基于超声导波的结构健康状态无损检测及在线监测

应用领域：

基于超声导波的结构材料损伤快速无损检测及损伤在线监测应用。

挑战：

目前广泛应用的超声波检测技术大多基于超声体波，由于超声体波的传播特点，需要对结构进行逐点检测，因此存在检测效率低，成本高等缺点；同时逐点扫描的检测方式也限制了其在结构健康监测领域的应用。

超声导波是体波在结构界面反射叠加形成的沿结构界面传播的应力波。超声导波相对于体波具有衰减小，传播距离长的特点，可实现对形状规则的大结构件的快速无损检测；并且具有在线应用潜力，可作为结构健康在线监测的技术手段。

但是超声导波相对于体波更加复杂，主要表现为两方面：一方面为导波的多模态特性，即同一频率下同时存在有多种导波模态；另一方面为频散特性，即同一模态导波在不同频率下的传播速度不同。超声导波的复杂性对检测平台和检测方法提出了更高的要求。

解决方案：

超声导波检测方法为主动检测，包括信号的激发的和接收。针对导波的多模态的特性，拟采用单一模态导波作为检测信号，因此需要在检测平台从信号激发和接收两方面抑制其他模态。主要通过传感器尺寸，信号激发频率，优化匹配实现单一导波模态激发。

为了实现对被检对象的快速检测，根据雷达原理发展了适用于超声导波的相控阵列及信号处理算法，以此实现对材料损伤的快速成像检测。

1 应用背景

随着当前对大型设备结构安全性的日益关注，无损检测技术已成为现代结构设备制造和使用过程中必不可少的检测手段之一, 广泛应用于各个领域，如航空航天领域、电力生产领域、石化输运加工领域等。这些领域的设备结构通常处于较恶劣的工作条件，容易发生磨损、腐蚀、疲劳、蠕变等损伤，进而造成结构内部产生缺陷，危害结构安全性。因此对这些设备结构进行实时监测和诊断成为无损检测技术应用中的一个重要方面。

目前工业界常用的五大无损检测方式包括：渗透检测，磁粉检测，涡流检测，超声波检测，射线检测。在这五种检测方式中，超声波检测由于适用范围广（既可检测金属，也可检测非金属），对人体无害而应用较为普遍。目前常规的超声波检测主要使用体波，只能检测探头覆盖区域或者探头周围很小范围，因此通常采用逐点检测的方法。逐点检测方法的缺点就是检测效率低，检测成本高。而使用超声导波的无损检测技术则可以有效地解决这一问题。

超声导波是目前常规应用超声体波的叠加组合。在无限均匀各向同性弹性介质中, 只存在两种超声波：纵波和横波，这两种超声波称为超声体波， 二者分别以各自的特征速度传播而无波型耦合。 在有限尺寸波导(如平板、圆管) 中传播的纵波和横波由于受到边界的制约以及在边界处发生不断的模态转换，将会产生沿波导传播的超声导波。因此超声导波是由超声体波（包括纵波和横波）在波导上下界面间反射叠加而形成的沿波导传播的一种应力波。

由于超声导波是在具有上下界面的固体中传播的应力波，其衰减主要是由材料吸收造成的，因此与传播距离成正比。而超声体波在固体材料是从激发点向三个方向扩散，其衰减与传播距离的平方成正比。因此超声导波的衰减相对体波来说小很多，可以沿波导传播很长距离。

基于超声导波传播距离长的特点，其在无损检测应用中可以实现一次检测数米距离，是对传统逐点扫描方式的极大改进。同时，对于发电领域和石化领域常见的包覆及埋地结构，利用超声导波检测技术只需要一点接入就可以检测数米距离，不需要完全暴露结构，可以极大的提高效率并降低成本。

由于超声导波检测距离长、范围广，具有在线应用潜力，可以作为结构健康状态检测(SHM)的技术手段。

2 面临问题

由于超声导波是超声体波在波导中的反射和叠加，因此超声导波相对体波来说更加复杂，表现为多模态和频散特性。

对于表面处于自由边界条件下的各相同性板状构件，其频散关系可表达为：

(1)

其中，h是平板半壁厚，ω角频率，k是波数，V_L和V_S分别是材料中纵波和横波波速。此种表达方式，当α=0代表对称模态，当α=π/2代表非对称模态。

根据平板中的频散关系可以得出导波频散曲线，如图1所示。从中可以看出，在同一频率下同时存在多种导波模态。如800kHZ以下，同时存在有有三种模态，分别为A0模态、S0模态和SH0模态。随着频率的增加，同时存在的导波模态数也会随之增加，如在2MHz下，平板内存在有8种可传播模态。导波这种多模态效应会使得接收到的缺陷反射信号复杂化，对其检测应用产生较大影响。

另外从频散曲线图中还可以看出，同一模态导波在不同频率下的传播速度会发生变化，这将导致激发信