CN111307940B - 一种金属管道周向导波激励频率区间的确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属管道周向导波激励频率区间的确定方法，涉及金属管道内污垢（附着物）周向导波检测技术领域，包括以下步骤：S1，确定某一厚度金属管道对应的转折频率，通过转折频率确定该管道对应的周向LAMB波D0模态的激励频率区间，S2，通过计算确定相同材质的其他厚度金属管道对应的转折频率，进而确定周向LAMB波D0模态的激励频率区间。本发明的方法具有计算简单、操作方便的特点，同时，转折频率的计算方式经过大量的频散曲线绘制进行研究，获取不同厚度管道之间转折频率的定量关系，该方法测量准确、方便迅捷，可广泛用于应用周向导波D0模态的科学研究中。

Description

一种金属管道周向导波激励频率区间的确定方法
技术领域
本发明涉及金属管道内污垢（附着物）周向导波检测技术，具体涉及一种金属管道周向导波激励频率区间的确定方法。
背景技术
目前，工业生产及日常生活中广泛应用的金属管道普遍存在着污垢（附着物）问题，其存在导致换热效果差、流体传输效率低，严重时造成管道堵塞，甚至是管道爆裂，不仅导致经济上的巨大损失，也同时危及生产安全。亦因此，对于管道污垢（附着物）的检测成为开展相关研究和选取清除对策的基础。
周向导波激励频率作为利用周向导波进行污垢（附着物）检测技术中的重要一环，其激励频率的确定是检测的基础和前提，目前确定周向导波激励频率尚无高效的方法，大多数是采用绘制出多组群速度频散曲线进而通过分析频散曲线来确定激励频率区间的方法，绘制频散曲线会耗费研究人员大量的精力，影响检测效率。
发明内容
本发明针对上述问题，提供一种金属管道周向导波激励频率区间的确定方法，包括以下步骤：
S1，确定某一厚度金属管道对应的转折频率，通过转折频率确定该管道对应的周向LAMB波D0模态的激励频率区间；
S2，通过计算确定相同材质的其他厚度金属管道对应的转折频率，进而确定周向LAMB波D0模态的激励频率区间。
其中，S1包括以下步骤：
S11，绘制某一厚度金属管道A对应的周向LAMB波D0模态群速度频散曲线，通过频散曲线获得该厚度管道对应的转折频率；
S12，根据金属管道A的转折频率可以确定其对应的周向LAMB波D0模态的激励频率区间，转折频率对应为周向LAMB波D0模态激励频率阈值的上限，超声波的最小频率20kHz对应为周向LAMB波D0模态激励频率阈值的下限。
其中，S2包括以下步骤：
S21，在无需绘制其他厚度金属管道周向LAMB波D0模态群速度频散曲线的情况下，将上述两个参数、、作为已知量带入公式计算，如下：
 （1）
进而可以获得相同材质、任一厚度金属管道B对应的转折频率；
S22，根据S12中描述的方法，通过计算获得的转折频率可以确定金属管道B对应的周向LAMB波D0模态的激励频率区间，不同材质的金属管道也以此类推。
其中，所述的转折频率取自于周向LAMB波D0模态群速度频散曲线、位于该群速度频散曲线的第一个群速度最小点。
其中，所述转折频率对应的群速度严格小于该点左右两侧相邻点频率对应的群速度。
本发明的优点：
(1)本发明揭示了相同材质、不同厚度金属管道的转折频率之间的内在联系，在已知一种厚度金属管道的转折频率后，在无需绘制其他厚度金属管道频散曲线的情况下，可以通过计算确定任一厚度、相同材质金属管道对应的转折频率；
(2)本发明基于转折频率给出了相同材质金属管道的周向LAMB波D0模态激励频率区间确定方法。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例的方法流程图；
图2为本发明实施例转折频率的曲线示意图；
图3为本发明实施例计算出的转折频率与通过频散曲线获得的转折频率的示意图；
图4为本发明实施例通过计算获得的转折频率与通过频散曲线获得的转折频率的相对误差图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，以下实施例中所提供的确定周向LAMB波D0模态激励频率区间的方法仅以示例方式说明本发明的基本构想，所以本发明中的计算方法可以根据需求变型，针对的管道可以为任意尺寸的常见金属材质。
实施例
参考图1至图4，一种金属管道周向导波激励频率区间的确定方法，是一种基于转折频率来确定金属管道周向LAMB波D0模态激励频率区间的方法，在已知某一厚度金属管道对应的转折频率情况下，确定该管道对应的周向LAMB波D0模态的激励频率区间；在无需绘制其他厚度金属管道频散曲线的情况下，通过计算迅速确定相同材质的其他厚度金属管道对应的转折频率，进而确定周向LAMB波D0模态的激励频率区间；
转折频率取自于周向导波D0模态群速度频散曲线、位于该群速度频散曲线的第一个群速度最小点；特别的，该频率对应的群速度严格小于该点左右两侧相邻点频率对应的群速度，如图2所示；图中曲线为外径25mm、壁厚1.5mm管道的周向LAMB波D0模态群速度频散曲线；图中数据标记处对应管道的转折频率；
第一步，绘制某一厚度（）金属管道A对应的周向LAMB波D0模态群速度频散曲线，通过频散曲线获得该厚度管道对应的转折频率（），根据金属管道A的转折频率（）可以确定其对应的周向LAMB波D0模态的激励频率区间，转折频率对应为周向LAMB波D0模态激励频率阈值的上限，超声波的最小频率（20kHz）对应为周向LAMB波D0模态激励频率阈值的下限；
第二步，在无需绘制其他厚度金属管道周向LAMB波D0模态群速度频散曲线的情况下，将上述两个参数（、）作为已知量带入公式计算，如下：
 （1）
进而可以获得相同材质、任一厚度（）金属管道B对应的转折频率（），参考第一步描述的方法，根据计算获得的转折频率（）可以确定金属管道B对应的周向LAMB波D0模态的激励频率区间，不同材质的金属管道也以此类推；
表1为管道材质参数
材料 密度ρ（kg/m3） <![CDATA[弹性模量E (×10<sup>9</sup>Pa)]]> 泊松比μ
304钢 7930 200 0.28
表2为管径、管厚、计算转折频率与理论转折频率的数据
管道外径（mm） 壁厚(mm) 理论转折频率（MHz） 计算转折频率（MHz） 相对误差
已知组 18 2 1.23100 -- --
对比1 54 6 0.41030 0.41033 0.0073%
对比2 108 12 0.20510 0.20517 0.0341%
对比3 18 1 2.47800 2.46200 -0.6457%
对比4 36 2 1.23100 1.23100 0.0000%
对比5 54 3 0.82230 0.82067 -0.1982%
对比6 72 4 0.61530 0.61550 0.0325%
对比7 90 5 0.49490 0.49240 -0.5052%
对比8 54 2 1.23100 1.23100 0.0000%
对比9 108 4 0.61020 0.61550 0.8686%
对比10 30 3 0.82015 0.82067 0.0634%
对比11 19 2 1.23000 1.23100 0.0813%
对比12 25 2.5 0.98410 0.98480 0.0711%
对比13 108 5 0.49080 0.49240 0.3260%
对比14 108 6 0.40980 0.41033 0.1293%
对比15 108 7 0.35200 0.35171 -0.0824%
对比16 108 9 0.27330 0.27356 0.0951%
需要对以上检测方法说明的是，由16组数据分析结果可知，通过计算获得的转折频率与通过频散曲线获得的转折频率之间存在一定误差，管道材质参数请参考表1，管径、管厚、计算的转折频率与通过频散曲线获得转折频率请参考表2，绘制计算的转折频率与通过频散曲线获得转折频率的示意图请参考图3，图中折线与针状线两种线形为了突出数据之间的大小关系；绘制的相对误差请参考图4，通过计算获得的转折频率与通过频散曲线获得的转折频率之间的相对误差的绝对值小于0.87%，符合应用要求。
综上，本发明的方法具有计算简单、操作方便的特点，同时，转折频率的计算方式经过大量的频散曲线绘制进行研究，获取不同厚度管道之间转折频率的定量关系，该方法测量准确、方便迅捷，可广泛用于应用周向导波D0模态的科学研究中。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种金属管道周向导波激励频率区间的确定方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1，确定某一厚度金属管道对应的转折频率，通过转折频率确定该管道对应的周向LAMB波D0模态的激励频率区间；
S2，通过计算确定相同材质的其他厚度金属管道对应的转折频率，进而确定周向LAMB波D0模态的激励频率区间；
步骤S1包括以下步骤：
S11，绘制某一厚度金属管道A对应的周向LAMB波D0模态群速度频散曲线，通过频散曲线获得该厚度管道对应的转折频率；
S12，根据金属管道A的转折频率确定其对应的周向LAMB波D0模态的激励频率区间，转折频率对应为周向LAMB波D0模态激励频率阈值的上限，超声波的最小频率20kHz对应为周向LAMB波D0模态激励频率阈值的下限；
步骤S2包括以下步骤：
S21，在无需绘制其他厚度金属管道周向LAMB波D0模态群速度频散曲线的情况下，将上述两个参数、、作为已知量带入公式计算，如下：
进而获得相同材质、任一厚度金属管道B对应的转折频率；
S22，根据S12中描述的方法，通过计算获得的转折频率确定金属管道B对应的周向LAMB波D0模态的激励频率区间，不同材质的金属管道也以此类推；
所述的转折频率取自于周向LAMB波D0模态群速度频散曲线、位于该群速度频散曲线的第一个群速度最小点。
2.根据权利要求1所述的金属管道周向导波激励频率区间的确定方法，其特征在于，所述转折频率对应的群速度严格小于该最小点左右两侧相邻点频率对应的群速度。
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