基于空氣耦合超聲導波法對開閉器水層厚度的研究

?？〗? 曾雪峰

摘要：針對傳統接觸式超聲檢測高壓電線桿開閉器水層厚度存在漏電風險問題，提出使用非接觸式空氣耦合超聲導波技術對開閉器中水層厚度進行測量。對開閉器水中導波傳播過程進行仿真并計算水層厚度;搭建開閉器實驗室平臺，控制水層厚度，改變換能器之間距離，對回波信號進行分析并計算水層厚度;控制換能器之間距離，改變水層厚度，對回波信號進行分析并計算水層厚度。通過仿真與實驗使用幾何聲學對水層厚度進行計算得出關系式，將仿真與實驗兩者結果進行對比，有高度一致性，驗證空氣耦合超聲導波法對開閉器中水層厚度測量的可行性與準確性。該方法可為測量開閉器中水層厚度提供新思路。

關鍵詞：空氣耦合超聲;導波;開閉器;水層厚度

中圖分類號：TG115.28 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）09-0027-06

收稿日期：2018-11-14;收到修改稿日期：2018-12-12

基金項目：國家自然科學基金資助項目（11464030）;無損檢測技術教育部重點實驗室（南昌航空大學）開放基金課題（F010404）

作者簡介：?？〗埽?964-），遼寧大連市人，副教授，博士，主要從事超聲無損檢測的應用技術研究及檢測設備的研發等工作。

0 引言

目前，為保證電力系統高效運作，以及在某個區域發生斷電事故時，能夠快速向電路完好的區域通電，會在電線桿上設置柱上開閉器，其作用是控制向下一個區域輸入和切斷電力。柱上開閉器在長期使用過程中，由于密封圈老化和外箱腐蝕，箱內會浸人雨水，絕緣性降低，從而可能導致停電等電力事故。有研究通過使用接觸式超聲波探頭接觸開閉器底部，觀察水面的反射波來檢測當前水層厚度。但是，由于這種逐一接觸檢測需要直接接觸底部，可能會在接觸時和連接檢測儀時產生震動使內部水面搖晃，導致水進入內部機械部分從而發生內部短路，由于開閉器外箱和檢測裝置相連，萬一內部已經短路，則會危及檢測人員生命安全。

因接觸式超聲檢測方法的諸多不便，有研究提出了使用空氣耦合超聲導波同側V透射法[1-3]。調整換能器間距和角度激勵鋼板中A₀模式導波，利用導波傳播過程中產生的泄露波和水界面的一次反射波進行幾何運算，計算出開閉器中水層厚度。

沿著大型棒狀或板狀結構長距離傳播的超聲波稱為導波，在無損檢測領域被廣泛應用，導波的檢測精度、檢測范圍都與導波的頻率有關[4]。相對于傳統的超聲波檢測技術，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[5]?？諝怦詈铣暡o損檢測技術具有完全非接觸、無損傷的特點，可用于傳統超聲檢測手段難以適應的場合，空氣耦合蘭姆波可對復合材料的特性進行評價來達到真正意義的無損[6-9]。盧超等[10-11]利用空氣耦合蘭姆波同側法對復合材料進行了成像檢測，以無缺陷處信號值為基準，用信號差異系數作為特征值，對特征值全加和全乘的數據融合方法進行了缺陷形貌重構成像;本課題組分析了空氣耦合超聲穿透薄板時的能量透射率和各種板厚中的能量透射，使用空氣耦合蘭姆波同側向和同側異向法對鋼板中開口損傷進行C掃描成像檢測[12];張東波等[13]使用COMSOL有限元分析得到了板波的反射和透射聲場，并觀察到板波在結構中反射和投射的實際過程;張迪等[14]構建了流固耦合模型對空氣聲場及各向同性板材中的位移場進行了計算，得出相控陣聲束動態偏轉在板中能夠激勵出Lamb波的A₀和S₀模式這一結果。

本文使用有限積分法以開閉器為對象，模擬分析導波在開閉器中（空氣—鋼板—水界面）的傳播過程，并依據這一傳播過程利用幾何聲學計算方法計算水層厚度。最后將模擬結果與實驗結果進行對比分析，驗證其一致性。

1 超聲導波檢測原理及仿真計算

1.1 空耦超聲穿透鋼板時的能量透射率

超聲波斜角入射時的反射和透射以及激發鋼板中導波示意圖如圖1所示，當超聲波從空氣中以入射角θ、頻率為f向鋼板中入射時，在板中激發導波并在板中向前傳播，且同時產生泄露波，該透射波的能量透射率計算公式[15]如下所示：其中θ為入射角;θ₁、θ_t分別為對應縱波和橫波的折射角;ρ_a、ρ_s分別為空氣和鋼的密度;v_a、v₁、v_t分別空氣中聲速、鋼板中縱波和橫波速度，k_ly、k_ty是板厚方向的縱波和橫波波數;Z、Z₁、Z_t分別為考慮了入射角的聲阻抗;ω為角頻率。

由式（1）可知超聲波穿透鋼板時的能量透射率不僅是兩介質的密度和聲速的函數，同時也是入射角和fd（頻率與板厚的乘積）的函數，依據式（1）求得曲線關系圖如圖2，圖3所示，分別為垂直入射和以θ=7.3°入射時能量透射率與頻厚積關系圖。由圖3可知，當換能器為800kHz，鋼板厚度為2.3mm，超聲波以7.3°入射時，發生全透射，使泄露波能量到達最大，便于信號的采集和計算。

1.2 導波傳播過程仿真及幾何計算

本文使用有限積分法超聲波傳播模擬分析軟件（SWAN21）對導波在開閉器中（空氣—鋼板—水）傳播過程進行模擬分析，并對開閉器中水層厚度進行計算，建立如圖4所示模型。模型結構為模擬開閉器結構，空間位置由上至下介質分別水、鋼板、空氣。模型數據為：水層厚度巧mm，鋼板厚度2.3mm，空氣禾禺合超聲換能器頻率800kHz、晶片直徑14mm，激發導波模式為A₀模式，根據鋼板厚度及頻散曲線計算出最佳換能器角度θ=7.3°，在換能器左側空氣中設置超聲波接收點，對接收波形進行A模式顯示。

空氣耦合超聲波換能器發射超聲波經過空氣傳導至鋼板界面在鋼板內反射并激發導波，導波在鋼板中傳播并向水介質以及空氣中發生泄露，并且泄露的超聲波在水中傳播在水一真空界面會發生反射，反射的超聲波會再次在鋼板中激勵導波并向水介質以及空氣中發生泄露。下面，就這一傳播過程以及超聲波測量結果以時間順序進行介紹。

圖5為時間t=6.0μs處仿真圖，此時換能器發出超聲波并在鋼板中激發導波，導波開始往水介質與空氣中產生泄露波，但是由于此時空氣中的泄露波距離換能器太近，在仿真過程中觀察不到。往水中泄露的超聲波角度為33.3°，聲速為1.48km/s，導波沿著鋼板向前傳播，群速度為3.236km/s。

如圖6所示，為時間t=14.6μs處仿真圖，導波繼續在鋼板中傳播，并且向水中和空氣中發生泄露，導波往空氣中泄露波與水平夾角為7.3°，往水中泄露波與水平夾角為33.3°，且垂直于各自波陣面傳播，如圖中箭頭所示。

如圖7所示，為時間t=23.6μs處仿真圖，導播繼續在鋼板中傳播，位于空中的監測點已經能夠檢測到泄露波。導波在水介質中的泄露往前傳播遇到水，真空界面，立即發生一次反射，且反射角為33.3°，當一次反射波傳播到鋼板介質時，將會在鋼板中再次激發導波，并沿鋼板傳播，且在傳播過程繼續往空氣中和水介質中發生泄漏，角度與換能器激發導波產生泄露波角度相同。

圖8為時間t=41.6μs處仿真圖，水介質中泄露波在鋼板中激發導波，并且在傳播過程同時向水介質與空氣中泄露，在水介質中產生的泄露波在水一真空界面發生反射，形成二次反射波?？諝庵凶钭髠?，為換能器激發導波產生的泄露波，在監測點上方為水面一次反射波激發的導波產生的泄露波。

接收點接收到的波形如圖9所示。A波形為空氣耦合換能器激發鋼板中導波的泄露波A顯示，在t=28.4μs處，泄露波（沿空氣—導波—空氣路徑）達到最大幅值;B波形為水界面的一次反射波在鋼板中激勵的導波往空氣中泄露的波形A顯示，在t=46.3μs處，泄露波（沿空氣—導波—水介質—水面反射波（第一次）—導波—空氣路徑）達到最大幅值，即當水層厚度為15mm，波形A和B到達時間差為△t=17.9μs時，接收波形幅值最大。

基于以上模擬過程，改變水層厚度，可以求得水層厚度D與時間差△t的關系，簡化計算模型如圖10所示。超聲波在B點處激勵鋼板中導波，并以r=33.3°傳播至C點并產生一次反射波傳播至E點，水面一次反射波在E點處激勵鋼板中導波，并往前傳播△L距離，在G點被接收，AB與FG為超聲波在空氣中聲程，B點至C點至E點為超聲波水中傳播聲程，傳播過程如圖中箭頭所示，B點至E點至F點為導波在鋼板中聲程。圖中VW為超聲波在水中傳播速度、V_g為導波群速度、B為換能器傾斜角、r為折射角、D為水層深度、L₁為一次反射波出現距離，則時間差△t可由下列公式推導：

t_g1=L₁/V_g（2）

L₁=2Dtanr（3）

t_w1=2DV_w/ cosr（4）

式中：t_g1——導波在L₁段傳播所用時間;

t_w1——超聲波在水中傳播時間。

對于圖10有：

t_導波=t_a+t_g1+△t_g+t_b（5）

式中：t_導波——導波在整個傳播過程中所用時間;

t_a、t_b——超聲波在AB段及FG段傳播時間;

△t_g——導波在△L段所用時間。

t_{一次反射波}=t_a+t_w1+△t_g+t_b（6）其中t_{一次反射波}為一次反射波傳播總時間。

由上述分析可得時間差為：△t=t_w1-t_g1。

通過改變模型中水層厚度，當換能器頻率為800kHz時，記錄數據成表1，制成圖11，可知水層厚度與時間差關系式為D=0.8258△t（η=0.8258），將水層厚度與時間差關系系數記為相關系數η。并且改變換能器頻率，可得換能器頻率與系數η曲線，如圖12所示。

2 實驗過程及結果

根據上文模擬過程，通過鋼板中導波及一次反射回波的時間差△t能準確計算開閉器中水層厚度D，且制備了實驗室狀態下模擬開閉器裝置，模型數據與仿真模型相同，如圖13所示，在鋼制容器內加水，由下至上依次為空氣一鋼板一水界面。檢測裝置由空氣耦合專用換能器、高功率信號發射接收器（JPR600C）、高功率前置放大器（60dB）、處理軟件模塊組成。將開閉器固定于支架上，調整換能器角度為7.3°，空氣耦合專用換能器頻率為800kHz，移動接收換能器至65mm處，改變開閉器中水層厚度D分別為20，30，40，50mm，進行A顯示，結果如圖14所示。水層厚度D與時間At具有良好的線性關系，所求得系數η為0.8265;并且從A顯示可以得出導波的傳播時間不隨水層厚度的變化而變化，而水面一次反射波傳播時間隨著水層厚度的增加而增加，因此在實際檢測中，需要調整換能器之間距離對接收波形進行顯示，使水面一次反射波更清晰、更準確。

接下來控制水層厚度為30mm，固定發射換能器，移動接收換能器，改變換能器之間距離，接收換能器以5mm的間隔往左移動，將換能器從相隔50mm移動至140mm處，在移動過程中同時對結果進行A顯示和B顯示，如圖15所示。圖15（a）為B顯示結果，①為導波回波（沿空氣—導波—空氣路徑），②為水面—次反射波回波（沿空氣—導波—水—水面—次反射波—導波—空氣路徑），③為水面二次反射波回波（沿空氣—導波—水—水面一次反射波—導波—水—水面二次反射波—導波—空氣路徑），④為水面三次反射波回波;圖15（b）為A顯示結果，由上至下分別為換能器之間距離65，95，125mm處波形。從圖中能清楚地看到超聲波包絡數量、幅值和延時的變化。

對比仿真結果和實驗結果具有高度一致性，驗證了該方法的正確性和準確性，能夠準確測量水層厚度。

3 結束語

1）本文通過模擬實驗以及在實驗室環境下使用超聲導波法對開閉器中水層厚度進行了測量研究。實驗結果與模擬實驗結果具有高度的一致性，且利用導波與水面一次反射波時間差△t與水層厚度D的關系式來計算開閉器中水層厚度，方法簡單，測量精度高、誤差小。

2）在實際檢測中，由于開閉器中水層厚度未知，但是能夠通過裝置設計上的優勢根據實際情況改變換能器之間距離，使結果更準確?？諝怦詈铣晫Рǚń鉀Q了接觸式超聲波法帶來的諸多不便，為測量開閉器中水層厚度提供了新的思路、給空氣耦合超聲帶來了更好的發展。

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（編輯：莫婕）