基于信息可視化的非線性超聲研究現狀及成熟度分析

尤衛宏 王昭 張洪鵬 張寧 彭賢民 李保

摘? 要：基于信息可視化分析，對非線性超聲的研究現狀進行分析。檢索Web of Science數據庫，得到非線性超聲相關文獻4 061篇。對關鍵詞進行可視化分析及聚類分析，非線性超聲領域關鍵詞主要涉及6個方面，目前主要側重于理論研究。對于應用范圍，在微裂紋、結構監測等方面具有應用前景。對非線性超聲的論文數及專利數進行技術成熟度分析，結果表明其處在技術發展的增長期。

關鍵詞：非線性超聲；信息可視化分析；無損檢測；成熟度分析；關鍵詞分析

中圖分類號：O426? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）06-0080-04

Abstract： Based on the analysis of information visualization， the research status of nonlinear ultrasound is analyzed. 4 061 articles about nonlinear ultrasound were obtained by searching Web of Science database. For visual analysis and cluster analysis of keywords， the keywords in the field of nonlinear ultrasound mainly involve six aspects， which mainly focus on theoretical research at present. For the range of application， it has an application prospect in microcracks， structure monitoring and so on. The technology maturity of the number of papers and patents of nonlinear ultrasound is analyzed， and the results show that it is in the growth period of technology development.

Keywords： nonlinear ultrasound; information visualization analysis; non-destructive testing; maturity analysis; keyword analysis

在工程領域，存在大量長時間工作在高溫高壓等嚴苛環境中的金屬材料，在服役中逐漸產生微小損傷，當累積損傷達到一定閾值后，將導致設備設施損壞、人員傷亡等重大安全事故。金屬的損傷累積階段占服役周期的大部分時間，因此，對材料早期的無損檢測具有重要的預警意義。

超聲波檢測技術具有適用性強、范圍廣、精度高、實時性強的特點，是無損檢測的重要技術方法。超聲檢測技術主要包括線性超聲和非線性超聲檢測，目前主要應用的是線性超聲技術。線性超聲檢測技術利用聲波在傳播過程中的能量損失、反射、透射、衍射等特性來檢測和評估缺陷的大小和位置。線性超聲檢測常用于微裂紋累積引起的疲勞失效階段。如果材料缺陷的尺寸遠小于超聲波波長的一半，或者如果測量材料的聲阻抗差異非常小，則線性超聲波對材料中早期缺陷的檢測能力顯著下降[1]。

疲勞微裂紋、早期位錯疲勞損傷和界面不完整等小缺陷會產生諧波和次諧波；會導致波束混疊及諧振頻率的改變等聲學非線性效應。非線性無損超聲檢測和評價方法對于分析頻率范圍內的信號特征識別故障非常有用，彌補了傳統線性超聲檢測的不足，是傳統線性超聲技術的有效補充[2]。

對于如何研究一門學科的研究現狀與發展趨勢，許多學者認為大量閱讀該學科領域的相關文獻是必要的。然而，對于工程領域工作者，徹底地閱讀一個領域所有的文獻是困難且幾乎不可能完成的，尤其對于剛剛進入該領域的研究者。所以，有必要通過一個特殊的手段總結現有的文獻，以評估該領域的研究現狀和未來的發展趨勢。因此本文通過信息可視化方法，對非線性超聲領域的文獻進行收集并分析，為工程人員研判非線性超聲潛在應用價值及趨勢提供參考[3]。

1? 文獻范圍

本文的文獻數據基于ISI Web of Science引文文摘索引數據庫的網絡在線版本Science Citation In- Expanded（SCI-EXPANDED）數據庫。SCI數據庫是1961年由美國科學信息研究所（Institute for Scientific Information，簡稱ISI）在美國費城創辦的引文數據庫，它是國際公認的進行科學統計與科學評價的主要三大科技文獻檢索工具之一。通過用“nonlinear ultrasonic”作為搜索主題的關鍵詞，用以代表與非線性超聲領域相關的文獻，檢索年份為全部年份，檢索到4 061篇文獻。

2? 研究手段

對檢索結果運用VOSviewer等軟件進行分析與數據統計。文獻標題和摘要是評價文獻參考價值的重要依據。關鍵詞是文獻中的重要信息和知識點。作者通常在文獻中列出3～8個關鍵詞，以反映論文的主題。對關鍵詞進行相關性分析及聚類分析是文獻計量學的關鍵步驟，通過定量和定性的關鍵詞分析，可以迅速找到當前該領域研究的重點及焦點，并使研究人員更容易發現具體問題。

同時，使用技術文獻分析方法和技術專利分析方法，對非線性超聲領域的文獻數量和專利數量進行分析，以分析其技術發展成熟度。

3? 技術成熟度分析

一般認為，技術的發展可以定量為一條用數學計算公式擬合模擬的曲線。在技術發展初期，一般符合指數模型，其在前期增長會比較迅速。在發展終末期，則符合logistic方程S型曲線的上半段，增長放緩[4]。

統計了非線性超聲領域每年的論文數量及德溫特專利庫收錄的國際專利數，進行分析。對非線性超聲領域的每年發表文獻數量進行作圖，如圖1所示，可以看出其增長較為符合指數型，增長速率漸漸加快。對每年專利數進行分析，如圖2所示，可以明顯看出R-Square達到0.94以上，其與指數型方程擬合度較好。因此，結合論文數分析和專利數分析，可以表明其處在技術發展的增長期。這也與其目前側重于理論研究相吻合。

4? 聚類網絡圖分析

在檢索的相關文獻中，出現頻率10次以上的關鍵詞有420個，為了更清晰地呈現出這些關鍵詞的聚類關系，本文同樣繪制了關鍵詞聚類網絡圖，如圖3所示。圖中，每個圓圈代表一個關鍵詞，圓圈的大小反映了這個關鍵詞出現的頻率，為了避免標簽的重疊，有些出現頻率低的關鍵詞沒有顯示，線條的密集程度反映了這些關鍵詞同時出現的頻率強度。頻率前100的關鍵詞列表見表1。

5? 關鍵詞類別分析

結合聚類網絡圖，可將關鍵詞分成6類。

第一類關鍵詞主要涉及超聲、非線性聲學、模擬、聲學、散射、動力學、超聲成像、空化、頻率、傳感器、場、微氣泡、非線性傳播、振蕩、泡沫和梁等。主要涉及到非線性聲學的總體機理原理部分。

第二類關鍵詞主要涉及行為、衰減、聲速、微結構、溫度、壓力、聲音、強度、機械性能、波傳播、分散、壓力、媒介、常量、彈性、磁滯、密度、依賴、吸收和超聲波聲速等。主要涉及環境因素對聲波特性的影響。

第三類關鍵詞主要涉及傳播、光譜學、結構健康監測、損傷檢測、非線性超聲、無損評價、調制、材料剝離損傷、非線性、新科技、彈性波譜、相關性、裂縫、無損檢測、疲勞裂紋、復合材料、接口、裂紋、非線性接觸聲學、聲諧波發生、裂紋檢測、分層、導波、增長、定位、反射等。主要涉及非線性超聲的應用及涉及的聲學原理。

第四類關鍵詞主要涉及模型、識別、設計、超聲電機、系統、水、振動、預測、性能和層析成像等。主要涉及非線性超聲計算建模。

第五類關鍵詞主要涉及損傷、代際、波動、疲勞損傷、蘭姆波、產生諧波、二次諧波、非線性超聲學、金屬疲勞、固體、超聲波動、盤狀物、彈性波、蘭姆波、模式等。主要涉及對波的分析。

第六類關鍵詞主要涉及混凝土、損失評估、抗壓強度、微裂縫和砂漿等。主要涉及混凝土件等方面。

六類關鍵詞中涉及到機理的有4類，表明非線性超聲目前主要處在理論研究方面。在理論部分，非線性超聲涉及到諧波、二次諧波、蘭姆波等，其聲學路徑復雜，物理影響因素較多，數學計算分析難度較高。

在應用方面，非線性超聲主要用來監測早期裂紋發展[5]，如該技術發展成熟，有望在海洋平臺、導管架等海洋工程設施的關鍵部位設立原位監測傳感器，以監測海洋工程在惡劣工況下早期裂紋的產生，或通過對超聲特征的分析對比數據庫中設施的各壽命階段的聲學特征，以進行設施的剩余壽命評估。一個因裂紋發展而成的事故，往往大部分時間階段都在裂紋的發展階段，及時將重大風險事故扼殺在發展階段具有充分的時間窗口。在這方面，未來有著重要的應用意義和前景。

武漢科技大學的Chen[6]提出了一種新的結構健康監測無損檢測方法，該方法采用帶外源輸入的非線性自回歸移動平均（NARMAX）建立了輸入信號與輸出響應之間的時域模型。提出了基于時域數據的NARMAX模型的頻響（FRF），以獲得評估結構健康狀況的指標。

南京航空航天大學的Wang[7]提出了一種基于裂紋-波相互作用的非線性超聲技術研究疲勞裂紋的擴展。為了精確地揭示蘭姆波的變化，建立了一個周圍有塑性區的呼吸裂紋模型。根據蘭姆波的基波分量和諧波分量計算的相關非線性參數隨疲勞裂紋的擴展呈線性增加。相對非線性與超聲參數有關，如周期數和脈沖信號的激發頻率。此外，它還與傳感器與裂紋之間的角度有關，而不是它們之間的距離。實驗結果表明，超聲非線性的增大趨勢與有限元分析結果吻合較好。

6? 國家（地區）分析

對論文發表作者所在國家（地區）進行分析。如圖4所示，可以看出，在非線性超聲領域文獻發表數較多的國家（地區）里，中國和美國是發表論文數最多的國家，同時也是國際間合作最多的國家。同時，檢索5年內新發表的論文，引用數靠前的論文里，中國發表的較多，說明該領域我國發表論文質量與數量均排在前列。根據不同顏色的聚類結果，中國與新加坡、澳大利亞、中國臺灣地區被分在同一聚類簇中，說明之間聯系較為密切。

7? 結束語

綜合來看，非線性超聲領域目前正處在技術發展期，幾類關鍵詞多數聚焦于理論方面，而該領域的整體文獻數量較少，表明其目前主要是在理論研究方面，在應用方面有待深入挖掘。對于應用范圍，在微裂紋、結構監測等方面具有應用前景。同時，非線性超聲學特性復雜，涉及到蘭姆波、諧波、二次諧波、非線性聲學等，物理及數學處理難度較高。中國和美國是該領域論文發表最多和國際間合作最多的國家。

參考文獻：

[1] 尚飛，張宏輝.非線性超聲檢測技術的應用和發展[J].聲學技術，2022，41（6）：846-853.

[2] 周正干，劉斯明.非線性無損檢測技術的研究、應用和發展[J].機械工程學報，2011，47（8）：2-11.

[3] 王正泉，李言濤，徐瑋辰，等.全球腐蝕與防護領域研究現狀與發展趨勢分析：基于文獻計量學和信息可視化分析[J].中國腐蝕與防護學報，2019，39（3）：201-214.

[4] 王昭，尤衛宏，常宇，等.基于TBM和TPA方法的無損檢驗技術成熟度分析[J].科學技術創新，2022（16）：21-24.

[5] JHANG K Y.Nonlinear Ultrasonic Techniques for Non-destructive Assessment of Micro Damage in Material： A Review[J].International Journal of Precision Engineering and Manufacturing，2009，10（1）：123-135.

[6] CHEN H X， HUANG L， YANG L， et al.Model-based method with nonlinear ultrasonic system identification for mechanical structural health assessment[J].Transactions on emerging telecommunications technologies，2020，31（12）.

[7] WANG R， WU Q， YU F M， et al.Nonlinear ultrasonic detection for evaluating fatigue crack in metal plate[J]Structural health monitoring-an international journal，2019，18（3）：869-881.