應用領域：

基于超聲導波的結構材料損傷快速無損檢測及損傷在線監(jiān)測應用。

挑戰(zhàn)：

目前廣泛應用的超聲波檢測技術大多基于超聲體波，由于超聲體波的傳播特點，需要對結構進行逐點檢測，因此存在檢測效率低，成本高等缺點;同時逐點掃描的檢測方式也限制了其在結構健康監(jiān)測領域的應用。

超聲導波是體波在結構界面反射疊加形成的沿結構界面?zhèn)鞑サ膽Σ?。超聲導波相對于體波具有衰減小，傳播距離長的特點，可實現(xiàn)對形狀規(guī)則的大結構件的快速無損檢測;并且具有在線應用潛力，可作為結構健康在線監(jiān)測的技術手段。

但是超聲導波相對于體波更加復雜，主要表現(xiàn)為兩方面：一方面為導波的多模態(tài)特性，即同一頻率下同時存在有多種導波模態(tài);另一方面為頻散特性，即同一模態(tài)導波在不同頻率下的傳播速度不同。超聲導波的復雜性對檢測平臺和檢測方法提出了更高的要求。

解決方案：

超聲導波檢測方法為主動檢測，包括信號的激發(fā)的和接收。針對導波的多模態(tài)的特性，擬采用單一模態(tài)導波作為檢測信號，因此需要在檢測平臺從信號激發(fā)和接收兩方面抑制其他模態(tài)。主要通過傳感器尺寸，信號激發(fā)頻率，優(yōu)化匹配實現(xiàn)單一導波模態(tài)激發(fā)。

為了實現(xiàn)對被檢對象的快速檢測，根據(jù)雷達原理發(fā)展了適用于超聲導波的相控陣列及信號處理算法，以此實現(xiàn)對材料損傷的快速成像檢測。

1 應用背景

隨著當前對大型設備結構安全性的日益關注，無損檢測技術已成為現(xiàn)代結構設備制造和使用過程中必不可少的檢測手段之一, 廣泛應用于各個領域，如航空航天領域、電力生產(chǎn)領域、石化輸運加工領域等。這些領域的設備結構通常處于較惡劣的工作條件，容易發(fā)生磨損、腐蝕、疲勞、蠕變等損傷，進而造成結構內(nèi)部產(chǎn)生缺陷，危害結構安全性。因此對這些設備結構進行實時監(jiān)測和診斷成為無損檢測技術應用中的一個重要方面。

目前工業(yè)界常用的五大無損檢測方式包括：滲透檢測，磁粉檢測，渦流檢測，超聲波檢測，射線檢測。在這五種檢測方式中，超聲波檢測由于適用范圍廣(既可檢測金屬，也可檢測非金屬)，對人體無害而應用較為普遍。目前常規(guī)的超聲波檢測主要使用體波，只能檢測探頭覆蓋區(qū)域或者探頭周圍很小范圍，因此通常采用逐點檢測的方法。逐點檢測方法的缺點就是檢測效率低，檢測成本高。而使用超聲導波的無損檢測技術則可以有效地解決這一問題。

超聲導波是目前常規(guī)應用超聲體波的疊加組合。在無限均勻各向同性彈性介質(zhì)中, 只存在兩種超聲波：縱波和橫波，這兩種超聲波稱為超聲體波， 二者分別以各自的特征速度傳播而無波型耦合。 在有限尺寸波導(如平板、圓管) 中傳播的縱波和橫波由于受到邊界的制約以及在邊界處發(fā)生不斷的模態(tài)轉(zhuǎn)換，將會產(chǎn)生沿波導傳播的超聲導波。因此超聲導波是由超聲體波(包括縱波和橫波)在波導上下界面間反射疊加而形成的沿波導傳播的一種應力波。

由于超聲導波是在具有上下界面的固體中傳播的應力波，其衰減主要是由材料吸收造成的，因此與傳播距離成正比。而超聲體波在固體材料是從激發(fā)點向三個方向擴散，其衰減與傳播距離的平方成正比。因此超聲導波的衰減相對體波來說小很多，可以沿波導傳播很長距離。

基于超聲導波傳播距離長的特點，其在無損檢測應用中可以實現(xiàn)一次檢測數(shù)米距離，是對傳統(tǒng)逐點掃描方式的極大改進。同時，對于發(fā)電領域和石化領域常見的包覆及埋地結構，利用超聲導波檢測技術只需要一點接入就可以檢測數(shù)米距離，不需要完全暴露結構，可以極大的提高效率并降低成本。

由于超聲導波檢測距離長、范圍廣，具有在線應用潛力，可以作為結構健康狀態(tài)檢測(SHM)的技術手段。

2 面臨問題

由于超聲導波是超聲體波在波導中的反射和疊加，因此超聲導波相對體波來說更加復雜，表現(xiàn)為多模態(tài)和頻散特性。

對于表面處于自由邊界條件下的各相同性板狀構件，其頻散關系可表達為：

其中，h是平板半壁厚，ω角頻率，k是波數(shù)，VL和VS分別是材料中縱波和橫波波速。此種表達方式，當α=0代表對稱模態(tài)，當α=π/2代表非對稱模態(tài)。

根據(jù)平板中的頻散關系可以得出導波頻散曲線，如圖1所示。從中可以看出，在同一頻率下同時存在多種導波模態(tài)。如800kHZ以下，同時存在有有三種模態(tài)，分別為A0模態(tài)、S0模態(tài)和SH0模態(tài)。隨著頻率的增加，同時存在的導波模態(tài)數(shù)也會隨之增加，如在2MHz下，平板內(nèi)存在有8種可傳播模態(tài)。導波這種多模態(tài)效應會使得接收到的缺陷反射信號復雜化，對其檢測應用產(chǎn)生較大影響。

另外從頻散曲線圖中還可以看出，同一模態(tài)導波在不同頻率下的傳播速度會發(fā)生變化，這將導致激發(fā)信號中不同頻率的成分隨傳播距離的增加逐漸分散，導致激發(fā)信號時域延長，幅值降低。圖2為中心頻率為200kHz的A0模態(tài)在2mm厚鋼板中激發(fā)波包隨傳播距離的變化過程，從中可以看出，隨著傳播距離的增加，導波的頻散特性將會導致波包在時域上的延長，同時波包幅值也將嚴重降低。這種現(xiàn)象將造成檢測信號的疊混和減弱，使得缺陷特征無法識別。

(a)頻率-波數(shù)曲線

(b)頻率-相速度曲線

(c)頻率-群速度曲線

圖1. 2mm厚鋼板的頻散曲線

(彈性模量216.9GPa，泊松比0.28，密度7.9×103kg/m3)