基于超聲導波的管道缺陷監測及徑向損傷評估*

徐 陽 羅明璋 杜國鋒

(1.長江大學電子信息學院 2.長江大學城市建設學院)

0 引 言

油氣管道服役環境復雜，外界沖擊以及環境因素等容易引起管道變形、腐蝕和裂紋等缺陷[1-4]，一旦缺陷徑向損傷深度達到貫穿管壁就會造成泄漏事故，嚴重危及企業生產和人民生命財產安全。為保證油氣管道安全運行，對管道缺陷進行監測及徑向損傷深度評估具有十分重要的意義[5-8]。應用超聲導波進行管道缺陷監測具有效率高、成本低以及監測范圍廣等優點，在管道結構健康監測領域獲得了廣泛的應用[9-11]。

國內外學者對導波與管道缺陷的相互作用進行了大量研究。D.C.GAZIS[12-13]首先推導出了無限長各向同性圓管中導波傳播的理論表達式，為導波在管道中的傳播研究奠定了理論基礎。A.H.FITCH[14]通過試驗得到了管道內導波的群速度值，驗證了D.C.GAZIS提出的理論解。D.N.ALLEYNE等[15-16]研究了縱向模態導波在管道裂紋缺陷上的反射現象。M.J.S.LOWE等[17]研究了導波在管道缺陷處的模態轉換現象。在管道損傷初期出現的小缺陷，對于超聲導波的反射回波信號很微弱，容易被其他噪聲淹沒而無法監測。利用時間反轉技術可以提高超聲導波對小缺陷的監測能力，大量研究成果為這一新技術提供了有益的參考[18-19]。時間反轉法最早由法國科學家M.FINK[20]提出，該方法是將直接導波監測信號中的缺陷回波進行時間反轉并重新激勵出去，使導波能量在缺陷位置發生聚焦，增強缺陷反射回波的幅值從而有利于信號監測。鄧菲等[21]研究了時間反轉法在管道缺陷監測中的時空聚焦效應。周進節[22]研制開發了基于時間反轉法的超聲導波監測設備。符浩等[23]提出了一種合成相位聚焦方法，為工程應用提供了一種有效手段。XU Y.等[24]提出了一種基于時間反轉和匹配追蹤算法的管道缺陷定位方法。DU G.F.等[25]采用時間反轉法進行了管道腐蝕坑監測試驗并取得了理想的結果。

鋯鈦酸鉛(PZT)是一種具有很強壓電效應的陶瓷材料，本文采用PZT傳感器陣列來激勵和接收管道中的超聲導波，利用時間反轉法來提高管道缺陷監測能力，通過監測L(0,2)和L(0,1)模態缺陷反射系數的變化趨勢來實現管道缺陷徑向損傷深度的評估。基于傳遞函數思想分析了合成時間反轉法實現導波能量在管道缺陷位置聚焦的原理，通過試驗驗證了合成時間反轉法提高超聲導波對管道缺陷監測能力的有效性。激勵入射的L(0,2)模態導波在管道中傳播時遇到缺陷,會與之相互作用而發生模態轉換，產生L(0,1)轉換模態導波。在管道缺陷監測過程中L(0,2)反射模態與L(0,1)轉換模態都包含大量有用的缺陷信息。結合導波在管壁中的位移分布，分析了缺陷徑向損傷深度對L(0,2)和L(0,1)模態轉換的影響機理。隨著徑向損傷深度的擴展，L(0,2)模態缺陷反射系數呈現出單調增加的趨勢，而L(0,1)模態缺陷反射系數則呈現出先增大后減小的變化趨勢，當徑向損傷深度達到半壁厚時，L(0,1)模態缺陷反射系數達到最大值，此后隨徑向損傷深度進一步擴展而逐漸減小，直到徑向損傷深度達到貫穿管壁時，L(0,1)模態缺陷反射系數減小為0。通過試驗得到的監測數據與分析結果一致，驗證了本文提出的管道缺陷徑向損傷深度評估方法的正確性和實用性。研究結果為判斷管道缺陷徑向損傷是否達到半壁厚或貫穿程度提供了重要參考。

1 管道中的導波特性

1.1 導波的多模態和頻散特性

導波在中空管道內沿軸向傳播時具有縱向模態、扭轉模態和彎曲模態三種不同的形式?？v向模態和扭轉模態關于圓管中心線呈軸對稱，而彎曲模態則呈非軸對稱?？v向模態用L(0,m)表示，m=1,2,3,……；扭轉模態用T(0,m)表示，m=1,2,3,……；彎曲模態用F(n,m)表示，n、m=1、2、3、……。其中：n為導波的周向階次，表示該模態導波沿管壁的傳播形式；m為導波的模數，表示該模態導波沿壁厚方向的振動形式。一種模態的導波在管道中傳播時遇到缺陷，會與缺陷相互作用而發生模態轉換，產生一些新的模態。另外，提高激勵信號的頻率，也會使導波模態的數量增加。

D.C.GAZIS[12]通過對理論表達式的推導，提出了導波在無限長中空管道中傳播的頻散方程。對頻散方程進行數值求解并繪制相應的頻散曲線可以進行模態分析，掌握不同模態導波的徑向和軸向位移分布，可為管道缺陷監測選擇合適的模態以及工作頻率范圍提供理論依據。圖1表示對外徑76 mm、壁厚4 mm 的AISI304不銹鋼管中導波傳播的頻散方程進行數值求解而得到的群速度和相速度頻散曲線。

圖1 外徑76 mm、壁厚4 mm的AISI304不銹鋼管的頻散曲線Fig.1 Dispersion curve of AISI304 stainless steel pipe with 76 mm outside diameter and 4 mm wall thickness

由圖1可見，軸對稱縱向模態L(0,2)的群速度最快，并且L(0,2)模態在70～200 kHz頻率范圍內基本沒有頻散，在所有回波信號中L(0,2)模態將最先到達接收傳感器且波形不會發生畸變，因此選用L(0,2)模態導波來進行管道缺陷檢測可以取得較為理想的效果。

通過編程和數值計算，可以繪制出不同模態導波在管壁中的位移分布。當給定頻率120 kHz時，管壁中L(0,2)模態和L(0,1)模態的位移分布如圖2所示。由圖2a可見，L(0,2)模態的軸向位移沿管道壁厚呈均勻分布且幅值相對較大，有利于監測管道橫截面上任意位置的缺陷損傷。L(0,2)模態沿管壁的徑向位移相對較小，在傳播過程中能量泄漏少，適合于長距離傳播。當激勵信號沿管壁軸向振動時，將在管道中產生L(0,2)模態導波。

圖2 頻率為120 kHz時L(0,2)和L(0，1)模態的位移分布Fig.2 Displacement distribution of L(0,2) and L(0,1) modes at 120 kHz frequency

由圖2b可見，L(0,1)模態的軸向位移沿管道壁厚呈不均勻分布狀態，并且同時存在正向和反向的軸向位移。正是由于這種正、反方向軸向位移的存在，導致管道缺陷沿徑向深度擴展時，L(0,1)轉換模態導波的幅值呈現出一種有規律的變化趨勢，為管道缺陷徑向損傷深度評估提供了重要參考。L(0,1)模態沿管道壁厚的徑向位移相對較大，當激勵信號沿管壁徑向振動時將在管道中產生L(0,1)模態導波。

采用長度伸縮型PZT壓電片并使其沿管道軸向振動，同時選擇PZT壓電片的長度為特定頻率下L(0,1)模態的波長，可以激勵出單一的L(0,2)模態用于管道缺陷監測，同時可抑制激勵過程中產生的L(0,1)模態[10-11]。由圖1b所示的相速度頻散曲線可知，當頻率為120 kHz時，L(0,1)模態的相速度約為1 937 m/s，此時L(0,1)模態波長λ=1 937/(120×103)=16 mm，因此選用長度為16 mm的長度伸縮型PZT壓電片組成激勵傳感器陣列，沿圓周均勻布置在管道的一端，然后對該陣列施加一個中心頻率為120 kHz的漢寧窗調制正弦波信號，即可激勵出管道中的L(0,2)模態導波用于缺陷監測。

1.2 管道缺陷徑向損傷深度對L(0,2)與L(0,1)模態轉換的影響

導波在管道中傳播時遇到缺陷會發生模態轉換，而缺陷的形狀和尺寸特征對導波模態轉換具有決定性的作用。當激勵入射的L(0,2)縱向模態導波在帶缺陷的管道中沿軸向傳播時，在缺陷位置處會發生散射并且產生模態轉換，部分L(0,2)模態將轉換為F(n,m)彎曲模態和L(0,1)縱向模態，F(n,m)彎曲模態可以通過對沿管道圓周均勻布置的傳感器陣列中各個傳感器接收信號進行疊加而消除，而L(0,1)轉換模態則將得到保留。下面說明缺陷徑向損傷深度對L(0,2)到L(0,1)模態轉換的影響。圖3所示為管道缺陷對L(0,2)和L(0,1)模態在管壁中位移分布的影響示意圖。如圖3a所示，L(0,2)縱向模態導波在管道缺陷處產生反射，形成正向位移分量和反向位移分量。將缺陷處軸向位移零點位置標記為O，正向位移分量標記為A，反向位移分量標記為B。此時管壁中同時出現的正向和反向位移分量與L(0,1)模態十分相似，如圖3b所示。對管道截面施加的激勵載荷與某種導波模態在管壁中位移分布的相似程度越高，越容易激發出該模態的導波。

圖3 管道缺陷對L(0,2)和L(0,1)模態在管壁中位移分布的影響Fig.3 Schematic diagram of influence of pipeline defects on displacement distribution of L(0,2) and L(0,1) modes in pipe wall

當L(0,2)模態導波沿帶缺陷的管道軸向傳播時，在遇到缺陷之前管壁中只有一個均勻向前的正向位移分量，此時不會出現L(0,1)模態。當遇到缺陷時，L(0,2)模態導波會發生散射，一部分L(0,2)模態繼續向前傳播，仍表現為正向位移分量A；另一部分L(0,2)模態則從缺陷處發生反射而向后傳播，表現為反向位移分量B。此時管壁中的位移分布與L(0,1)模態相似，因此部分L(0,2)模態將在缺陷處轉換成L(0,1)模態。如果管道中沒有缺陷，反向位移分量B為0；如果管道中的缺陷達到穿透管壁的程度，則正向位移分量A為0。在這兩種情況下，管壁中的位移分布均與L(0,1)模態的軸向位移分布不一致，因此不會發生L(0,2)到L(0,1)的模態轉換。由此可見，只有當管道中存在未貫穿管壁的缺陷時，管壁中同時出現正向位移分量A和反向位移分量B，與L(0,1)模態的軸向位移分布相一致，此時缺陷處的反射信號中將包含L(0,1)轉換模態。

圖4為管壁中L(0,1)轉換模態隨管道缺陷徑向深度擴展的變化趨勢。如圖4a所示，當缺陷徑向深度為0(無管道缺陷)時，由于管壁中只有正向位移分量A，此時將不會出現L(0,1)轉換模態。隨著缺陷沿徑向深度擴展，反向位移分量B逐漸增大，管壁中的位移分布逐漸與L(0,1)模態相匹配，導致L(0,1)轉換模態逐步出現，使得L(0,1)轉換模態導波的幅值隨著管道缺陷徑向深度的增加而逐漸增大。

如圖4b所示，當缺陷沿徑向深度擴展達到半壁厚時，正向位移分量A和反向位移分量B均達到與L(0,1)模態軸向位移分布最高的相似度，此時L(0,1)轉換模態導波的幅值將達到最大值。如圖4c所示，當缺陷沿徑向深度逐漸擴展到穿透管壁時，反向位移分量B將持續增加到最大值，而正向位移分量A則將減小到0，正、反向位移分量與L(0,1)模態軸向位移分布的相似度逐漸降低，相應地，L(0,1)轉換模態導波的幅值將逐漸減小并最終變為0。以上整個過程中L(0,1)轉換模態導波的幅值將隨著管道缺陷徑向深度的增加而呈現出先增大后減小的變化趨勢，這一特征對于評估管道缺陷徑向損傷深度具有重要意義。

圖4 L(0,1)轉換模態隨缺陷徑向深度擴展的變化趨勢Fig.4 Variation trend of L(0,1) conversion mode with radial depth expansion of defects

2 合成時間反轉法聚焦原理

利用導波進行管道缺陷監測時，管道中的缺陷可以看作一個新的被動導波源[17]，它在反射激勵模態導波的同時，還會產生許多新的轉換模態。采用時間反轉法可以使多種模態導波同時到達缺陷位置，實現導波能量在管道缺陷處聚焦，增強缺陷反射回波的幅值，從而提高管道缺陷的監測能力[18]。通常，時間反轉法需要采用多通道同步激勵-接收系統來完成多路信號的同步激勵和接收，既復雜又不方便，而且實現起來還具有一定難度。本文采用一種新的合成時間反轉方法，利用簡單的單通道激勵-接收設備，通過反復多次激勵和接收過程獲得多組數據，然后通過信號處理方法等效實現多通道同步激勵-接收系統的時間反轉聚焦功能[19]。

如圖5所示，(zD,θD,rD)表示管道缺陷，N個傳感器沿管道圓周均勻分布組成傳感器陣列EN，(zi,θi,ri)與(zk,θk,rk)分別表示陣列中傳感器Ei和Ek(i，k=1,2,3，……，N)的中心位置。通過傳感器陣列同步激勵得到的超聲導波沿管道向前傳播，到達缺陷處時，會發生散射和模態轉換。此時缺陷可視為一個新的導波源，以反射波的形式向外發射超聲導波，并沿著管道反向傳播回傳感器陣列。陣列中傳感器Ek接收到的信號如下：

圖5 帶有缺陷和傳感器陣列的管道示意圖Fig.5 Schematic diagram for pipeline with defects and sensor arrays

(1)

式中：HDk(ω)為缺陷(zD,θD,rD)到傳感器Ek的傳遞函數；S1(ω0)為初始激勵信號的傅里葉變換；HiD(ω)為由傳感器Ei到缺陷(zD,θD,rD)的傳遞函數；N為陣列中傳感器的個數。

超聲導波在管道中傳播時滿足互易定理，根據時間反轉法[16-17]，在時域內對信號進行反轉相當于在頻域內對信號取復共軛。因此由傳感器Ek接收信號生成的時間反轉信號為：

(2)

式中：*表示復共軛, 下標TR表示時間反轉信號，τ為保證因果關系所需的總延遲時間。

總共生成N個時間反轉信號，將所有N個時間反轉信號通過相應的傳感器再次同步激勵，到達缺陷處的時間反轉聚焦信號為：

(3)

式中：HkD(ω0)為由傳感器Ek到缺陷(zD,θD,rD)的傳遞函數。

整個傳感器陣列接收到的最終時間反轉聚焦信號可表示為：

(4)

式中：HDi(ω0)為由缺陷(zD,θD,rD)到傳感器Ei的傳遞函數。

令：

(5)

則式(5)可重新表示為:

(6)

3 試驗驗證

取一根外徑76 mm，壁厚4 mm，長度2 000 mm的AISI304不銹鋼管作為試驗管道，如圖6所示。在距離管端800 mm處設置一個周向槽形裂紋缺陷，缺陷深度1 mm，軸向寬度2 mm，周長35 mm。在管道一端外表面均勻布置2個PZT傳感器陣列，分別用于激勵和接收超聲導波，陣列之間軸向距離為1mm，每個陣列包含16個尺寸為16 mm×3 mm×1 mm的長度伸縮型PZT壓電陶瓷晶片，陶瓷晶片的機電耦合系數k31為0.38，壓電常數d31為-210 C/N，頻率常數為2 000 Hz·m。這種布置可以在管道中激勵出單一的L(0,2)模態導波，并且易于壓制F(n,m)彎曲模態導波[10-11]。管道缺陷與傳感器陣列布置如圖7所示。

圖6 試驗管道示意圖Fig.6 Schematic diagram of test pipeline

圖7 管道缺陷與傳感器陣列布置Fig.7 Pipeline defects and arrangement of sensor arrays

試驗儀器主要包括任意波形發生器(SDG2122)、功率放大器(ATA2021H)、數字示波器(MSO2014)以及用于信號處理的計算機。AISI304試驗管道采用木質支架支撐。采用直接導波法對管道缺陷進行監測。由任意波形發生器產生120 kHz漢寧窗調制10周期正弦信號，通過功率放大器放大，同步加載到激勵傳感器陣列中的16個PZT壓電片上，激勵出管道中的L(0,2)模態導波。導波沿管道向前傳播時遇到缺陷會發生模態轉換同時產生反射回波，回波信號被接收傳感器陣列中的PZT壓電片所接收，并通過數字示波器進行采集，共采集16個PZT壓電片的信號。通過數字存儲示波器從單個接收PZT壓電片采集得到的信號如圖8所示。

圖8 單個接收PZT壓電片上的信號Fig.8 Single signal received on PZT piezoelectric plate

由圖8可見，信號波包較為復雜，其中除了L(0,2)反射模態之外，還包含有L(0,1)以及F(n,m)等轉換模態信號。將沿管道圓周均勻布置的接收傳感器陣列中所有PZT壓電片獲得的信號進行疊加，可以消除F(n,m)轉換模態的影響[28]。對16個PZT接收壓電片獲得的信號進行疊加并進行幅值歸一化處理，結果如圖9所示。

由圖9可見，在L(0,2)激勵信號與尾端回波之間呈現出了兩個信號波包，而在管道中只設置了一個缺陷。根據圖1頻散曲線中L(0,2)和L(0,1)模態導波的群速度，結合圖9中信號波包出現的時域位置進行分析，第一個波包為管道缺陷反射的L(0,2)模態，第二個波包為L(0,2)激勵模態與管道缺陷相互作用而產生的L(0,1)轉換模態。另外,從圖9還可以看到，對于徑向損傷深度為1 mm的管道缺陷，采用直接導波法監測得到的L(0,2)和L(0,1)信號波包幅值都很小，在實際應用中可能被噪聲淹沒而無法識別。

圖9 全部接收PZT壓電片信號的疊加結果Fig.9 Superposition results of all PZT piezoelectric plate signals received

為了提高超聲導波對管道缺陷的監測能力，采用合成時間反轉法來進行管道缺陷監測試驗。如圖8所示，對每個接收PZT壓電片獲得的監測信號，用一個適當的信號截取矩形窗，從相同的時間起點進行信號截取，截取內容包括L(0,2)反射模態和F(n,m)轉換模態波包信號，記為f(t)。對每一個截取得到的波包信號進行時間反轉處理，生成16個時間反轉信號fTR(t)，且滿足fTR(t)=f(τ-t)，其中τ為信號截取矩形窗的寬度。將每個時間反轉信號通過激勵PZT傳感器陣列中與接收PZT壓電片圓周位置相同的激勵PZT壓電片重新激勵，共激勵16次。每次激勵后，都要通過數字示波器從接收PZT傳感器陣列中記錄16個接收信號，總共獲得16×16個接收信號，最后對全部接收信號進行疊加求和，得到等效的多通道同步激勵-接收系統的時間反轉聚焦信號，經過幅值歸一化處理之后的時間反轉監測結果如圖10所示。

與圖9比較，時間反轉監測信號中L(0,2)和L(0,1)模態的幅值都得到明顯提高。定義缺陷反射系數為缺陷反射回波波包峰峰值與激勵波包峰峰值之比，則采用直接導波監測獲得的缺陷反射系數為0.016 9，而采用時間反轉導波監測獲得的缺陷反射系數為0.086 3，放大了4倍多。可見在管道缺陷超聲導波監測中采用時間反轉技術可有效增強監測信號的信噪比，提高管道缺陷監測能力。

由圖10可見：隨管道缺陷徑向深度的擴展，L(0,2)反射模態幅值呈單調增長的趨勢，而L(0,1)轉換模態幅值則呈現出先增大后減小的趨勢；當缺陷徑向深度達到貫穿管壁時，L(0,1)轉換模態幅值變為0。這一特征與1.2節中關于管道缺陷徑向深度變化對L(0,2)和L(0,1)模態影響的理論分析一致，說明在管道缺陷監測過程中利用L(0,2)和L(0,1)模態的變化趨勢進行缺陷徑向損傷深度評估切實可行。

4 監測結果分析

4.1 缺陷損傷沿徑向深度擴展時L(0,2)和L(0,1)模態導波的反射特征

為了定量反映管道缺陷損傷沿徑向深度擴展時L(0,2)和L(0,1)模態導波的反射特征，將缺陷周長固定為管道周長的20%，并將缺陷徑向深度分為10個等級，從10%壁厚擴展到100%壁厚，增量為10%壁厚。在120 kHz激勵信號下采用時間反轉法進行缺陷監測試驗，獲得不同缺陷徑向深度下L(0,2)和L(0,1)模態導波的缺陷反射系數，監測結果如圖11所示，其中圓形標注曲線為L(0,2)模態缺陷反射系數，正方形標記曲線為L(0,1)模態缺陷反射系數。由圖11可知：隨著缺陷沿徑向深度的擴展，L(0,2)模態缺陷反射系數單調增加，而L(0,1)模態缺陷反射系數先增大后減?。辉谌毕輳较蛏疃冗_到半壁厚前，L(0,2)和L(0,1)模態缺陷反射系數幾乎相同；當缺陷徑向深度達到50%壁厚時，L(0,1)模態缺陷反射系數達到最大值；隨著缺陷徑向深度進一步擴展，L(0,1)模態缺陷反射系數逐漸減小，而L(0,2)模態缺陷反射系數仍繼續增加；當缺陷徑向深度達到貫穿整個管壁時，L(0,1)模態缺陷反射系數減小到0，而L(0,2)模態缺陷反射系數達到最大值?？梢?，通過監測L(0,2)和L(0,1)模態缺陷反射系數的變化趨勢，可有效評估管道缺陷徑向損傷深度，從而判斷損傷是否達到50%壁厚或貫穿程度。

圖11 L(0,2)和L(0,1)模態缺陷反射系數沿缺陷徑向深度擴展的變化曲線Fig.11 Variation curve of defect reflection coefficients ofL(0,2) and L(0,1) modes along radial depth expansion of defects

4.2 缺陷損傷沿管道周向擴展時L(0,2)和L(0,1)模態導波的反射特征

缺陷徑向深度固定為壁厚的70%(即非貫穿缺陷)，將缺陷周向長度分為10個等級，從管道周長的10%擴展到100%，增量為10%管道周長。在120 kHz激勵信號下采用時間反轉法進行缺陷監測試驗，獲得不同缺陷周向長度下L(0,2)和L(0,1)模態導波的缺陷反射系數，監測結果如圖12所示，其中圓形標注曲線為L(0,2)模態缺陷反射系數，正方形標記曲線為L(0,1)模態缺陷反射系數。由圖12可知，L(0,2)和L(0,1)模態缺陷反射系數隨缺陷周向長度的增加都呈現出非線性增加趨勢，開始時增加較快，然后逐漸變慢而趨于一個常數值。這是因為采用時間反轉法進行管道缺陷監測，不同模態的導波能量會在管道缺陷處發生聚焦。隨著缺陷周向長度的增加，導波能量將沿周長逐漸分散。當缺陷沿周向長度進一步擴展達到整個管道周長時，導波能量將均勻地分布到整個管道圓周之上。

圖12 非貫穿缺陷L(0,2)和L(0,1)模態缺陷反射系數沿周向長度擴展的變化曲線Fig.12 Variation curve of defect reflection coefficients of L(0,2) and L(0,1) modes with non-penetrating defects along circumferential length expansion

缺陷徑向深度固定為壁厚的100%(即貫穿型缺陷)，在120 kHz激勵信號下采用時間反轉法進行缺陷監測試驗，獲得不同缺陷周向長度下L(0,2)和L(0,1)模態導波的缺陷反射系數，監測結果如圖13所示，其中圓形標注曲線為L(0,2)模態缺陷反射系數，正方形標記曲線為L(0,1)模態缺陷反射系數。由圖13可知，L(0,2)模態缺陷反射系數隨缺陷周向長度的增加呈現出非線性增加趨勢，而L(0,1)模態缺陷反射系數近似為0。

圖13 貫穿型缺陷L(0,2)和L(0,1)模態缺陷反射系數沿周向長度擴展的變化曲線Fig.13 Variation curve of defect reflection coefficients of L(0,2) and L(0,1) modes with penetrating defects along circumferential length expansion

可見，只有對于管道中的非貫穿缺陷，L(0,2)模態導波在管道中傳播時才會發生L(0,2)到L(0,1)的模態轉換，而對于貫穿型缺陷則不會發生這種模態轉換。該特征與1.2節中關于L(0,2)到L(0,1)模態轉換的分析一致，這也是管道缺陷徑向損傷深度評估的另一個重要參考依據。

5 結 論

(1)采用疊加合成的方法，利用單通道裝置進行多次激勵和接收信號操作，等效完成了多通道同步激勵-接收時間反轉信號的功能，實現了導波能量在管道缺陷處聚焦，使缺陷反射回波幅值明顯增強，特別是對于損傷早期的小裂紋缺陷，可以有效提高監測信號的信噪比。

(2)L(0,2)模態導波沿帶有缺陷的管道傳播時，由于管壁出現與L(0,1)模態相似的軸向位移分布，導致部分L(0,2)模態轉換為L(0,1)模態。隨著缺陷徑向損傷深度擴展，L(0,2)與L(0,1)模態缺陷反射系數分別呈現不同的變化規律。

(3)只有非貫穿管道缺陷才會發生L(0,2)到L(0,1)的模態轉換，對于貫穿型缺陷則不會發生這種模態轉換。

(4)對于非貫穿缺陷損傷，通過監測L(0,2)和L(0,1)缺陷反射系數的變化趨勢，可以有效評估管道缺陷徑向損傷的深度，判斷缺陷損傷是否達到半壁厚或貫穿程度。