和圖2b中的曲線4是在圖2a中的曲線1對應模型的基礎上，將內圓沿x軸正方向偏離1.5mm后得到的模型，這種模型下，激發源中心處的厚度為0.5mm（厚度＝壁厚－偏移量）。而圖2a中的曲線5和圖2b中的曲線6則是將內圓沿x軸負方向偏離1.5mm后得到的模型，這種模型下激發源處的厚度為3.5mm（厚度＝壁厚＋偏移量）。圖3是分別與圖2對應的頻譜分析圖。從圖2a中的曲線1、曲線3、曲線5和圖2b中的曲線2、曲線4、曲線6可以看出，在同一探測角處探測到的波形也表現出比較大的差異。從超聲波形上看，圖2a中的曲線1、曲線5上表現出明顯的瑞利波信號，圖2a中的曲線3則表現出蘭姆波的特征，而圖3中相應的頻譜圖也反映出了這一點。從管壁厚度來看，圖2a中的曲線1、曲線5從激發源到60°探測角的區域的厚度均大于等于2mm，而且圖2a中的曲線5的局部厚度甚至達到3.5mm，它所表現出的超聲信號也與在相同厚度的圓管中同探測角下測得的信號一致。從圖2b中的曲線4、曲線6可以看出，在兩種偏心模式下，對心處接收到波形似乎是一致的，但是從圖3b中的曲線4、曲線6可以看出兩者之間明顯的差異，圖2b中的曲線4其高頻信號明顯增多，而且成分更加復雜。兩種偏心模型下的波形與正常圓管中測得的波形也是不同的，主要表現是出現蘭姆波的特征和極性的反轉。

圖3a中曲線1低頻部分的幾個峰值分別為0.333MHz，1.33MHz，2.33MHz和2.66MHz；曲線3低頻部分的幾個峰值分別為0.286MHz，0.573MHz，0.860MHz和1.147MHz。從這幾組數據可以看出，超聲信號的頻率明顯下降，而且相對比較集中，從圖3a中可以看出，曲線3的高頻部分幾乎消失。這說明較薄的管壁能夠影響高頻信號的產生。圖3a中曲線5低頻部分的幾個峰值為1.31MHz，1.75MHz，2.19MHz和2.63MHz。這是在激發源較厚處得到的信號頻率，與之前的兩組數據對比可以看出，頻率值明顯比曲線3中的要高，而與曲線1相比也有所區別，但幅值范圍基本一致。

Fig.3 The spectrum of the ultrasonic signal of the uniform and non-uniform model（60°，180°，R2＝10mm，R1＝8mm）

圖3b中曲線2的最小幾個峰值分別為0.333MHz，1.667MHz，2.001MHz和2.335MHz，而曲線4最小的幾個峰值分別為0.238MHz，0.357MHz，0.476MHz，0.595MHz，0.714MHz，0.833MHz，0.952MHz和1.071MHz。圖3b中曲線4對應的模型是在薄處激發、厚處接收的，但從頻率上來看，超聲信號的頻率并沒有恢復到正常值，這就是說激發源對超聲信號的影響是不可逆的。曲線6得到的頻率值與曲線2得到的值相比只有微小的差別，這說明當激發源處的厚度滿足一定條件時，接收端處的畸變只是對信號的幅度有一定的影響，而基本不會改變信號的頻率，即不會影響信號的成分。

在實際的檢測中，也存在這樣一種情況，即在超聲信號的傳播路徑上也可能會遇到管壁畸變的情況，而這些畸變信息也很可能會對傳播中的超聲信號起到某種調制作用。針對這種情況，特建立如圖1b所示的原始模型，并以該模型為基礎，進行了幾組有限元仿真模擬。

圖4所對應模型的內徑為8mm，偏心幅度為1.5mm，這樣畸變管道最薄處只有0.5mm。為了能夠更加清晰地研究管壁畸變（由厚變薄）對超聲信號傳播的影響，從激發源處，分別沿順時針和逆時針兩個方向在對稱位置處探測超聲信號。圖4a中的曲線1、曲線2是在探測角分別為30°和330°處探測到的波形信號，從圖中可以看出：瑞利波信號的幅度及到達的時間基本一致，這說明兩個探測點到激發源的距離是相同的；而30°探測角處的超聲信號中，在瑞利波之后出現了很多小的峰值，而在330°處探測到的超聲信號中的則沒有相應的峰值，這些峰值很顯然是由管壁厚度的變化（變薄）引起的，其具體的成因則需要進一步地模擬探究分析。從圖4b中的曲線3可以看到一個很小的與曲線4中瑞利波信號極性相反的信號，從到達時間上來說，這個較弱的信號到達得要早一些，即速率要比曲線4中的要快一些。從圖4c中的曲線5和曲線6顯示的第1組波形信號（約出現在8.5μs處）來看：經過畸變管壁調制后的信號到達時間要早一些，即波速要快一些；而且就幅度而言，已與從較厚一側傳過來的信號相當，這說明在這種模式下，畸變信號有一定的恢復能力；未經畸變管壁調制的信號（見曲線6）仍然表現出強烈的色散現象，而經畸變管壁傳播而來的信號則沒有明顯的色散，而其具體的成分則有待于進一步的頻譜分析。

Fig.4 The ultrasonic waves of the eccentricmodel（offset1.5mm along the positive y-axis direction，R2＝10mm，R1＝8mm）

圖5是與圖4所對應的頻譜圖，圖5b中的曲線3、曲線4是在與激發源等距離的對稱位置處探測到的信號的頻譜分析圖，同樣可以看出，較薄管壁對超聲信號高頻部分有明顯的吸收作用。圖6為沿y軸正方向偏離1.1mm時的波形分析圖，圖7是與圖6對應的頻譜分析圖。圖7b中的曲線3、曲線4與圖5b中的曲線3、曲線4相同，都可以看到類似的情形。圖5a中的曲線1、曲線2與圖7a中的曲線1、曲線2都是對激發源附近探測到的信號的頻譜分析，可以看出較厚的一側（330°探測角處）比較薄一側信號的高頻部分要強一些。圖5c中的曲線5、曲線6與圖7c中的曲線5、曲線6都是對經過畸變管壁調制后的信號所做的頻譜分析，可以看出兩者的差別并不明顯，也就是說超聲信號穿過畸變管壁后得到了一定的恢復，也可以說畸變管壁對超聲信號的影響是可逆的。

Fig.5 The spectrum of the ultrasonic signal of the eccentricmodel（offset1.5mm along the positive y-axis direction，R2＝10mm，R1＝8mm）

圖6對應的模型與圖4對應的模型相比，唯一的區別就是偏移量有所不同，本模型中偏移量為1.1mm，這樣管壁最薄處只有0.9mm。選擇這樣一組偏移量是因為在之前的研究中發現瑞利波約在管壁厚度為0.9mm時出現突變。而將圖6中波形信號與圖4中相應的波形信號相比，確實表現出一定的差異性。首先對比沿順時針方向傳播的波形（見圖4和圖6中的曲線2、曲線4、曲線6，其都是從較厚的管壁一側傳播的），無論從到達時間還是振幅都無明顯不同，甚至色散部分都有一定的一致性。而再對比沿逆時針方向傳播的信號，則可以發現明顯的差異，即圖6對應的模型的偏移量比較小，但是產生的影響卻更大：圖6b中的曲線3的低頻信號明顯比圖4中的低頻信號強，甚至已經淹沒瑞利波信號（圖中約出現在5.3μs處）；圖6c中曲線6與圖4c中曲線6相比，經畸變管道調制的信號只是在部分上恢復，從信號強度來說，要弱得多。

Fig.6 The ultrasonic waves of the eccentricmodel（offset1.1mm along the positive y-axis direction，R2＝10mm，R1＝8mm）

對比圖7和圖5可以發現，兩者表現出極大的相似性：在兩種偏心厚度下，在90°探測角處都出現了較大的信號衰減，即同樣是高頻部分消失；但在150°探測角處探測到信號中又表現出一定程度的恢復，這一點從波形圖（見圖4和圖6）上可以更清晰地看到。

從圖4和圖5、圖6和圖7兩組圖中都可以看到，畸變管壁有一定的濾波作用，經過畸變管壁的超聲信號的頻率較高的部分有比較大的損失，在圖中的表現就是只有一個強的低頻信號，而且這種現象從圖4中相應的部分也可以清楚地看到。

Fig.7 The spectrum of the ultrasonic signal of the eccentricmodel（offset1.1mm along positive the y-axis direction，R2＝10mm，R1＝8mm）

3 結 論

建立了3種典型的漸變缺陷管道有限元模型，探究激發源處、接收端處和傳播路徑上一定范圍內漸變管壁對超聲信號產生及傳播的影響。其中，第1種漸變管道有限元模型（見圖1c）是為了探究激光源處管壁厚度的變化對超聲信號的產生與傳播的影響，第2種漸變管道模型（見圖1d）是為了探究接收端處管壁厚度變化對接收的超聲信號的影響，第3種漸變管道模型（見圖1b）則是為了探究超聲信號經過畸變管壁調制后可能存在的影響。

分析結果表明，在這種漸變模型下，激發源處管壁厚度的變化對超聲信號的產生有著特殊的影響，主要體現在：接收端處管壁厚度小于1mm時，接收到的信號（激發源處厚度大于2mm）會出現極性的翻轉，較高頻率的部分會被吸收，特別是當接收端管壁厚度為0.9mm或小于0.5mm時，絕大部分的信號都會被吸收掉；激發源處和接收端處的管壁厚度都大于2mm時，而在超聲信號的傳播路徑上管壁較薄（小于1mm）時，接收到信號與激發源處的信號相比，主信號沒有明顯的不同，但主信號附近的高頻成分會損失，體現在波形上就是主信號附近的色散有所減弱。

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Effect of wall thickness of alum inum pipes on laser-induced ultrasonic waves

WANGGuixin，YANGang，GUANJianfei
（College of Electronic Engineering，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210023，China）

In order to explore effect of wall thickness on the generation and detection of ultrasound signal，several idealized eccentric pipe models were established based on the finite element method.Effect of different uniform wallthickness and thickness change at the excitation source，detection point and the propagation path on ultrasonic signal was analyzed.The simulation results show that：when the wall is thinner，the Rayleigh waves cannot be detected；the wall thickness on the propagation path becomes small to some extent，the filtering effect will be so obvious that the highfrequency component is filtered out，butwill resume within a certain extent in the pipes with thicker wall.This work will provide a useful guidance for the further application of laser ultrasonic in cylinder nondestructive testing field.

laser technique；laser ultrasonic；finite elementmethod；nondestructive testing

TN249；O426.2

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.02.024

1001-3806（2014）02-0260-06

王貴鑫（1986-），男，碩士研究生，主要從事激光超聲的數值模擬研究。

*通訊聯系人。E-mail：yang＠njupt.edu.cn

2013-03-18；

2013-06-05