传播距离对管中导波传播特性的影响

　　近年来,利用超声导波检测管状结构受到人们的极大重视^[1~4] 。由于超声导波具有检测效率高、速度快和可检测整个厚度范围等优点,在材料的长距离快速检测和性能评价等方面受到国外无损检测学者的极大关注。

　　广义地讲,导波无损检测根据传播距离分为两类。①小范围的应用。利用导波获得试样中其它传统方法不能稳定获得的信息。其领域包括材料的弹性特性测定^[5] 及近表面缺陷的检测(如粘合点的检测^[6] )等。在这些情况下,灵敏度是最关键的,一般说来也是选择合适导波模式的主要准则。②大范围的应用。其目的是快速检测结构的整个面积,包括轧钢中分层的检测,复合材料、管道^[3,4] 及平板的检测。实际上,导波是由合适的换能器在结构的某一位置上激发的一能量短脉冲(入射信号)。这一短脉冲信号通常是采用具有一定带宽的脉冲来激励,不同频率分量的超声波(即多种模式的导波)将以不同的速度传播,这就意味着超声波的脉冲形状(即波包)要随传播距离的变化而变化。如果频散现象较严重,信号波包的峰值幅度随传播距离的增加而迅速减小,降低信号的信噪比,导致信号特征的提取与识别难度增加,使得长距离检测非常困难。

　　在大多数结构中存在可能传播的多种导波模式。这些模式一般都是频散的(其速度随频率而变化)。各导波模式的频散现象随传播距离、内径-壁厚比、频厚积和激发脉冲周数的不同而不同。为选择合适的导波模式,有必要分析传播距离等参量对导波传播特性的影响,下面进行理论和实验分析。

　　1　波包幅度的定义

　　为说明导波频散特性,有必要测量一个波包的时间宽度或波包幅度以及确定定义波包始末的方法。定义宽度最简单的方法是将在一时间点上的波形包络降在一特定的参考级下。在这里特定传播距离上的幅度用这一距离上的波形包络的峰值作参考,用这种方法测量频散波包的幅度随传播距离减小的量值,即传播距离的函数^[7] 。这一有用事实成了下面描述预测频散传播方法的基础。

　　在传播过程中,频散波包的扩展在时间和空间上是线性的。这意味着频散波形的包络两端是以两个不同速度(假设为v_min和v_max)传播的,这一速度的不同引起了波包宽度的增大。如果这两个速度和在空间上某一点的波包宽度已知,则可计算出空间上其它任意点的波包宽度,由此宽度可计算出波包幅度。用这种方法描述的两个速度值是从导波模式的群速度频散曲线^[8]上得到的。

　　当一个波包通过结构中某一点,在这一点上所记录的波包信号是时间的函数,如果波包前沿和后沿通过该点的时间为t ₁和t ₂。然后记录同一波包经过距上述点l的第二个点的时间,波包前沿和后沿通过的时间为t ₃和t ₄。则波包前后沿通过第二个点的时间可用它们的速度来表示。因为导波波包前后沿的速度为v_max和v_min,因此,波包传播距离l后前后沿的时间为^[7]