超聲引導(dǎo)波(UGW)是一種能夠在特定幾何結(jié)構(gòu)(如管道、板材或軌道)中傳播的特殊超聲波，被廣泛應(yīng)用于檢測(cè)部件內(nèi)部缺陷。
在彈性介質(zhì)中，超聲波(包括超聲引導(dǎo)波)在遇到不同介質(zhì)或部件結(jié)構(gòu)變化時(shí)會(huì)發(fā)生反射、折射和模式轉(zhuǎn)換。而在復(fù)雜的檢測(cè)結(jié)構(gòu)中，如多層材料或曲面管道，超聲波在經(jīng)歷多次反射或折射后，信號(hào)的處理和表征更加復(fù)雜，且會(huì)產(chǎn)生超聲引導(dǎo)波，其通常被稱為蘭姆(Lamb)波。
一、超聲導(dǎo)波的頻散與多模態(tài)
頻散和多模態(tài)是管道中波傳播的兩個(gè)關(guān)鍵特征，主要受到波導(dǎo)中導(dǎo)波頻率等相關(guān)傳播特性的影響。
在頻域中，頻散會(huì)導(dǎo)致不同頻率分量的相位偏離，使得具有相同初始相位的頻率分量在波導(dǎo)中傳播時(shí)發(fā)生展寬，進(jìn)而降低頻率分辨率;在時(shí)域中，頻散會(huì)引起信號(hào)展寬和波形的變化，從而降低空間分辨率，且頻率分量的相速度變化會(huì)導(dǎo)致波形失真，頻域和時(shí)域中的頻散信號(hào)與非頻散信號(hào)的傳播示意如圖1所示。
圖1頻域和時(shí)域中的頻散信號(hào)與非頻散信號(hào)的傳播示意
通過利用多模波導(dǎo)的傳播和這些缺陷的反射，可以有效檢測(cè)非軸對(duì)稱缺陷。
通常情況下，采用解析或半解析有限元方法求解復(fù)雜結(jié)構(gòu)的頻散曲線，例如余旭東等通過半解析有限元方法的計(jì)算框架，實(shí)現(xiàn)了對(duì)周向?qū)Рl散關(guān)系的精確求解，頻散曲線如圖2所示，該方法對(duì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的橫截面進(jìn)行有限元離散，在波傳播方向采用解析描述，從而將三維問題轉(zhuǎn)化為二維求解，能夠準(zhǔn)確計(jì)算具有任意材料屬性、層數(shù)和環(huán)向截面形狀的復(fù)合圓管中的導(dǎo)波頻散關(guān)系，適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的無損檢測(cè)和材料表征。
圖2周向?qū)Рǖ南嗨俣阮l散曲線：CLT為周向蘭姆類(厚度)模態(tài)波，CHS為周向水平剪切模態(tài)波，其中導(dǎo)波數(shù)字代表模態(tài)波的階數(shù)
導(dǎo)波的頻散效應(yīng)和多模態(tài)行為會(huì)顯著增加回波信號(hào)的處理難度，但是不同模態(tài)和高階模態(tài)簇的導(dǎo)波對(duì)不同的管道缺陷具有不同的敏感度。因此，多模態(tài)激勵(lì)也為檢測(cè)各種類型的管道缺陷提供了更多的應(yīng)對(duì)策略。
二、超聲導(dǎo)波的激勵(lì)與接收
近年來，導(dǎo)波激勵(lì)的研究主要集中在目標(biāo)模態(tài)的激發(fā)等方面，目的是減少多模態(tài)帶來的信號(hào)處理復(fù)雜性并提高缺陷的檢測(cè)精度。
特定導(dǎo)波模態(tài)如L(0,1)和L(0,2)縱向模態(tài)對(duì)周向裂縫較為敏感，而T(0,1)模態(tài)則對(duì)軸向裂縫檢測(cè)效果更佳。
空心圓柱體縱向模態(tài)和扭轉(zhuǎn)模態(tài)的激勵(lì)示意如圖3所示。每個(gè)導(dǎo)波模態(tài)都有固有的截止頻率，這是其能夠存在的最低頻率。通過選擇低于高階模態(tài)截止頻率的激勵(lì)頻率，可以有效地實(shí)現(xiàn)低階模態(tài)的獨(dú)占激勵(lì)，從而避免高階模態(tài)的干擾和信號(hào)復(fù)雜性。
圖3空心圓柱體縱向模態(tài)和扭轉(zhuǎn)模態(tài)激勵(lì)示意
管道檢測(cè)中常用的導(dǎo)波激發(fā)和接收方法包括：脈沖回波法、一發(fā)一收法、壓電換能陣列以及激光激發(fā)與干涉接收法。
在脈沖回波法中，同一個(gè)換能器或換能器陣列既用于激發(fā)導(dǎo)波，也用于接收反射回的導(dǎo)波信號(hào)，因依賴波的反射來確定缺陷信息，故脈沖回波法適用于識(shí)別距離激發(fā)點(diǎn)較近的缺陷。
而在一發(fā)一收模式中，一個(gè)換能器或換能器組用于激發(fā)導(dǎo)波，另一個(gè)換能器或換能器組用于接收，一發(fā)一收模式可以提供缺陷的更多信息，并且能夠檢測(cè)長(zhǎng)距離管道中的缺陷。脈沖回波法和一發(fā)一收模式的原理示意如圖4所示。
圖4脈沖回波法和一發(fā)一收模式原理示意
導(dǎo)波激勵(lì)與接收方法的選擇取決于多種因素，例如檢測(cè)距離、缺陷類型、環(huán)境條件以及設(shè)備和成本。為了實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波單模態(tài)激發(fā)，研究人員利用換能器陣列選擇性激發(fā)。
三、超聲導(dǎo)波的衰減
超聲波的檢測(cè)范圍受到各種衰減因素的限制，包括能量的擴(kuò)散和吸收。在彈性介質(zhì)中，波前頻散是較為普遍的現(xiàn)象;但在黏彈性介質(zhì)中，其不僅表現(xiàn)出波前頻散，還伴隨著能量吸收行為。
導(dǎo)波的衰減主要包括擴(kuò)散衰減、散射衰減和吸收衰減，如圖5所示。在無損檢測(cè)中，可根據(jù)衰減與材料缺陷程度的線性效應(yīng)，使用信噪比衡量信號(hào)的衰減。
圖5導(dǎo)波衰減示意
此外，研究還表明管道埋地環(huán)境以及埋地材料對(duì)導(dǎo)波衰減的影響非常顯著，黏土環(huán)境中導(dǎo)波能量的衰減遠(yuǎn)高于沙土環(huán)境中。
四、超聲導(dǎo)波檢測(cè)原理和技術(shù)特點(diǎn)
超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)主要通過激發(fā)低頻超聲導(dǎo)波在檢測(cè)部件內(nèi)散射，從而捕捉部件內(nèi)的缺陷以檢測(cè)部件損傷。管道超聲導(dǎo)波無損檢測(cè)技術(shù)的原理示意如圖6所示。
圖6管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)原理示意
超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)在各種材料的損傷檢測(cè)中應(yīng)用廣泛，其檢測(cè)信號(hào)中幾乎包含了結(jié)構(gòu)中的所有信息。與其他檢測(cè)技術(shù)相比，其主要有以下優(yōu)勢(shì)：
1、全面檢測(cè)?？稍谡麄€(gè)構(gòu)件中的任意位置進(jìn)行單點(diǎn)激勵(lì)，誘導(dǎo)顆粒振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)構(gòu)件的全面覆蓋檢測(cè)。
2、長(zhǎng)距離檢測(cè)。針對(duì)材料屬性，選擇合適的導(dǎo)波模態(tài)，能夠減小導(dǎo)波衰減。更小的衰減意味著導(dǎo)波能夠在材料中傳播的距離更遠(yuǎn)，從而能夠在不移動(dòng)設(shè)備的情況下實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離檢測(cè)。
3、缺陷適應(yīng)性強(qiáng)。超聲導(dǎo)波具有多模態(tài)特性，適用于檢測(cè)各種不同類型的缺陷。通過控制導(dǎo)波的模態(tài)和頻率可以對(duì)不同類型的缺陷進(jìn)行檢測(cè)，提高檢測(cè)精度的同時(shí)還能獲取多維度的檢測(cè)信息。
4、檢測(cè)效率高。超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)成本相對(duì)較低，在特定位置安裝換能器即可進(jìn)行檢測(cè)，方便且易操作。
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