CN116026934A - 一种用于激发弯曲模态导波的交叉时延阵列换能器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于激发弯曲模态导波的交叉时延阵列换能器，涉及管道超声导波无损技术领域，包括两组磁致伸缩贴片的导波换能器阵列，每组导波换能器阵列的多个换能器之间成环状阵列且均匀排布，两组导波换能器阵列交叉排布，通过时延激发偏转角度相反的导波波束，在管道中激发出纯净的单一扭转‑弯曲模态导波，每个换能器均包括：金属贴片、柔性印刷电路板贴片与多个永磁铁。本发明的的弯曲模态具有唯一的周向朝向，其周向能量聚焦在固定的周向位置，其传播波阵面垂直于导波传播轴线，通过控制换能器时延，可以控制导波周向能量聚焦位置，且弯曲导波是单一的弯曲模态，适用于各种材质各种尺寸的管道，可激发出纯净的单一弯曲模态导波。

Description

一种用于激发弯曲模态导波的交叉时延阵列换能器

技术领域

本发明涉及管道超声导波无损检测技术领域，尤其涉及一种用于激发弯曲模态导波的交叉时延阵列换能器。

背景技术

管道在石油、天然气的长距离运输，化工、水利工程和农业灌溉等领域应用广泛。随着近年来我国经济的快速发展，管道在各个行业中的使用量也日益增长，这就给管道的使用和维修提出了更为严格的要求。管道本身可能存在一定的缺陷，而且多数的管道在工作中往往受到高压、高温、冲击和恶劣环境的影响，导致管路腐蚀和损伤，由此产生泄漏事故比例较高。因此研究管道缺陷检测，对管道腐蚀和损伤预测以及防范重大恶性事故具有重要意义。

超声导波检测技术由于其传播距离远，衰减小，可以检测管道的整个截面信息等特点，在管道缺陷检测中具有巨大的优势，被广泛运用于管道缺陷检测。

针对管道的超声导波无损检测，目前主要使用的是轴对称模态导波，包括纵向模态L(0,1)，L(0,2)和扭转模态T(0,1)等。由于纯净的弯曲模态较难激发，工程上使用弯曲模态进行检测的还很少，但弯曲模态导波有将能量主要集中在管道周向的特定角度的特点，使用不同周向聚焦角度的导波进行检测，根据不同回波信号的差别，可以更准确地查找焊缝处缺陷的位置；另外，在管道腐蚀导致的管道壁厚减薄也有着应用潜力，所以，亟需设计制作一种简单易操作的装置来实现激发单一纯净弯曲模态导波目的。

本领域的研究人员已经对管道中得到弯曲模态进行了一定的研究。L.Jian等在《Angular-profile tuning of guided waves in hollow cylinders using acircumferential phased array》、《Excitation and propagation of non-axisymmetricguide dwaves in a hollow cylinder》、《Natural beam focusing of non-axisymmetric guidedwaves in large-diameter pipes》等文章中分别采用波束聚焦和梳状传感器的方式激发管道中的弯曲模态导波，但并非激发纯净单一模态导波；X.Zhan g等在《Excitation ofdominant flexural guided waves in elastic hollow cylinde rsusing time delaycircular array transducers》中采用时间延迟相位控制的方法成功激发出了较为纯净的扭转弯曲模态T(N,1)，但其激发出的导波为在管道轴向有一定相位差的两个弯曲模态耦合的导波，不能够充分体现并利用弯曲模态导波周向能量聚焦的特点，限制了其应用场景范围；Sun等在《Flexural Torsio nal Guided Wave Mechanics and Focusing in Pipe》中设置了周向排列的压电探头，通过控制各个探头的激励时间延迟，实现了扭转-弯曲模态导波的聚焦，但其激发的弯曲导波包含多个模态，加大了后期回波信号提取和分析的难度；浙江大学的张小伟等在实用新型专利《一种阵列式磁致伸缩超声导波换能器》针对大管径螺旋焊缝管道提出一种螺旋阵列式的磁致伸缩换能器，通过调整每个换能组件角度来适应不同螺旋焊管的螺旋角；北京工业大学的何存富等在发明专利《一种弯曲模态磁致伸缩传感器》以微细铁磁性圆管作为适用对象，使用柔性印刷线圈激发和接收弯曲模态超声导波，并且可以通过调整永磁磁路中永磁体数量与安装方式实现一阶弯曲模态与二阶弯曲模态的激励；华中科技大学的徐江等在发明专利《一种弯曲模态导波传感器》中结合构件中弯曲模态导波的质点振动在圆周方向上的分布特征，通过设计合适的静态偏置磁场分布，控制构件中质点振动在圆周方向上的节点数，使用偶数个磁化模块和螺线管线圈在构件中激励和接收特定周向阶数的弯曲模态导波。上述各类换能器或是安装拆卸繁琐，或是激发出的弯曲模态不够纯净，不单一，不能够将弯曲模态导波能量聚焦的特性充分利用，限制了弯曲导波的工程应用，且结构复杂，不易制作，且成本较高。

发明内容

为了实现上述目的，本发明提供一种基于磁致伸缩效应的弯曲模态导波换能器，以克服上述现有技术中存在的问题。

本发明的技术方案是：

一种用于激发弯曲模态导波的交叉时延阵列换能器，包括：

两组导波换能器阵列，均包括多个换能器；两组所述导波换能器阵列的多个换能器呈环状交叉排布，每个所述换能器均包括：

金属贴片，沿管道周向且以预定的间隔角度设置在管道外壁上；

两块永磁铁，布置在所述金属贴片的两侧，用于在所述金属贴片上产生静磁场；

柔性印刷电路板贴片，覆盖在所述金属贴片上，所述柔性印刷电路板贴片上印刷有跑道型线圈，所述跑道型线圈用于在管道的轴向方向产生交变磁场；

通过控制每个换能器的时延分别激发偏转角度相反的导波波束，用于在管道中激发出纯净的单一扭转-弯曲模态导波，所述静磁场与交变磁场通过联合作用促使金属贴片在静磁场磁化方向上产生剪切形变，并将剪切形变传递到管道外壁。

优选的，两块所述永磁铁为极性相同永磁铁。

优选的，所述金属贴片为铁钴合金或者镍片。

优选的，所述金属贴片与管道通过环氧树脂胶水固定。

优选的，每一组所述导波换能器阵列中第ξ个换能器的时延时间Td按下式计算：

其中，N表示目标弯曲模态的周向阶数，Δt是每组阵列中相邻换能器的间隔时间，f是激发频率，ξ是换能器的序数，η是换能器的总个数。

优选的，多个所述永磁铁的磁极方向均一致。

优选的，两组所述导波换能器阵列的编号分别为A1,A2,A3,A4...An；B1,B2,B3,B4......Bn，其排列顺序为A1,B1,A2,Bn,A3,Bn-1,A4......An-1B3,An,B2。

优选的，两组所述导波换能器阵列中编号相同的换能器时间间隔相同，且通入方向相反的交流电，得到两组所述导波换能器阵列中两个编号相同的换能器的剪切力是相反的。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明通过交叉排布的换能器阵列中永磁铁产生的静磁场与跑道型线圈上产生的交变磁场联合作用下产生剪切形变，使得每组换能器具有不同方向的切向力，并通过控制每组换能器的时延分别激发偏转角度恰好相反的导波波束，在管道中激发出纯净单一的弯曲模态导波。

2、本发明在安装完成后，通过改变交叉延时换能器阵列的作用顺序即可改变能量聚焦角度，无需拆卸再次安装，且本发明适用于各种尺寸各种材质的管道。

附图说明

图1为本发明提供的管道弯曲模态导波换能器的全视图；

图2为本发明提供的管道弯曲模态导波换能器正视图；

图3为本发明提供的管道弯曲模态导波换能器侧视图；

图4为本发明提供的管道弯曲模态导波换能器永磁铁排布图；

图5为本发明提供的管道弯曲模态导波换能器构造图；

图6为本发明提供的管道弯曲模态导波换能器激发原理图；

图7为本发明提供的实施例管道螺旋夹角频散曲线图；

图8为本发明提供的实施例目标弯曲模态T(1,1)Polar图；

图9为本发明提供的实施例实验设置图；

图10为本发明提供的实施例频率f＝50kHz周向位移时域图；

图11为本发明提供的实施例目标模态纯净度结果图。

具体实施方式

下面结合附图，本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图6所示，本发明提供的一种用于激发弯曲模态导波的交叉时延阵列换能器，均包括多个换能器，每组导波换能器阵列的多个换能器之间成环状阵列且均匀排布，两组导波换能器阵列之间交叉排布，通过控制每个换能器的时延分别激发偏转角度相反的导波波束，在管道1中激发单一纯净扭转-弯曲模态的导波换能器。本发明的换能器结构包括高磁致伸缩性的金属贴片2、永磁铁3与柔性印刷电路板贴片4，其中，高磁致伸缩性的金属贴片2沿管道周向等间隔且以预定的角度均匀地黏贴在管道1外壁上；永磁铁3沿管道周向方向布置在金属贴片2的外侧，用于在金属贴片2上产生静磁场；柔性印刷电路板贴片4覆盖在高磁致伸缩性的金属贴片2上，柔性印刷电路板贴片4上印刷有跑道型线圈，跑道型线圈用于在管道的轴向方向产生交变磁场。

当柔性印刷电路板贴片4中通以交流电流时，柔性印刷电路板贴片4在管道1的轴向方向产生交变磁场；多个永磁铁3在高磁致伸缩性的金属贴片2上产生静磁场，且静磁场磁力线沿高磁致伸缩性的金属贴片2的螺旋线方向，基于磁致伸缩效应，在交变磁场和静磁场的联合作用下，高磁致伸缩性的金属贴片2在静磁场磁化方向上产生剪切形变，并将剪切形变传递到管道外壁。两组换能器阵列A和B交叉排布，两组所述导波换能器阵列的编号分别为A1,A2,A3,A4...An；B1,B2,B3,B4......Bn，其排列顺序为A1,B1,A2,Bn,A3,Bn-1,A4......An-1B3,An,B2，其中相邻两个换能器产生不同方向的切向力，通过控制每组换能器阵列中的每个换能器的时延，在管中激发偏转了一定角度的导波波束。设计两组换能器阵列的时延，使两组换能器阵列激发导波波束的偏转角度刚好相反，进而在管中激发出纯净的单一扭转-弯曲模态导波。

进一步的，高磁致伸缩性的金属贴片2是铁钴合金片和镍片贴片。

进一步的，高磁致伸缩性的金属贴片2与管道1通过环氧树脂胶水固定。

进一步的，每一组阵列中第ξ个换能器的时延时间Td按下式计算：

其中，N表示目标弯曲模态的周向阶数，Δt是每组阵列中相邻换能器的间隔时间，f是激发频率，ξ是环状阵列换能器的序数，η是环状阵列换能器的总个数。

进一步的，两块永磁铁3分别布置于高磁致伸缩性的金属贴片2的两侧，使得金属贴片2中有沿管道1周向的磁场。

实施例1：

一种基于磁致伸缩效应的扭转-弯曲模态的导波换能器，主要由永磁铁3、柔性印刷电路板贴片4、铁钴合金片和镍片贴片和环氧树脂胶水等组成。换能器全视图、正视图和侧视图如图1、图2、图3所示。

这种基于磁致伸缩效应的纯净单一扭转-弯曲模态换能器，将高磁致伸缩性金属的铁钴合金片和镍片贴片均匀分布在待测管道外壁，铁钴合金片和镍片贴片黏贴在管道周向以预定的间隔角度均匀分布。代入目标扭转-弯曲模态的参数即可得到。铁钴合金片和镍片贴片与待测管道1外壁之间用环氧树脂胶水进行粘接。在铁钴合金片和镍片贴片外侧覆盖柔性印刷电路板贴片4，柔性印刷电路板贴片4的长度略大于铁钴合金片和镍片贴片的长度，仅使用柔性印刷电路板贴片4沿管道1轴向的线路产生轴向感应交变磁场。在柔性印刷电路板贴片4外侧，在铁钴合金片和镍片贴片沿周向的两侧放置两块磁极方向相同的永磁体3注意永磁体的NS极，以便在所有铁钴合金片和镍片贴片上产生沿管道1周向的静磁场，永磁体的排列图如图4所示，多个永磁铁3的磁极方向均一致。

本发明中的换能器阵列构造如图5所示，其中5为铁钴合金片和镍片贴片，4为柔性印刷电路板贴片；如图6所示，任意相邻的两个换能器分别属于两组时延阵列，两组阵列中编号相同的换能器的时间间隔相同，但由于通入交流电方向相反，两组中同编号的两个换能器的剪切力是相反的。

推导了交叉延时阵列荷下管道的激励响应，分析了时间间隔、换能器个数、目标模态波结构等参数对目标模态纯净度的影响。

设计制作某一管道的单一纯净扭转-弯曲导交叉延时阵列波换能器的思路和过程为：

首先利用半解析有限元法计算得到该管道在不同频率下的各种模态的波结构和波数等参数。选取周向位移目标模态扭转-弯曲模态T(N,m)，选择与管道外径匹配合适的换能器总数η，其每组这列中第ξ个换能器对应的时延时间Td为：

其中，N表示目标弯曲模态的周向阶数，Δt是每组阵列中相邻换能器的间隔时间，f是激发频率，ξ是环状阵列换能器的序数，η是环状阵列换能器的总个数。

由此公式可以计算出每个换能器的作用时间，按照顺序在换能器中通入交流电。

两组时延阵列换能器交叉排布，相邻两个换能器产生不同方向的切向力，通过控制每组换能器阵列中的每个换能器的时延，在管中激发偏转了一定角度的导波波束。设计两组换能器阵列的时延，使两组换能器阵列激发导波波束的偏转角度刚好相反，进而在管中激发出纯净的单一扭转-弯曲模态导波。

将这种弯曲导波换能器安装于外径89mm，壁厚5.5mm的牌号为AISI316L的不锈钢钢管外壁，不锈钢钢管长度为3.2m，将扭转-弯曲模态导波换能器安装位置在距离管道左端0.3m处。在距离激发点2m的位置，设置8个厚度剪切型压电传感器，收集管道切向位移信号，并传到笔记本电脑11中进行信号的后处理和模态提取的工作。

根据管道尺寸、材料的泊松比和杨氏模量等参数，采用半解析有限元法计算得到该管道的导波群速度频散曲线如图7所示，以及各模态导波结构。在本发明中，铁钴合金片和镍片贴片的剪切力沿管道周向，而扭转-弯曲模态的8位移主要在周向，故本例选取T(1,1)模态为目标扭转-弯曲模态，T(1,1)波结构如图8所示。

根据时间间隔计算公式：

综合考虑扭转-弯曲模态T(1,1,)在激发频率下的频散，本例最终选取的激发频率为50kHz，使用两组阵列，每组阵列各8个换能器，两组换能器相互交叉排布在管道外壁，实施实例布置如图9所示。其中9是沿周向均匀设置的8个厚度剪切型压电传感器。

具体的操作步骤为：将两组阵列换能器相互交叉地排布在待测管道外壁。信号发生器6发出经汉宁窗调制的10周期的正弦信号，经功率放大器7放大送至柔性印刷电路板贴片4中产生交变磁场，基于磁致伸缩效应，紧贴在管道外壁的铁钴合金片和镍片贴片会在管道周向方向(即静磁场方向)产生切变，按照计算的时间间隔，两组换能器按照顺序作用于管道外壁，从而在管道中激发出超声导波。

导波信号接收器接收的周向位移信号时域图如图10所示，通过计算两个信号回波之间的时间间隔为：

Δt＝1.499ms-0.809ms＝0.690ms

c_g＝Δs/Δt＝2m/0.690ms＝2898.552m/s

其中c_g为该波包群速度，Δs为导波首次经过信号接收处和第二次到达信号接收处之间的距离。

将此结果与如图7所示的群速度频散曲线对比，可以确定此导波为扭转-弯曲模态T(1,1)。

在上述实例的条件下激发出的不同模态幅值占目标模态T(1,1)的比值如图11所示，其他非目标模态的幅值占目标模态T(1,1)幅值最大仅为10％～15％，可以认为激发出了单一纯净的弯曲模态T(1,1)。

前文中提到的激发方式或是激发的弯曲模态不够纯净，主要表现为模态数量多，或是没有激发出真的单一的弯曲模态，比如张小伟提出的螺旋式和时延相控阵实质上是两个同一模态的，沿轴向有一定的相位差的弯曲模态导波相互叠加后的波，本发明能够在管中激发出单一的弯曲模态导波。本发明的主要优势在于基于弯曲模态导波在管道周向聚焦的特性，在管道周向对称激发，能够将能量稳定聚焦在管道周向的某个角度，其他角度能量能够相互抵消，从而使激发的弯曲模态导波更加纯净，推进弯曲模态导波的在工程应用具有积极意义；除此之外，可以根据管道的管径大小使用不同数目的换能器；在安装完毕后，通过改变两组相互交叉的换能器的激发顺序，可以将弯曲模态导波的能量聚焦在不同的周向角度范围内，而不需再次拆卸安装；高磁致伸缩性贴片的使用加大了本发明的适用范围，能够在不同材质的管道中激发出弯曲模态。

相比于其他的导波换能器，本发明可以在管道1中激发较为纯净的单一扭转-弯曲模态导波，且成本较低；另外，本发明给出了与目标弯曲模态相对应的时间间隔计算公式，通过改变两组延时阵列换能器的间隔时间即可激发出不同的目标扭转-弯曲模态导波。

与现有技术相比，本发明提供的一种基于磁致伸缩效应的弯曲模态导波换能器，适用于各种尺寸各种材质管道，其成本较低，安装方便，操作容易，实用性高，值得推广，可以通过控制换能器阵列的作用顺序改变聚焦角度，对后续的焊缝处缺陷检测和腐蚀检测等都有一定的意义。

以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于激发弯曲模态导波的交叉时延阵列换能器，其特征在于，包括：

两组导波换能器阵列，均包括多个换能器；两组所述导波换能器阵列的多个换能器呈环状交叉排布，每个所述换能器均包括：

金属贴片(2)，沿管道(1)周向且以预定的间隔角度设置在管道外壁上；

两块永磁铁(3)，布置在所述金属贴片(2)的两侧，用于在所述金属贴片(2)上产生静磁场；

柔性印刷电路板贴片(4)，覆盖在所述金属贴片(2)上，所述柔性印刷电路板贴片(4)上印刷有跑道型线圈，所述跑道型线圈用于在管道的轴向方向产生交变磁场；

通过控制每个换能器的时延分别激发偏转角度相反的导波波束，用于在管道(1)中激发出纯净的单一扭转-弯曲模态导波，所述静磁场与交变磁场通过联合作用促使金属贴片(2)在静磁场磁化方向上产生剪切形变，并将剪切形变传递到管道外壁。

2.如权利要求1所述的一种用于激发弯曲模态导波的交叉时延阵列换能器，其特征在于，两块所述永磁铁(3)为极性相同永磁铁。

3.如权利要求1所述的一种用于激发弯曲模态导波的交叉时延阵列换能器，其特征在于，所述金属贴片(2)为铁钴合金或者镍片。

4.如权利要求1所述的一种用于激发弯曲模态导波的交叉时延阵列换能器，其特征在于，所述金属贴片(2)与管道通过环氧树脂胶水固定。

5.如权利要求1所述的一种用于激发弯曲模态导波的交叉时延阵列换能器，其特征在于，每一组所述导波换能器阵列中第ξ个换能器的时延时间Td按下式计算：

其中，N表示目标弯曲模态的周向阶数，Δt是每组阵列中相邻换能器的间隔时间，f是激发频率，ξ是换能器的序数，η是换能器的总个数。

6.如权利要求1所述的一种用于激发弯曲模态导波的交叉时延阵列换能器，其特征在于，多个所述永磁铁(3)的磁极方向均一致。

7.如权利要求1所述的一种用于激发弯曲模态导波的交叉时延阵列换能器，其特征在于，两组所述导波换能器阵列的编号分别为A1,A2,A3,A4......An；B1,B2,B3,B4...Bn，其排列顺序为A1,B1,A2,Bn,A3,Bn-1,A4......An-1B3,An,B2。

8.如权利要求7所述的一种用于激发弯曲模态导波的交叉时延阵列换能器，其特征在于，两组所述导波换能器阵列中编号相同的换能器时间间隔相同，且通入方向相反的交流电，得到两组所述导波换能器阵列中两个编号相同的换能器的剪切力是相反的。

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