（机械制造及其自动化专业论文）充液管道泄漏的模态声发射检测技术研究.pdf

摘要 摘要 管道泄漏检测是石油、化工、天然气和城市供水等领域中需要解决的重要 问题之一。研究管道泄漏的检测理论、检测方法，实现对管道泄漏点的精确定 位，对于维护管网的安全运行，避免资源的浪费，有着重要的理论意义和应用 价值。模态声发射是在传统声发射基础上发展起来的检测新技术，它对于长距 离、大范围管道泄漏检测具有潜在的优势。本文在实验室条件下，利用模态声 发射技术并结合现代信号处理技术，对充液管道泄漏问题进行了研究。具体包 括以下工作： 1 建立了一套充液管道泄漏声发射检测系统，包括管道泄漏模型和声发射检 测装置两部分。通过对充液管道泄漏声发射检测实验，研究了泄漏声发射 信号的能量和频谱随压力、泄漏孔径大小及传播距离变化的规律； 2 基于小波变换和模态声发射理论，对薄板和充液管道进行了断铅实验研究。 利用g a b o r 小波变换方法对断铅声发射信号进行时频分析，通过确定某一 频率下某一模态导波到达传感器的时间，较好地实现了声发射源定位。研 究表明：该方法不仅可以提高声发射源定位检测精度，还可以得到结构的 频散特性； 3 利用泄漏声发射信号的互功率谱密度函数，考虑结构中导波的多模态和频 散特性，对充液管道泄漏源定位技术进行了研究，构造了泄漏声发射源定 位算法模型。在此基础上，利用结构频散特性确定相关参数、提取单一导 波模态的方法，减小了多模态和频散特性对定位的不利影响，从而较好地 实现了泄漏源的定位。 关键词：模态声发射；充液管道：泄漏；时频分析 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t l e a ki i l p i p ei s o r 坨o ft l em a o rp l d b l e m si 1 1l h eo j l ，c h e m i c a l ，锄d0 t l e fi n d u s 缸e s h e 蛳g a i i o no f t l l em e o r i e sa n dt e c i l l l o l o 西e so fl e a kd 酏e c 廿。也p r e c i s e l yl o ( 蜘n gt h el e a ki s s i 鲥丘c 锄f i lm 血幽gt h es 疵i ym m m go f p i p e i 抽ea n da v o i d i n gw a s t eo fr e s o 嗽 m o d a la c o u s d ce i l l l s s l o n 岫) i san e wn d t t 献m 0 1 0 9 y ，机c hb a s e do n 曲d m o n a l a c o u s i i ce m i s s i o 玛h a sa 1 1a d 【v t a 薛o n1 0 n gr a l l g et e s 血g mm i sp a p l e a ko f v v a t e r 。f m e d p 咄v 船i e s e 雒c 时dhl d b o r a ：【o r yb ym e a i l so f r n o d a la c o 恻c 髓血s s i o na n dm o ( s i g n a l p r o c e s s i 唱t e c h n o l o 百e s t h e m a i n 、r k 血t h i s p 驰i s a s 南o 啪： d e s i g n e da n d s e tu pas y s t e mo f a c o 删ce n l i s s i o n p i p et e s c i l l 舀抽c l u d ep i p ei e a k s i r r “a c e de 舢p m e ma 1 1 da c o 咖ce m i s s i o nt e s 血ge q u i p m e m w 血t l ec h 衄g i n go f 血e p r e s s u r eo f w a t e r _ f i e dp i p e ，d i a r r l e t e ro f1 e a kh o l c ，d i s t a n c eo fp m p a g 撕o r 】，山e 锄嘲g ) ，a n d s p e c 衄no f p i p e 1 e a ks i g n a lw m d h a n g e b a s e d 0 n | i l i ss y s t e m ，m e s e1 a w sw 贫er e s e a i h e db y m 锄s o f e x p e 劬e n t b a s e do nt h el 1 e 嘶e so f 、v a v e l e ta 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t e r n l l e dp i p e ；l e a k ；t i m e f r e q u e n c ya i l a l y 5 i 8 - u 第一章绪论 1 1 本课题的研究背景 第一章绪论帚一旱瑁了匕 管道系统广泛应用于电力、石油、化工、天然气以及城市自来水等工业部 门中。工业管道的工作环境通常非常恶劣，容易产生腐蚀、裂纹、疲劳破坏等， 最终导致管道的泄漏事故。因此，对管道进行监测和诊断就成为无损检测技术 应用中的重要研究内容。目前，我国建设的输油和输气管道已经达到3 0 万余公 里，且正以1 0 0 0 2 0 0 0 公里年的速度铺设新管纠”。随着国家西部开发战略的 实施，特别是西气东输工程的开展，对管道运输的需求将更加迫切。管道泄漏 事故频频发生，不仅造成经济上的巨大损失，而且严重污染环境、影响生态平 衡。现在我国大多数石化管道已进入事故多发期，如何做到防患于未然，搞好 管道检测工作已成为当务之急。除了石化管道以外，自来水管网泄漏的检测和 维修是城市给水工程的一个重要环节，而地下管网泄漏现象，不仅在国内存在， 在大多西方国家也很普遍。据国际给水协会( 1 w s a ) 1 9 9 7 年的调查报告表明【2 】， 管网泄漏量占给水总量的2 0 3 0 ，一些陈旧的给水系统的泄漏量甚至多达 5 0 。因此，研究管道泄漏无损检测方法及新技术，具有重要的理论意义和实 用价值。 使用常规无损检测方法( 如超声、漏磁、管道爬机等检测方法) 【3 - 。7 】对管道 泄漏检测有着众多的优势，如技术成熟，只需对工人稍加培训，就可以利用现 有的专门设备进行检测。但常规无损检测技术有着致命的弱点：检测过程为逐 点扫描，难以有效地用于检测当前工业中广泛使用的成千上万公里的管道。声 发射( a e ) 技术是一种动态无损检测方法，可以实现对结构区域或整体的大范 围检测。但是，该技术主要利用参数分析的方法对声发射信号进行研究陋j ，并 假设：声发射信号是一个衰减的正弦波，声发射信号以不变的速度传播。因此， 基于此原理的声发射仪器分析的是一个窄带信号，测量的特征参数主要是接收 信号的均方根和振铃计数。这种声发射检测技术在实际应用时面临的最大问题 北京工业大学工学硕士学位论文 是，声发射源定位不准确、信号解释困难和噪声问题。 模态声发射( m o d a l a e ) 是声发射技术与导波理论相结合发展起来的声发 射检测新技术 8 l ，这种理论认为，声发射信号由多模态导波组成，每个模态由 一宽带频率成分的波组成，不同频率成分的波以不同的速度传播。由于导波本 身的特性( 沿传播路径衰减很小) ，管道泄漏信号可以沿构件传播比较远的距离， 利用这一特性，可以实现对在役管道的长距离、大范围检测。模态声发射理论 考虑了声发射信号的多模态和频散特性，因而，可以对声发射技术中存在的的 声发射源定位不准确、声发射信号解释困难等问题有更清晰的解释，但同时也 使问题变得更为复杂。 管道泄漏的模态声发射技术研究已成为当前学术界的热点和难点问题，对 此问题研究的突破可望成为管道泄漏检测中更有实际价值的新技术。 1 2 国内外声发射技术研究现状及进展 关于声发射研究的历史可追溯到二十世纪五十年代。5 0 年代初，德国人 k a i s e r 对多种金属材料的声发射现象进行了详尽的研究并发现了后来以其名字 命名的声发射不可逆效应凯撒效应【l o l l 】。这一效应在工业上得到了广泛应 用，成为用声发射技术监测结构完好性的依据。6 0 年代中期，美国人d u l l e g a l l 等把声发射的测试频率范围移到超声频段( 数十到数百千赫) ，大大削弱了背景 噪声的影响，为声发射的实际应用打下了良好基础。到7 0 年代，声发射技术经 历了一段蓬勃发展的阶段。在此期间，声发射波传播理论研究及声发射传感器 的校正理论和实验技术方面都取得了很大进展。我国对声发射技术的研究和应 用始于7 0 年代。鉴于8 0 年代前人们在声发射信号处理方面的能力限制，以及 对声发射源性质和声波产生后到达传感器过程中的传输特性等的认识缺少应有 的深度，在实验结果的重复性和可靠性等方面存在不少问题，8 0 年代初声发射 技术曾陷入低谷。8 0 年代末9 0 年代初，由于计算机和信号处理技术的迅速发展， 声发射技术又一次处于稳步发展阶段。时至今日，声发射技术已变得日趋成熟， 其应用范围已覆盖航空、航天、铁路、汽车、加工业、建筑、石化和电力等几 第一章绪论 乎所有领域。 1 2 1 声发射仪器的研制 声发射仪器的研究始于5 0 年代末6 0 年代初旧1 3 】，经过几十年发展，声发射 仪器在设计、构造与性能上都发生了巨大的变化。 第一代多通道声发射仪器出现在7 0 年代，这一阶段的声发射仪器主要是将 形成各种a e 特征量输出的多通道硬件模块插在一个容纳箱内，通过内部总线 与当时流行的一台标准小型计算机相连。这个阶段声发射仪器除了工作速度和 存储能力不足外，最大缺点来自性能很差的总线结构，常常由于某个a e 信号 独占c p u 资源而使系统处于锁闭状态。 8 0 年代初出现的第二代声发射系统把数据采集功能和显示、存储及计算功 能相分离，加快了数据的存储和处理能力，在实时显示方面也有了一些改进。 但在对诸如纤维增强复合材料的复杂a e 检测方面仍存在困难。 第三代声发射系统起始于8 0 年代末，采用了分布式并行处理技术。在各个 单元间配置了有效的通讯途径以实现快速信息转换和缓冲，避免了由于通道接 口的瓶颈效应而造成数据的死锁和丢失，a e 数据处理能力可达每秒几千波击事 件( h i t ) 以上。 9 0 年代，随着高速d 及有关集成电路( i c ) 芯片性能的大幅度提高和价 格的大幅度下降，声发射检测系统进入了全数字式时代。全数字a e 检测系统 最大的特点是放大后的a e 信号不必再经过一系列的模拟、数字电路才形成数 字特征量，这样做的好处是数字信号具有良好的抗干扰特性，信息能够准确地 发送、传递而无畸变，没有模拟器件离散等因素产生的数据不一致，从而使仪 器的可靠性得到更好的保证。另外，数字化的a e 信号中特征量的提取比模拟 方法容易实现，如采用模拟方法很难在严格意义上给出a e 信号的能量和均方 根值( r m s ) 值，而在数字信号的基础上却容易实现。数字化后的a e 信号保 留了更多的a e 信息，也为信号分析和特征提取提供了更大的开发潜力。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 2 2 声发射的实验研究 国内外对于管道泄漏的声发射实验研究已见报道，但尚处于实验室研究阶 段，现场应用还有待进步完善。 霍臻p 1 等人通过实验的方法得到充液管道泄漏的声发射信号均方根值随压 力变化的关系曲线。 t 酣e jk o s e l ，i g o rg r a b e c 在实验室研究了气体泄漏声发射信号的特点，通 过滤波和相关分析的方法实现了声发射源的定位。 m a m a l l d ac i a r k ，l a n c ee r e w e r t s1 15 】通过实验的方法研究了地埋管道中管 道周围介质对声发射信号在传播过程中的影响，并得到声发射信号能量主要部 分的频谱范围。 o s a m a h u l l a i d ，w i n gt c h u 在定实验条件下模拟塑料管道的多种泄漏形 式，并对其泄漏信号的声特征进行研究，包括声信号或振动信号各频率成分的 特征，即各频率成分与泄漏形式、流量、管压的关系，以及衰减率和波速与频 率之间的关系。对泄漏信号的特征研究有助于设计合适的检测系统，确定传播 速度和实现泄漏源的精确定位。 r l o n g ，k n e ，m j s l o w e 【1 7 】通过实验的方法研究了地埋充水铸铁管道 中声发射信号传播的特征：在距离声发射源较近的长度范围内，接收到的声发 射信号的主要模态为高度频散的f ( 1 ，1 ) 模态，在距离声发射远较远的地方接收到 的声发射信号主要为频散现象较小的口模态。 1 2 3 声发射信号分析方法的研究 随着计算机技术和传感器技术的发展，声发射检测已经由早年简单的参数分 析发展到如今的波形分析。波形分析是通过分析所记录的信号时域波形来获取 声发射信号中所蕴涵信息的一种方法。在波形分析中，信号处理方法是提取波 形信息的重要手段，因此声发射信号的分析是声发射检测方法中重要的一个环 节，其目的是获得声发射源的有关信息( 如声发射源的特征、位置) 。关于声发 第一章绪论 射信号的分析，近年来学术界发表了大量的论文。内容主要集中在神经元网络、 小波分析、相关分析等几个方面。 神经网络 唐秀家、颜大椿【1 6 】研究了管道泄漏后形成多相湍流所引发的应力波在管道 中的传播机理，分析了泄漏引发的管道横振、纵振和圆环振动，提出了一系列 应力波提取指标及离散数据算法。首次提出了以泄漏信号特征指标构造神经网 络输入矩阵，建立对管道运行状况进行分类的神经网络模型以检测管道泄漏事 故的发生。 i g o rg r a b e c ，t a d e jk o s e l 【1 9 】等人对声发射中的声源定位这类逆问题的经验处 理办法进行了阐述，并将其应用到连续声发射信号的源定位中。将连续声发射 现象当作一个随机过程处理，这个随机过程可以通过声源坐标和声发射的相关 函数来描述。由一系列样本所得到的数据形成声发射现象的经验模型。模型的 形成过程中，声发射信号由位于试件特定位置的声源发出，记录的超声信号与 声源坐标一起输入到神经网络中，神经网络的第一层决定信号与信号的形式以 及源坐标数据向量的相关函数，在网络的第二层，利用输入的数据向量并通过 自组织学习过程形成一系列原形向量。为了在学习过程完成之后，网络可以通 过检测到的声波信号确定声源位置，传感器提供声发射信号，由神经网络确定 相应的相关函数并使之与声源坐标相联系，这种相互关系通过网络第三层的非 参数归一化分析方法来实现。 h i r o n o b u 嫩i f 2 0 1 等人1 9 9 6 年在研究材料中裂纹缺陷特性时，利用神经网络 对声源波形进行分析以得到声发射源的信息，考虑到训练网络时需要用到一套 已知的声源波形以及检测波形，在实验中他们利用传统的压电陶瓷换能器来模 拟声发射源以获得相关的数据对网络进行训练，再利用训练好了的神经网络对 声源进行定性和定量分析，取得了满意的效果。 李家林、马羽宽、董支朝口1 1 等人1 9 9 9 年提出了利用人工神经网络对信号进 行剔噪的方法。根据自适应滤波器的特点以及b p 网络的工作原理及应用过程中 存在的一些问题，将传统的b p 算法进行了适当的改进，用训练好的神经网络对 北京工业大学工学硕士学位论文 声发射信号进行剔噪处理，效果比较理想。 小波分析 小波变换是近2 0 年来发展起来的一种信号处理方法，与信号的时域分析和 频域分析不同的是，小波变换具有同时在时域和频域表征信号局部特征的能力， 既能够刻划某个局部时间段信号的频谱能力，又可以描述某频谱信息对应的 时域信息。这对于分析含有瞬态信息的声发射信号是最合适的。张平、刘时风、 庚荣生、沈功田【2 2 】在综合描述声发射信号的特点和小波变换的基本原理基础 上，结合实例介绍了小波变换在声发射信号的特征提取，时域分析和噪声去除 等三个方面的应用。李录平、邹新元、刘镇清、黄瑞菊【2 4 j 、杨建波等给出 了小波分析技术在声波信号分析中的应用，王健【2 3 】等将小波分析技术与人工神 经网络技术相结合用于复合材料中波形的模式识别，具有较高的正确识别率。 蔡正敏、吴浩江【2 7 荆用小波变换的方法对泄漏信号进行去噪处，提高了管道泄 漏的检测精度。 g a n gq i 【2 8 1 介绍了最新发展起来的基于小波变换方法的信号处理技术在复 合材料中裂纹行为研究中的应用，将其与传统的声发射技术进行了比较，结果 证实了基于小波变换方法的分析结果比利用传统分析方法得到的结果更接近于 实际情况。 h c p a r k ，d 一s k i m 【2 9 1 利用小波变换方法对多层结构中声波信号进行了分 析，得到了相速度和群速度的频散关系，分析结果与理论计算吻合较好。 h y u n j oj e o n 函y o u n g s uj a n 扩0 。3 2 】用小波变换方法对板结构中声发射信号 的频散特性进行分析，较好地得到了波到达传感器的时间，实现了声发射源的 精确定位。 虽然连续小波变换已经广泛用于波的频散分析，但连续小波变换( c 、t ) 相对于其它频谱分析工具，如：短时傅立叶变换( s t f t ) 的有效性似乎还缺少 理论证明。y o o ny o 眦g 鼬m ，e u i l g h u n 硒m p 3 1 通过对特定频散的弹性波的c w t 和s t f t 的时频分析进行对比，从理论和实验上证明了c w t 的有效性。 第一章绪论 1 2 4 模态声发射 模态声发射是近年来发展起来的声发射检测新技术，它从理论上较好地解决 了声发射技术应用中面临的源定位不准确、信号解释困难和噪声等问题。模态 声发射最为重要的标志就是采用宽带技术，包括传感器、滤波、信号采集、信 号分析乃至计算机数据传输速度等软硬件都必须满足宽带模态声发射检测信号 的要求【3 4 】。 l a n c ee r e w e n s 和r r d b e r t s 3 6 1 研究了充液管道中波传播的频散特性，建 立了波在充液管道( 直径为2 英寸的无限长管道) 中波的频散模型，并通过时 间空间变换的方法和时间一频率变换的方法，在理论上实现了声发射源的精确定 位。 m s u 唱e o n ，m w e v e r s 【3 7 】对c f r p ( c a r b o nn b r er c i n f o r c e dp l 蹈t i c ) 薄板的声发 射信号进行了模式分析。实验结果表明，利用模态声发射技术既可以对声发射 信号作出合理解释，也可以实现准确的源定位和分离噪声的目的。 刘松平、s t e v ez i 0 1 a 、刘晶口8 3 9 1 等讨论了利用模态声发射对构件中的疲劳 裂纹进行自动监测。对于检测信号中存在的噪声干扰，根据噪声信号的特点， 利用频谱分析的方法予以剔除。同时比较了小波( w a v d c t ) 和维格纳维拉 ( m n g n e r _ i i e ) 变换在对声发射信号进行分析时的优缺点。 1 3 本课题的来源及主要研究内容 本课题来源于国家自然科学基金、北京市自然科学基金重点项目，主要内容 是研究充液管道泄漏的模态声发射检测技术。具体包括： ( 1 ) 充液管道泄漏声发射的实验研究 管道泄漏声发射检测是声发射技术应用的一个重要方面，因此研究泄漏声发 射信号的特点对于进一步研究声发射泄漏检测的原理以及研制声发射检测仪器 都有重要的意义。本课题将首先研究泄漏声发射信号的能量、频谱随管道内部 压力、传播距离、泄漏孔大小的变化规律。 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 突发声发射信号实验研究 研究结构中突发声发射信号的传播规律及声发射源的定位问题有助于我们 深刻理解声发射信号的一些本质特征，进而为解决连续泄漏声发射信号的源定 位问题提供依据。基于小波变换和模态声发射理论，本文在薄板和充液管道上 进行了断铅实验研究。利用g a b o r 小波变换方法对声发射信号进行时频分析， 通过确定某一频率下某一模态导波到达传感器的时间，实现声发射源定位。 ( 3 ) 连续声发射泄漏信号的源定位研究 泄漏声发射信号的频散特性和多模态特性使得传统基于波形互相关式时差 计算的声发射源定位方法失效。本章利用频域加窗的方法对泄漏声发射信号频 谱进行分析，由泄漏声发射信号的互功率谱密度函数，构造泄漏声发射定位算 法模型，通过选择特定的模态，减小声发射信号频散特性对声发射源定位结果 的影响，以实现对泄漏声发射信号的准确定位。 第二章声发射的基本理论 第二章声发射的基本理论 材料或结构受内力或外力作用产生形变或断裂，以弹性波形式释放出应变能 的现象称为声发射【1 0 】。弹性波在结构中传播时携带有大量结构或材料缺陷处的 信息，用仪器检测、分析声发射信号和利用声发射信号可以对结构或材料中的 缺陷进行检测和定位。从严格意义上来说，泄漏所激发的应力波并不是声发射 现象 。因为在泄漏过程中，管壁本身不释放能量，但由于泄漏时，泄漏的液 体与泄漏孑l 之间的相互作用也会在管道中激发出应力波，通过该应力波可以描 述材料结构上的某种状况。所以从这个意义上说，管道泄漏在管道中激励出应 力波也可以认为是一种声发射现象。 声发射信号具有很大的动力学范围，其位移幅度可以从1 0 “5 m 到1 0 - 9 m ，拥 有1 0 6 量级的范围 ”。声发射信号产生的形式也是多种多样的，一般人为地将声 发射信号分为突发型和连续型两类。如果信号是由区别于背景噪音的脉冲组成， 且在时间上可以分开，那么这种信号就称为突发型信号；如果信号的单个脉冲 不可分辨，这些信号就称为连续声发射信号4 0 4 ”。充液管道泄漏时将在管道上 激发连续的声发射信号。 2 1 声发射信号的分析方法 采集和处理声发射信号的方法可分为两大类。一种是以多个简化波形特征参 数来表示声发射信号的特征，然后对这些波形特征参数进行分析和处理；另一 种是存储和记录声发射信号的波形，对波形进行分析a 2 1 1 声发射信号的参数分析m 删 声发射信号简化波形特征参数分析方法自二十世纪五十年代已经广泛使 用，目前仍广泛应用于声发射检测技术。对连续型声发射信号，能量测量是 北京工业大学工学硕士学位论文 定量研究声发射信号的主要方法之一。声发射信号的能量通常用均方电压， 或均方根电压。来表征。 一个信号y ( f ) 的均方电压屹，和均方根电压，定义如下： 。寿p ( f ) 疵 ( 21 ) ，= 厄( 2 2 ) 式中，r 是平均时间，y ( r ) 是随时间变化的信号电压。声发射信号从r ，到f ： 时间内的总能量e 可由下式表示： f 2 f 2 e 。c ( ) 2 讲= f 曲 ( 2 3 ) 2 1 2 声发射信号的波形分析 声发射信号的特征参数分析方法不能充分利用声发射信号中包含的信息。 随着计算机技术和传感器技术的发展，声发射检测已经由早期简单参数分析发 展到今天的波形分析。波形分析是通过分析所记录的信号的时域波形来获取声 发射信号所蕴含信息的一种方法，它能提供更全面更详尽的声发射信号特征信 启、。 从理论上讲，波形分析应当能给出任何所需的信息，因而也是最精确的分析 方法，可实现对声发射信号的定量分析。目前人们常用现代信号处理的一些方 法对声发射信号的波形进行分析，如：小波分析方法、相关分析、频谱分析方 法、a r 谱分析方法、神经网络识别分析方法等。信号处理是一门非常系统的学 科，本文中要用到的一些信号处理方法将在后面章节中进行简要介绍。 第二章声发射的基本理论 2 2 模态声发射 模态声发射是在传统谐振传感器参数声发射基础上，与导波理论相结合发展 起来的声发射检测技术吼与参数声发射( r s f ) 相比，模态声发射认为被测材 料结构中的源或声发射事件在负载作用下，产生的是频率和模态丰富的导波信 号。导波理论可以将一直困扰声发射推广应用中面临的一些问题，如源定位不 准确、信号解释困难和噪声问题等，在理论上得到了较好的解释和表达。与传 统声发射相比，模态声发射对工程应用中占大多数的板材、壳体、棒材和管材 结构的检测更具所长，在这些结构中，声发射信号很多时候是以导波的形式传 播的，因此，对导波理论的系统理解将有助于更好地利用模态声发射对结构进 行检测。 2 3 导波理论h “乱 在无限均匀介质中传播的波称为体波。体波有两种：一种称为纵波( 或称 疏密波、无旋波、拉压波、p 波) ；一种称为横波( 或称剪切波、s 波) ，它们以 各自的特征速度传播而无波形耦合。若一个弹性半空间被平行于表面的另一个 平面所截，从而使其厚度方向成为有界的，这就构成了一个无限延伸的弹性平 板。位于板内的纵波、横波将会在两个平行的边界上产生来回的反射而沿平行 板面的方向行进，即平行的边 界制导弹性波在板内传播。这 样的一个系统称为平板波导。 在此板状波导中传播的弹性波 即所谓的板波( 或l a m b 波) 。 l a m b 波是超声无损检测中最常 用的一种导波形式。除此之外， 圆柱壳、棒及层状的弹性体都 图2 1 板中导波示意图 是典型的波导。其共同特性是 北京工业大学工学硕士学位论文 由两个或更多的平行界面存在而引入一个或多个特征尺寸( 如壁厚、直径、厚 度等) 到问题中来。在圆柱体和圆柱壳中传播的导波称为柱面导波。导波产生 的一个重要条件是弹性波的波长要求远大于波导的特征尺寸。图2 1 能够很好 地说明板中的导波( l a m b 波) 是如何激励出来并且传播的。首先，由激励传感 器发射出弹性波，弹性波在板的上下表面发生不断的反射并且向前传播，板的 上下表面制导着超声波在板内的传播，由此形成了板中的导波l a m b 波。 2 3 1 导波的群速度与相速度 群速度与相速度【4 54 7 】是导波理论中两 个最基本的概念，所谓群速度是指弹性波 的包络上具有某种特性( 如幅值最大) 的 点的传播速度，是波群的能量传播速度。 而相速度是波上相位固定的一点传播方向 的传播速度。值得注意的是，导波以其群 速度向前传播。如图2 2 ，波形a 为弹性波 在传播一定距离时得到的一个导波波形。图2 2 群速度与相速度的关系 波形b 为传播距离加大了，后得到的一个导波波形。比较两图，b 图中的包络 明显向后移动了一段时间，。，两个波形的等相位点( 这里将其视为某一固定波 形的过零点) 相差的时间为r ：。在工程上，就可以借此粗略地估计这种模式导 波在图2 - 2 所示超声波频率附近的群速度c 。和相速度c ，为 群速度与相速度的关系如下 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 屯 = 第二章声发射的基本理论 咚2 面蕊 c ；一) 耥 ( 2 6 ) 其中：为频率一厚度积。厂为所要求导波的频率，j 为所测试件的厚度。对 于板而言，d 为板的厚度；对于圆管，d 为管的壁厚。 2 3 2 导波的频散现象及多模态特性 受几何尺寸的影响，不同频率下波导中传播弹性波的速度不同，从而导致超 声波的几何频散，称之为频散现象。在导波的长距离检测中，导波频散现象使 得初始位置的弹性波信号波形在传播过程中发生畸变，并将对测量的结果产生 非常大的影响。图2 3 所示为l m m 厚铝板内s 。模态的l a m b 波传播情况”。 激励信号为一五个周期加h a n n i n g 窗的中心频率为2 m h z 单音频信号。图2 3 中( a ) 、( b ) 、( c ) 分别表示原始激励波形信号、信号传播到5 0 咖为距离和信 号传播到1 0 0 m m 处时的波形信号。可以看到，随着传播距离和传播时间的增加， 原始激励的信号波形发生了非常大的畸变，这将使信号特征的识别与提取变的 很困难并由此导致检测结果的失真。 导波在结构中传播时，在低 频一厚积的情况下，至少存在两 个模态，随着频厚积的增长，还 会出现更多的模态。因此，用模 态声发射检测技术对结构进行 检测时，声发射传感器接收到的 信号通常包含两个或两个以上 的模态。多模态的存在使得声发 射信号的分析变的更加困难。 i * d 肘闫( u s ) 硼籼籼懈 - - - - j u 。i 岫- - 一一 _ - n - n i l _ 一一” 一 图2 3 频散现象示意图 北京工业大学工学硕士学位论文 2 4 板中的导波 2 4 1 板中的s h 导波 位移偏振方向与某个参考平面平行的横波称为s h 波，与该参考平面垂直的 称为s v 波。若s h 波以适当角度入射到如 图2 4 所示板材内，在一定条件下可形成s h 模式导波。若板的两表面为自由态( 即板处在 空气或真空中) ，则s h 模式导波在边界处的位 移则应该出现波腹。它必须满足c o s 七。 = 1 或s i n ， = l 的条件，七，为s h 波在y 轴方向 上的波数。满足c o s 女。 = 1 的是 对称s h 模式导波，这时 女v 华 ( ，l = o ，2 ，4 ) 2 y2 百 。九一o 乙掣 ( 2 7 ) 满足s i n 女。 = l 的是反对称s h 模式导波，这时 铲与竽 ( ”= l ，3 ，5 ) ( 2 8 ) 最初的几个s h 模式导波位移 形式如图2 5 所示，s h 模式导波 除最低阶对称模式外，其余均是 频散的。 图2 4 自由板示意图 z “： ) ， z ，7 名 弋 酸 对释模式 乓 j 14 z y “： ；少 4 b ) 反对舜摸式 图2 5s h 导波位移分布 z 第二苹声发射的基本理论 2 4 2 板中的l a m b 波 上述s h 模式导波在板中多次反射传播时，无模式转换现象，但其他形式纵 波，横波在板内与两表面反射时就会出现纵波、横波模式转换现象。l a m b 波即 是板内的纵波与质点振动位移在图2 5 中平行于弦平面上的横波( 以下简称横 波) 相对于z 轴以一定角度斜向运动，并在板的上下表面不断受到反射时组合 而成的 4 8 。5 0 】。由于纵波在板的表面会产生反射纵波与反射横波，横波会产生反 射横波与反射纵波，显然这里的纵波、横波是相互耦合的。当板内的纵波向前 传播时在z 轴方向上的波数七吐与横波在z 轴方向上的波数七。相等时，板中的纵 波与横波相互作用会形成共振，这便是l a m b 波的物理模型。 对于自由板( 女日酚5 肭界条件为协毫：，暑， 板中l a m b 波的频散方程为 5 0 1 ： 对称模式：堂：一? 笠熙 ( 2 9 ) t 蚰( p 丙)02 一七2 ) 2 反对称馘高一错 陇 频率( m h z ) ( a ) 27 6 彻厚钢板的相速度蛆线 频率( m h z ) ( b ) 27 6 m m 厚钢板的群速度曲线 图2 6 钢板的相速度、群速度频散曲线 15 - 一s，邑铡幽畿 一鼍)l倒蕈!罂 北京工业大学工学硕士学位论文 其中波数= 罟，c ，= 黑兄是相速度，是圆频率。对上述两个方程求解 c 1 2 z 。 就可以得到相速度c ，和频率国的关系，对于同一频率m 可以求出不同的相速度 c ，它们分别对应着导波的不同模态。绘成曲线就是相速度频散曲线。另外利 用群黻与相速度的关配pc ，高卜可以矧群速度频散 曲线。图2 6 为由理论计算出来的自由边界条件下2 7 6 唧厚的钢板的相速度和 群速度频散曲线。 2 5 圆管中的导波 波在圆管中的传播比板中的l a m b 波更为复 杂，理论推导得出的频散曲线对导波的无损检测 技术起着非常重要的指导作用。右图就是一无限 长无应力空心圆柱壳的模型( 图2 7 ) 。边界条件 为在r = 口和，= 6 处，盯，= 盯。= 盯m = 0 。 图2 - 7 无限长无应力空心圆柱壳 圆管中的导波分为三种模式：纵向模式( l 模式) 、驾曲模式( f 模式) 和扭 转模式( t 模式) 。这三种模式的导波分别用l ( n ，m ) 、f ( n ，m ) 和t ( n ，m ) 表示，其 中n 和m 分别代表周向和径向模态参数且均为整数叭5 。l 模式和t 模式是轴 对称模式，f 模式是非轴对称模式。导波在管道中传播时，质点的位移必须满足 n a v ie r 位移平衡方程 50 | ： g v 2 扩堋+ g ) 可可驴= p 警 ( 2 同板中的情况一样，经过h e l m h o l t z 分解，位移场分为纵波及横波两分量的 形式： 第二苹声发射的基本理论 俨啦击窘 ，z ， 俨牝击等 c z - c ：a t 2 7 一 假定解具有谐波形式，且对特定坐标系采用特定的微分算子，求解两波动方 程。因而可以得到相应的位移场、应力场及势函数，再代入已知的边界条件就 可以得到一个线性方程组。为了使该线性方程组有解，需要其系数行列式为零。 因此，就可以得到一个由系数行列式组成的频散方程，基本形式如下： 一1 3 4 ， 4 ， 4 ， 爿。， 4 ， 4 ” 彳口 = 0 ，f ，j = 1 6 ( 2 1 4 ) 其中，4 。是同管径尺寸( 内径d 、外径6 ) 、材料的三口m e 常数 兄，密度肛频率以及波数t 有关的函数。求解该方程就可得到相应的相速 度和群速度频散曲线。 图2 8 为理论计算得出的内径7 4 唧，壁厚6 蚴，自由边界条件下钢管的相 速度和群速度频散曲线。 图2 9 为理论计算得出的内径7 4 姗，壁厚6 m m 充液管道的相速度和群速度 频散曲线。比较图2 8 和图2 9 ，可以看出，当管道充液时，管道中的液体将对 管道的结构频散特性产生非常大的影响，不仅导波的模态个数将急剧增加，而 且导波模态的频散关系也更为复杂。当利用模态声发射技术对充液管道进行检 测时，声发射信号的分析也因此而变的更加困难。 2 2 2 z 爿4 4 4 4 4 4 4 r，i叫，l 跣 北京工业大学工学硕士学位论文 频率( m z ) ( a ) 内径为7 4 m ，壁厚为6 m 钢管的相速度频散曲线 频率( k h z ) ( a ) 内径为为7 4 m ，壁厚为6 l n m 钢管的群速度频散曲线 图2 8 内径为矿7 4 ，壁厚为6 唧钢管的相速度和群速度频散曲线 频率( k h z ) ( a ) 内径为7 4 m ，壁厚为6 m 充液管道的相速度频散曲线 频率( k h z ) ( b ) 内径为7 4 m ，壁厚为6 m 充液管道的群速度频散曲线 图2 9 内径为7 4 ，壁厚为6 m 充液管道的相速度和群速度频散曲线 曼叫至f端 一毫一越蛋罂 0 0 0 0 5 4 3 2 鉴。蜊罩端 一皇i)削覃f罂 第二章声发射的基本理论 2 6 声发射源的定位技术“4 常用的声发射源定位方法分为时差定位和区域定位两类。在实际工作中， 声发射源的定位需要由多通道的声发射仪器来实现。时差定位方法的基本原理 为：首先将几个声发射换能器按一定的几何关系放置在固定点上，组成换能器 阵列，测量并计算同一个声发射源发射的声波传播到各换能器的相对时差，将 这些相对时差代入满足该换能器阵列几何关系的一组方程中求解，便可得到声 源的位置坐标。区域定位方法的基本原理：同时差定位方法一样，区域定位方 法也要求事先将几个声发射换能器按一定的几何关系放置在固定点上，组成换 能器阵列，并将被测结构根据换能器布置的几何关系分成若干区域。由于声发 射波在传播过程中会有能量损失，即声发射信号的强度随测量点与声发射源距 离的增加而衰减。根据这一现象，通过分析换能器接收到声发射信号的强度， 可以粗略确定声发射源所在区域；通过分析衰减特性，可以实现声发射源的精 确定位。 在时差定位方法中，常用的定位技术有：一维定位技术( 也叫线定位技术) ， 二维定位技术( 包括平面定位，柱面定位，球面定位) ，三维定位技术。这里将 详细介绍本课题中要用到的线定位技术。 当被检测物体的第三个方向上的尺寸远大于其他两个方向上的尺寸时，可采 用线定位进行声发射检测，如管道、 棒材以及钢梁等。时差线定位时至少 需要两个声发射换能器，其定位原理 如图2 1 0 所示。如在传感器1 和传 感器2 之间有一个声发射远产生声发 射信号，到达传感器1 的时间为f l ， 图2 - 1 0 声发射源时差定位原理图 到达传感器2 的时间为，：，因此，该信号到达两个传感器的时差f = f ：一r 。两 个传感器之间的距离为d ，如果声波在试件中传播的速度为c ，则声发射源距 传感器1 的距离c ，可以由下式得出 北京工业大学工学硕士学位论文 1 d = 妄( d 一，c ) ( 2 1 8 ) z 当声发射源在两个传感器之外时，此定位技术失效。 声发射源线定位技术的关键是确定两个量：声波在试件中传播的速度c 和信 号到达两个传感器的时间差出。其中，速度c 一般可通过测量的方法或查阅有 关资料可以得到。对于时差f 的确定则要视情况而定。当声发射信号为突发声 发射信号时，时差r 可通过多通道声发射仪器的各通道记录信号的到达时间确 定。当声发射信号为连续声发射信号时，时差f 一般通过相关分析的方法确定。 实际情况中，由于声发射信号的衰减、声发射信号在结构传播中的频散以及多 模态等现象，血的确定更为困难。 第三章管道泄漏声发射实验研究 充液管道泄漏引起其内部介质变化而激发应力波，携带泄漏源信息( 如泄漏 的大小、位置等) 的应力波沿管壁传播，利用声发射探头拾取该应力波信号， 并对该信号分析处理，就可以获得管道泄漏信息，从而实现声发射泄漏检测的 目的。泄漏声发射信号主要特点有： 1 ) 由液体泄漏激励产生，属于连续声发射信号53 1 。 2 ) 泄漏声发射信号在管道内传播，能反映结构的某些特征，如漏孔位置、大 小等。 3 ) 受声发射源的自身特性( 多样性、信号的突发性和不确定性) 、声发射源到 传感器的传播路径、传感器的特性、环境噪声和声发射测量系统等多种复 杂因素的影响，声发射传感器输出的声发射电信号波形十分复杂，它与真 实的a e 源信号相差很大，有时甚至面目全非，并且随着时间的变化，声发 射信号的一些统计参数( 如均值、方差、均方根值等) 将会发生改变。因 此，声发射信号本质上属于一种非平稳随机信号。 本章从以下几个方面进行充液管道泄漏声发射实验研究： ( 1 ) 在实验室内建立充液管道泄漏声发射检测系统； ( 2 ) 定性判断管道是否发生泄漏； ( 3 ) 研究泄漏声发射信号沿管道壁传播时，能量及频谱随传播距离变化的 规律： ( 4 ) 研究泄漏声发射信号的能量及频谱随泄漏孔径变化的规律； ( 5 ) 研究泄漏声发射信号的能量及频谱随压力变化的规律。 北京工业大学工学硕士学位论文 3 1 实验装置 图3 1 为充液管道泄漏声发射检测系统示意图，检测系统主要包括管道泄漏 模型和声发射检测装置两个部分。管道泄漏模型用来模拟城市供水管道实际的 注： “- - ”声发射信号传输线路 图3 - l 实验装置示意图 泄漏情况，管道内部压力可以在0 o 6 m p a 范围内自由调节，管道的泄漏量也 可以在一定范围内调节。 3 1 1 充液管道泄漏模型 本课题的内容是研究充液管道的泄漏问题，因此，首要任务是要建立一套能 够较好地模拟实际泄漏现场的管道泄漏模型。据调查，我国的城市供水管网多 为钢质管道和铸铁管道，管网内部的水压为o 2 0 6 m p a ，通常情况下自来水管 道中的水压在o 2 m p a 左右【5 4 】。 根据实际问题特点，本文建立了充液管道泄漏实验室简化模型，如图3 2 所示。 出水口l 注：处的“+ ”表示泄漏孔 图3 - 2 管道泄漏实验平台示意图 考虑到实验室的现有条件，实验模型中充液管道选择外径为1 6 0 i n m ，