非金屬管道損傷的非線性超聲導波延時檢測定位方法

洪曉斌，馮進亨，林沛嵩，劉桂雄

(華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640)

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非金屬管道損傷的非線性超聲導波延時檢測定位方法

洪曉斌，馮進亨，林沛嵩，劉桂雄*

(華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640)

由于超聲導波難以準確檢測非金屬管道的早期損傷，本文提出了一種非線性超聲導波延時方法對非金屬管道結構損傷進行測試和定位。基于非線性超聲調制機理分析了非金屬管道損傷狀態，使用同側非線性超聲的混頻信號激勵方式并根據超聲導波傳播速度的差異產生激勵信號延時，然后在管道損傷處實現混頻信號的非線性調制。采用HHT(Hilbert-HuangTransformation)提取混頻延時信號的瞬時特征量，并通過分析非線性分量延時分組進行損傷區域檢測，實現了對非金屬管道裂紋損傷的定位。PVC(Ployninylchloride)非金屬管道實驗顯示，無損傷狀態下延時信號分組的標準化基準值為0.518 8；單裂紋狀態下延時信號分組標準值為0.593 7，損傷定位相對誤差為3.277%；雙裂紋損傷狀態下的標準化瞬時平均幅值為0.580 1與0.607 3，損傷定位值絕對誤差小于4mm。相對于利用小波包絡分解的非線性延時定位檢測法，實驗得到的單裂紋損傷準確度提高了36.4%。結果表明該方法能夠對非金屬管道裂紋損傷準確定位，并能夠檢測早期多裂紋損傷。

非金屬管道；損傷定位；超聲導波延時檢測法；非線性調制

1　引　言

非金屬管材具有強度高、密度小、腐蝕性強、絕緣性優、使用壽命長等優點，在石化行業、建筑業、市政工程、農業等領域需求不斷加大，促使非金屬管道得到快速發展[1]。近年來，非金屬管道結構損傷檢測研究發展迅速，主要集中在非金屬管材的直型管道、管道接頭等結構。加拿大達爾豪斯大學N.Cheraghi與M.J.Riley采用壓電陶瓷對于非金屬管道的接頭連接處損傷進行研究[2]；法國里昂中央理工學院O.Bareille與M.Kharrat設計扭轉模態導波探頭研究了非金屬管道導波響應特性與損傷特性[3]；意大利羅馬大學P.Annamaria通過高斯脈沖導波激勵對非金屬圓棒上凹槽損傷進行了仿真與實驗研究[4]；法國巴黎高科礦業學院L.Laiarinandrasana通過研究非金屬管道上損傷的蠕變效應預測了管道剩余壽命[5]。由于超聲導波具有長距離檢測、隱蔽區域檢測、靈敏度高、實施方便等優點，在非金屬管道結構損傷檢測中得到了廣泛關注，但其在非金屬管材上存在衰減快、傳播速度低等特點，使得當前所研究非金屬管道損傷類型主要針對損傷占管道軸向與徑向區域較大，而針對非金屬管道上的早期損傷檢測方法研究較少，因此亟需對非金屬管道早期微小損傷有效超聲導波檢測技術進行探究。

在材料非線性理論中，應力波在非線性材料上傳播會產生高次諧波，多個應力波傳播則會互相影響產生調制作用。由于損傷具有材料非線性特性，混頻超聲導波的非線性效應對微小缺陷具有較好的敏感度，更有利于早期管道健康監測。非線性超聲調制檢測原理近年來得到快速發展，美國西北大學M.H.Liu根據超聲共振調制方法得到壓縮變形構件的非線性系數[6]；韓國科學技術院H.Sohn針對非線性超聲分量小且難以提取，提取通過減去對不同激勵超聲信號的單獨接收信號來獲得非線性分量[7]；美國俄亥俄州立大學G.D.Connolly通過多次非線性超聲信號在金屬裂紋缺陷上多次采集，使用數值識別技術達到非線性信號有效提取與增強信噪比[8]；哈爾濱工業大學劉斌等使用振動聲調制技術對復雜結構焊縫缺陷實現檢測[9]。目前非線性超聲導波技術在金屬結構損傷中研究較多，包括增強非線性信號信噪比、結構損傷非線性系數獲取等，但仍未見面向非金屬管道的超聲非線性調制檢測技術研究。本文采用同側非線性超聲混頻激勵法，對非金屬管道裂紋損傷進行檢測，結合加載到混頻信號中的延時時間，對非金屬管道損失進行損傷定位研究。

2　非金屬管道損傷非線性超聲延時檢測定位方法提出

非線性超聲導波調制技術，利用低頻信號對高頻信號實現調制，若在線性介質中傳播，并不產生非線性調制現象；而由于材料內部損傷(如裂紋等)具有非線性特性，有利于損傷的檢測。根據波動理論所闡述的彈性波非線性運動方程，一個雙通道混頻信號超聲激勵后經過損傷后所獲取信號為：

u(x，t)=u(0)+βu(1)=

A01cos(ω1τ)+A02cos(ω2τ)+

(1)

式中：信號1與信號2幅值為A01與A02，信號1與信號2角頻率為ω1和ω2，β為非線性系數，k1和k2為信號1與信號2的波數。從不同頻率分布的角度分析，式(1)中包含原來ω1與ω2的頻率，同時有2ω1與2ω2，以及和頻ω1+ω2和差頻ω1-ω2。通過彈簧模型可知，裂紋的開合產生的位移，與材料的宏觀屬性，以及裂紋上的力學特性和裂紋形態相關，同時也可以看到非線性超聲調制現象。因此，非線性幅值調制現象是在混頻信號的作用下，超聲導波通過具有非線性特性損傷的非金屬管道后能夠產生多個不同頻率的非線性諧波信號，根據此特性，可建立有利于對非金屬管道損傷進行檢測的方法。

由于導波在非金屬管材上衰減快，傳統的超聲“回波”檢測法難以實現，對于穿透式的混頻信號檢測方法，損傷信息攜帶在通過損傷的導波中，優點尤為明顯。同時由于導波在非金屬傳播速度較金屬管道低，傳播距離短，只在時域上的損傷定位法效果并不理想，利用HHT提取時頻特征信息結合非線性調制原理能夠在實現檢測范圍較短的損傷定位。因此提出一種非金屬管道損傷非線性超聲延時定位檢測方法(如圖1所示)。采用一種非線性混頻激勵同側檢測方式，求取管道的導波頻散曲線，選取高頻與低頻信號頻率，控制混頻信號的激勵時間；速度較大者通過增加延時，從而使兩通道信號能夠在管道上同時到達任意位置，混頻信號在損傷處相遇時能夠產生的非線性調制分量；各個延時信號進行分組，可以利用HHT，通過EMD(EmpiricalModeDecomposition)提取各組延時的混頻信號的非線性分量，利用Hilbert變換得到信號瞬時特征量，瞬時幅值作為損傷評價來選擇較大非線性分量對應的組，結合混頻信號傳播速度，計算出損傷位置。

圖1　定位方法框架

3　非金屬管道損傷非線性超聲延時檢測定位新方法實現過程

3.1非線性同側混頻激勵檢測

非線性超聲混頻信號同側激勵法如圖2所示，為了實現信號在結構損傷處能夠產生聲調制現象，采用雙通道混頻激勵信號(換能器A激勵信號EA(t)、B激勵信號EB(t))，單通道接收信號(換能器R接收信號R(t))，同時激勵信號可采取正弦周期信號。激勵換能器A、B固定在非金屬管道一側，接收換能器R固定同一直線上另一側，激勵換能器A與B之間距離為lAB，接收換能器與激勵換能器A的距離為lR。假設裂紋損傷在離激勵換能器A的距離為L，結合高頻激勵信號與低頻激勵信號不同的傳播速度(高頻信號速度vA大于低頻信號速度vB)，可以求出高頻信號與低頻信號各自到達接收換能器R各自對應的時間為：

tA=lR/vA，

(2)

(3)

混頻信號在非金屬管道上傳播如圖3所示，虛線所表示的低頻信號傳播速度低于實線所表示的高頻信號傳播速度，通過在高頻信號中加載延時時間，混頻信號能夠實現對管道的掃查，假設混頻信號在損傷處相遇(見圖3虛線圓)能夠產生較強的非線性效應。

圖2　混頻信號同側激勵示意圖

圖3　同側激勵混頻延時信號傳播

同時，為得到更好的非線性調制現象，采用多周期的激勵信號，其中高頻信號頻率fA，低頻信號頻率fB，即信號周期為TA=1/fA和TB=1/fB。可知導波到達傳感器時間需大于信號多個周期時間，假設高頻信號周期數為nA，有：

tA>nATA(nA=1，2，3，…).

(4)

同樣，設低頻信號周期數為nB，得：

tB>nBTB(nB=1，2，3，…).

(5)

可以得到最大延時時間tM應滿足：

tM≥tB-tA.

(6)

設加載到高頻信號上延時固定步長為ts，總延時次數為Nd(表示總共要激勵Nd次混頻信號)：

Nd=tM/ts.

(7)

可知，每一個高頻信號具有按固定延時步長ts的整數倍的td：

td=n*ts(n=1，2，3，…，Nd).

(8)

3.2基于Hilbert-Huang變換的瞬時特征量提取

當損傷存在時，雙通道混頻信號激勵后可獲取多分量信號。為了計算瞬時特征量，采用對于多分量信號時域處理方法EMD，可把多分量信號分解成若干單分量IMF(IntrinsicModeFunction)以及剩余函數rn[10]，分離得到單分量信號可實現信號特征提取。滿足損傷檢測的IMF形式：

c(t)=a(t)cosφ(t)，

(9)

(10)

(11)

3.3基于非線性分量的結構損傷判別

從非線性超聲調制特性與損傷關系可知非金屬管道損傷程度與非線性損傷分量呈單調增加關系[12]。但由于損傷自身對導波具有衰減作用，尤其在非金屬材料更為明顯，隨著損傷增大到一定程度后，采集信號R(t)幅值隨之下降，以致在R(t) 中的非線性損傷分量被大幅減少，影響其單調增加趨勢。因此可利用數據標準化補償對R(t)減小的部分來實現非線性損傷分量有效提取。

(12)

由于激勵信號采用多周期正弦信號可以產生強的非線性效應，另一方面為了提高檢測精度則需要單周期正弦信號，因此針對實際所產生的非線性調制效果分為單周期與多周期信號激勵損傷評估方法。

(13)

(14)

3.4損傷區域定位

為實現區域損傷定位，需根據最大延時時間tM對所有延時時間進行分組，得延時分組D1，D2，…，Dn，利用上述損傷判別方法從D1，D2，…，Dn損傷所在的組作為DTi(i=1，2，…，n)。如圖4，分別對各個DTi進行分組Dk2，…，Dkn(k=2，3，…)表示第k次分組，同樣平均分成n個延時組，選出此時損傷所存在的組作為DSi。通過減小加載在高頻激勵信號的延時步長ts，重復上述步驟直到固定延時ts到達設定精度得到DFi。

根據激勵與接收換能器布置求出vA，vB，可知2個信號在非金屬管道上某一位置相遇所需的延時時間，設L0為非金屬管道上的某一位置，T0為對應L0的延時時間，可得L0與T0的關系：

(15)

Tmax=A-1(max{A(t1)，…，A(tn)})(i=1，2，…，n)，

(16)

式中：A-1為A(t)的反函數，max表示取A(ti)最大值。從而得出非金屬管道損傷為：

(17)

圖4　損傷局部定位流程示意圖

4　非金屬管道損傷檢測實驗

4.1實驗平臺

實驗所采用PVC非金屬管道材料特性與尺寸參數如表1所示，壓電換能器特性如表2所示。

表1　PVC管道參數

表2　壓電換能器參數

壓電換能器通過環氧樹脂膠固定在PVC管道上(如圖5所示)。激勵換能器A與B之間距離lAB為10mm，接收換能器與激勵換能器A距離為lR為70mm。實驗設備平臺如圖6所示，壓電換能器激勵源A以及壓電換能器激勵源B與波形發生器相連，同時，壓電激勵源A與信號放大器A相連，壓電激勵源B與信號放大器B相連。壓電接收換能器R與一個數據采集系統相連接。

圖5　換能器在PVC管道上布置示意圖

圖6　非線性超聲損傷檢測實驗平臺示意圖

4.2非金屬管道無損傷狀態實驗

首先對PVC管道進行一發一收頻率響應實驗，換能器A激勵掃頻信號頻率從100Hz到300kHz，輸出峰-峰值為2V，信號進行50倍放大。采集信號通過Fourier變換得到頻譜如圖7所示。為了增強非線性超聲調制現象與符合混頻信號傳播速度差異，低頻信號頻率選取為50kHz，高頻信號頻率選取120kHz，傳播速度測量是通過第一個到達傳感器的導波信號求得，通過實驗得兩者傳播速度為vA=1 925m/s和vB=1 213m/s，此速度用于計算損傷定位可以避免模態轉換產生的影響。根據式(2)～(3)可求出tA=5.19×10-5s，同時求得tB=7.41×10-5s，TA=6.66×10-6s，TB=2×10-5s。由此計算出高頻和低頻信號最大可以取的周期數，nA

圖7　PVC管道頻率響應頻譜示意圖

圖8　延時信號EMD分解示意圖

D1與D2每一個混頻延時信號都需要提取其瞬時特征量，為了可以更好地闡述其信號處理過程，選取延時時間在總延時范圍中間部分的信號，這里選擇D1中的第9個混頻延時信號作為例子解釋瞬時特征量提取過程。為了EMD信號分解不會出現較多的模態混疊，采集信號通過頻率從80kHz到240kHz帶通濾波器，D1中的第9個混頻延時信號分解得到的IMF如圖8所示，選取包含主要信號及非線性分量的cs1作為c(t)。

通過Hilbert-Huang變換，結合式(10)～(12)求出其瞬時頻率與標準化瞬時幅值。對D1中的第9個混頻延時信號進行分析，在圖9的瞬時幅值圖中找出對應非線性分量的170kHz的第一旁瓣的頻率，得到t0=2.84×10-5s，從而得到其對應的標準瞬時幅值為0.636 1。

圖9　瞬時頻率與標準化瞬時幅值示意圖

4.3單裂紋損傷檢測實驗

從圖5可知，裂紋到換能器A的實際距離L為70mm。PVC管道單損傷實驗保持總延時次數Nd=24，延時信號同樣分成兩組D1、D2，高頻信號120kHz正弦信號，低頻信號50kHz正弦信號，最小延時步長ts=3×10-7s。

第1次混頻信號分組與無損傷狀態下的實驗一致，得到組D1的標準化瞬時幅值之和為0.491 9，組D2為0.593 7，滿足式(14)，可知存在損傷位于組的延時范圍內，組D2記為組DS1。

表3　單裂紋檢測延時分組參數

圖10　單裂紋第2次分組不同延時瞬時幅值分布

Fig.10Instantaneousstandardizedamplitudeof2nddelaysignalgroup

圖11　單裂紋第3次分組不同延時瞬時幅值分布

4.4雙裂紋損傷檢測實驗

如圖12，第一處裂紋到換能器A的實際距離L2為70mm，設最終測出裂紋定位長度為l2；第二處裂紋到換能器A的距離為L1為27mm，定位估計值設為l1。每次分組分為組D1、D2，總延時信號個數Nd=24，最小延時步長為ts=3×10-7s。采用同樣的實驗方法，分組實驗所用激勵信號周期、延時時間、延時步長如表4所示。

圖12　雙裂紋在PVC管道上位置示意圖

延時分組高頻信號周期數低頻信號周期數延時時間延時步長142[0,2.4×10-5s]1×10-6s221[0,1.2×10-5s]5×10-7s311[0,7.2×10-6s]3×10-7s421[1.2×10-5s,2.4×10-5s]5×10-7s511[1.2×10-5s,1.92×10-5s]3×10-7s

分析第1次延時信號分組D1的標準化瞬時幅值之和為0.580 1，組D2為0.607 3。所以組D1和D2都滿足式(14)的條件，即檢測到有兩個損傷在PVC管道上，所以有D1為DT1，D2為DT2。

圖13　雙裂紋第2，3次分組不同延時瞬時幅值分布

Fig.13Instantaneousstandardizedamplitudeof2nd， 3rddelaysignalgroup

圖14　雙裂紋第4，5次分組不同延時瞬時幅值分布

Fig.14Instantaneousstandardizedamplitudeof4th， 5thdelaysignalgroup

4.5方法實驗比較

對于常見的基于小波包絡分析的非線性超聲調制方法使用小波包絡[13-14]得到其對應的小波能量值，通過比較各個延時狀態下的小波能量值獲取較大值時刻來求取裂紋定位估計值。

對圖12所示的PVC管道雙裂紋損傷，基于小波包分析法得到面向雙裂紋PVC管道的高頻分量小波能量值如圖16所示。取出小波能量值的最大值與次大值，求出其對應的Tmax1=2.4×10-6s，Tmax2=1.44×10-5s，代入公式(17)求出l1=34.907mm，l2=74.262mm。

圖16　80個延時信號雙裂紋小波能量值

從定位精確度上比較，在同等延時步長的情況下，無論是單裂紋損傷還是雙裂紋損傷，基于HHT的管道損傷定位法比小波包絡法的結果更精確，單裂紋情況準確度可提高36.4%。從圖15可以看到，對于選取哪個延時時刻作為Tmax難度較大，對于雙裂紋情況，在整個延時范圍內選取最大的小波能量值的難度更大。其相互區別非常小的主要原因是單脈沖激勵，帶通濾波器與小波包絡分析并不能得到最好的分析效果，以及信號時域疊加對信號幅值的影響；對于PVC管道損傷非線性超聲傷檢測延時新方法，由于采用了多脈沖串激勵，對應不同激勵方式用不同方法選取延時范圍以及使用瞬時特征量作為判別依據，能夠較好地解決延時時刻難以確定的問題。

5　結　論

本文提出了一種非線性超聲導波延時檢測新方法來研究非金屬管道早期損傷定位問題。該方法采用同側混頻激勵的穿透式檢測方法，結合在激勵信號加載延時時間使超聲導波覆蓋整個管道結構。使用HHT變換有效地對混頻延時信號進行時頻分析，提取混頻信號中非線性損傷分量的瞬時特征量，對延時加以分組，從而對延時范圍內的有效區域內單裂紋與多裂紋損傷實現檢測。尤其在PVC非金屬管道結構損傷檢測中，相對于小波包絡法的檢測方法，更容易獲取損傷所在延時范圍，準確度提高36.4%。同時該方法可進一步拓展到過墻非金屬管道、內襯防腐蝕管道界面的損傷檢測等，對非金屬管道復雜結構健康監測深入研究提供指導作用。

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洪曉斌(1979-)，男，廣東揭陽人，教授，博士生導師，2002年于武漢理工大學獲得學士學位，2007年于華南理工大學獲得博士學位，主要從事無損檢測技術與裝備、網絡化測控技術及儀器等方面的研究。E-mail：mexbhong@scut.edu.cn

劉桂雄(1968-)，男，廣東揭陽人，教授，博士生導師，1990年于重慶大學獲得學士學位，1995年于重慶大學獲得博士學位，主要從事新型智能傳感技術、網絡化測控技術、制造過程質量檢測、建模及控制等方面的研究。E-mail：megxliu@scut.edu.cn

(版權所有未經許可不得轉載)

Damage detection of nonmetallic pipe by using nonlinear ultrasonic guided wave with signal delay

HONG Xiao-bin， FENG Jin-heng， LIN Pei-song， LIU Gui-xiong*

(School of Mechanical & Automotive Engineering，South China University of Technology， Guangzhou 510641， China)

*Corresponding author， E-mail：megxliuscut.edu.cn

Asthedamagesonnonmetallicpipes,especiallyearlydamages,aredifficulttobedetectedbyultrasonicguidedwave,thispaperproposesanonlinearultrasonicguidedwavewithsignaldelaytodetectandlocalizethedefectsonnonmetallicpipes.Basedonthenonlinearultrasonicwavetheory,thedamagestatesofnonmetallicpipeswereanalyzedandanincentivemethodwithmixedsignalsfromthesameendofthesignaldelaywasdevelopedtogeneratesignaldelayaccordingtodifferentspeedsofthemixingsignalsandtoimplementnonlinearmodulation.TheinstantaneouscharacteristicsofdelaysignalwereextractedbyHHT(Hilbert-HuangTransformation),anddamagelocationwasachievedbyanalyzingdifferentnonlinearmodulationgroupswithsignaldelay.PVC(Polyvinylchloride)pipeswereusedforexperiments.Inintactcondition,thestandardizedreferencevaluesofsignaldelaygroupsis0.518 8.Indamageofonecrack,standardizedvalueofsignaldelaygroupsis0.593 7andtherelativeerroris3.277%.Moreover,indamageoftwocracks,thestandardizedvalueofsignaldelaygroupsare0.593 7and0.607 3,andtheabsoluteerrorislessthan4mm.Comparedtothewaveletenvelopelocationapproach,therelativeerrorwithonecrackrisesto36.4%.Theseresultsturnoutthattheapproachproposedinthispaperiseffectiveandaccurateforthedamagedetectionandlocationofnonmetallicpipes,andisavailableforthemulti-damagedpipes.

nonmetallicpipe;damagelocation;ultrasonicguidewavedetectionwithdelaysignal;nonlinearmodulation

2016-03-20；

2016-04-15.

國家自然科學基金資助項目(No.51305141);廣東省自然科學基金資助項目(No.2014A030313248)；廣州市科技計劃項目(No.201607010171)

1004-924X(2016)07-1685-09

TB553

Adoi:10.3788/OPE.20162407.1685