一種TR與Duffing系統(tǒng)相結合的超聲導波小缺陷定位檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種TR與Duffing系統(tǒng)相結合的超聲導波小缺陷定位檢測方法，屬于無損檢測信號分析領域，步驟如下：在管道的一端面激發(fā)超聲導波信號，使超聲導波遍歷管道的所有位置；在激發(fā)端附近的另一端面接收超聲導波回波信號并記錄超聲導波管道中傳播的時間歷程曲線；利用改進型杜芬混沌系統(tǒng)對超聲導波回波信號進行檢測與分析，提取并識別淹沒在噪聲中的小缺陷信息；將得到的帶有小缺陷信息的信號進行時間反轉后再進行二次激發(fā)；接收反轉信號。本發(fā)明能夠很好的抑制噪聲，得到小缺陷微弱信號，精確識別管道中的小缺陷位置提高缺陷的檢測效率，降低維修成本，能有效延長超聲導波檢測的范圍，提高微弱裂紋缺陷的檢測的靈敏度，具有實際的工程應用價值。
【專利說明】
-種TR與Duf f i ng系統(tǒng)相結合的超聲導波小缺陷定位檢測 方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及基于時間延遲的導波信號分析方法，屬于無損檢測信號分析領域，具 體設及一種TR(時間反轉)與Duf f ing (杜芬)系統(tǒng)相結合的超聲導波小缺陷定位檢測方法。
【背景技術】
[0002] 超聲導波檢測技術是近年來發(fā)展起來的長距離管道檢測的新技術。與傳統(tǒng)的檢測 技術相比，具有檢測距離遠，檢測效率高，檢測速度快，檢測范圍大，可檢測帶有包覆層、埋 地等復雜工況，復雜環(huán)境的管道，可進行在線檢測等優(yōu)點。
[0003] 受管道介質，管道溫度，管道材料等因數(shù)的影響，還受導波自身傳播中頻散和多模 態(tài)的影響，極大限制了導波的檢測效果。噪聲水平、缺陷大小，檢測距離都在一定程度上影 響超聲導波檢測的靈敏度。對于長距離小波檢測，其回波必然表現(xiàn)為強噪聲背景下的弱導 波信號。杜芬混濁系統(tǒng)具有初值敏感性，若將弱信號作為混濁系統(tǒng)的初值輸入到系統(tǒng)中，從 混濁系統(tǒng)的響應中可有效識別出弱信號，并且可W降低信噪比口限，提高檢測靈敏度。但沒 有自聚焦缺陷的作用。時間反轉聚焦方法可W改善信號聚焦效果，有效定位缺陷位置，但不 能有效的降低信號噪聲。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為了解決目前超聲導波管道檢測中小缺陷信號受外界干擾無法 確定小缺陷的位置信息的問題，提出了一種時間反轉與杜芬系統(tǒng)相結合的超聲導波小缺陷 定位檢測方法。
[0005] 本發(fā)明的目的是通過W下技術方案來實現(xiàn)的：一種TR與Duff ing系統(tǒng)相結合的超 聲導波小缺陷定位檢測方法，該方法包括如下步驟：
[0006] (1)在管道的一端面A激發(fā)經(jīng)化nning窗調制的超聲導波信號S = f Sin(Wt)，激發(fā) 管道模態(tài)導波，使超聲導波遍歷管道的所有位置；
[0007] (2)在激發(fā)端附近的接收端B接收超聲導波回波信號并記錄超聲導波管道中傳播 的時間歷程曲線，其中超聲導波回波信號包含端面回波信號、噪聲信號和淹沒在噪聲中的 小缺陷信號；
[000引（3)利用改進型杜芬混濁系統(tǒng)對超聲導波回波信號進行檢測與分析，提取并識別 淹沒在噪聲中的小缺陷信息，獲得整個管道的斜裂紋缺陷情況;具體包括W下子步驟：
[0009] (3.1)將步驟(2)接受到的回波信號輸入到改進型杜芬混濁系統(tǒng);杜芬方程可描述 為：
[0010] x"+cx'-x3+x己=F COS(Wt) (1)
[0011] 式中：C為阻尼比，-x3+x5為系統(tǒng)的非線性恢復力項;F COS(Wt)為內策動力幅值，W 為策動力角頻率，與步驟(1)中的待檢測信號的角頻率相同；回波信號輸入到改進型杜芬混 濁系統(tǒng)后，得到：
[0012] x''+cx'-x^+x^ = F cos(wt)+f sin(wt) (2)
[001 ；3 ] (3.2)計算出最大Lyapunov指數(shù)，記作入，
[0014]
[001引在t = 0時亥lj，Wp日為中屯、，如|Sp(p0,t)||為半徑做楠球面，I |Sp(p0,t)||為t時刻 的半軸長。通過A的符號進行混濁的有效識別，當A大于0時，系統(tǒng)處于混濁狀態(tài)，即識別到管 道中的小缺陷信號；當A小于加寸，系統(tǒng)進入周期狀態(tài)，即沒有識別到小缺陷信號。A的大小定 量標志著混濁特性的強弱，通過A的正負判斷系統(tǒng)的狀態(tài)，并利用所代表的系統(tǒng)的混濁特性 的強弱進行強噪聲下的弱導波信號的識別；
[0016] (4)將經(jīng)過杜芬混濁系統(tǒng)識別到的弱導波信號S*進行時間反轉聚焦；
[0017] A端激勵產生待檢測信號，B端接收到結構在驅動下的響應信號VPB(r，w)，該響應信 號可W寫成：
[001 引 VpB(;r ,W) = S*(w0Kpa(w)Kpb(w)G(;t ,W) (3)
[0019]其中Kpa(W) ,Kpb(W)分別為A,B的機電禪合系數(shù)，G為結構的頻率響應傳遞函數(shù)；
[0020] 對B端接收到的數(shù)據(jù)信號進行時間反轉處理，根據(jù)信號處理理論，信號在時頻域是 共輒的關系，于是得到反轉信號的表達式為：
[0021]
(4)
[0022] (5)在B端再次激勵經(jīng)過時間反轉處理后的導波信號W);
[0023] (6)在A端接收反轉檢測信號，提取出精確的小缺陷信號信息;A端接收到的結構響 應信號VpA(r，w)為：
[0024]
巧)
[00巧]其中Kpab (W)為Kpa(W)和Kpb (W)的乘積，心W批〇與巧〇小於('% w)G{r,w)為共輛復數(shù)乘 積，是實、偶正函數(shù)，它的傅里葉變換在時間零點是同相疊加的，由此得出主峰峰值。在管道 中頻率響應函數(shù)為：
[0026]
(6) 其中，Li，Ti，F(xiàn)i分別表示軸對稱縱波、軸對稱扭轉波、非軸對稱彎曲波，a(r，w)，k，c分別表示 L，T，F(xiàn)波的信號幅值、波數(shù)和傳播速度；當存在L，T，F(xiàn)模式時，在A端接收到的反轉檢測信號 Vpa可W寫成：
[0027]
C7)
[0028] 對上述信號實施傅里葉變換可得：
[0029] (8)
[0030]
[0031]
[0032] 本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明將TR與Duffing系統(tǒng)相結合進行超聲導波小缺陷定 位檢測，本發(fā)明方法能夠很好的抑制噪聲，得到小缺陷微弱信號，精確識別管道中的小缺陷 位置提高缺陷的檢測效率，降低維修成本，能有效延長超聲導波檢測的范圍，提高微弱裂紋 缺陷的檢測的靈敏度，具有實際的工程應用價值。
【附圖說明】
[0033] 圖1為本發(fā)明方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0034] 下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0035] 如圖1所示，本發(fā)明提供的一種TR與Duffing系統(tǒng)相結合的超聲導波小缺陷定位檢 測方法，該方法包括如下步驟：
[0036] (1)在管道的一端面A激發(fā)經(jīng)化nning窗調制的超聲導波信號S = f Sin(Wt),激發(fā) 管道模態(tài)導波，常用L(0,2)模態(tài)，T(0，1)模態(tài)作為待檢測信號，使超聲導波遍歷管道的所有 位置；
[0037] (2)在激發(fā)端附近(根據(jù)檢測現(xiàn)場的不同，AB端的距離也不同，一般為10米左右）的 接收端B接收超聲導波回波信號并記錄超聲導波管道中傳播的時間歷程曲線，其中超聲導 波回波信號包含端面回波信號、噪聲信號和淹沒在噪聲中的小缺陷信號；
[0038] (3)利用改進型杜芬混濁系統(tǒng)對超聲導波回波信號進行檢測與分析，提取并識別 淹沒在噪聲中的小缺陷信息，獲得整個管道的斜裂紋缺陷情況;具體包括W下子步驟：
[0039] (3.1)將步驟(2)接受到的回波信號輸入到改進型杜芬混濁系統(tǒng);杜芬方程可描述 為：
[0040] x"+cx'-x3+x已=F COS(Wt) (1)
[0041] 式中：C為阻尼比，-x3+x5為系統(tǒng)的非線性恢復力項;F COS(Wt)為內策動力幅值，W 為策動力角頻率，與步驟(1)中的待檢測信號的角頻率相同；回波信號輸入到改進型杜芬混 濁系統(tǒng)后，得到：
[0042] x''+cx'-x^+x^ = Fcos(wt)+f sin(wt) (2)
[0043] (3.2)計算出最大Lyapunov指數(shù)，記作入，
[0044]
[0045] 在t = 0時刻，Wpo為中屯、，如|Sp(p〇,t川為半徑做楠球面，I |Sp(p〇,t川為t時刻 的半軸長。通過A的符號進行混濁的有效識別，當A大于0時，系統(tǒng)處于混濁狀態(tài)，即識別到管 道中的小缺陷信號；當A小于加寸，系統(tǒng)進入周期狀態(tài)，即沒有識別到小缺陷信號。A的大小定 量標志著混濁特性的強弱，通過A的正負判斷系統(tǒng)的狀態(tài)，并利用所代表的系統(tǒng)的混濁特性 的強弱進行強噪聲下的弱導波信號的識別；
[0046] (4)將經(jīng)過杜芬混濁系統(tǒng)識別到的弱導波信號S*進行時間反轉聚焦；
[0047] A端激勵產生待檢測信號，B端接收到結構在驅動下的響應信號VPB(r，w)，該響應信 號可W寫成：
[004引
（3)
[0049] 其中Kpa(W) ,Kpb(W)分別為A，B的機電禪合系數(shù)，G為結構的頻率響應傳遞函數(shù)；
[0050] 對B端接收到的數(shù)據(jù)信號進行時間反轉處理，根據(jù)信號處理理論，信號在時頻域是 共輒的關系，于是得到反轉信號的表達式為：
[0化1]
(4)
[0化2] (5)在B端再次激勵經(jīng)過時間反轉處理后的導波信號(r，W);
[0053] 根據(jù)聲波傳播互易原理，對A端傳感器(激發(fā)器）、B端作動器(接收器)確定的結構， 傳感器和作動器可W互易，并且具有相同的頻率響應傳遞函數(shù)。
[0054] (6)在A端接收反轉檢測信號，提取出精確的小缺陷信號信息;A端接收到的結構響 應信號VpA(r，w)為：
[00巧]
城
[0化6]其中Kpab(W)為Kpa(W)和Kpb(W)的乘積，A;-/,h')6'〇, H')為共輛復數(shù)乘 積，是實、偶正函數(shù)，它的傅里葉變換在時間零點是同相疊加的，由此得出主峰峰值。在管道 中頻率響應函數(shù)為：
[0057]
化）
[0化引其中，Li，Ti，F(xiàn)i分別表示軸對稱縱波、軸對稱扭轉波、非軸對稱彎曲波，a(r，w)，k，c 分別表示L，T，F(xiàn)波的信號幅值、波數(shù)和傳播速度；當存在L，T，F(xiàn)模式時，在A端接收到的反轉
檢測信吾Vn,而W寫成.
[0化9] (7)
[0060] 對h沐信耳連脯儲m葉巧格可得：
[0061]
[0062]
[0063]
[0064] 上述實施例用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進行限制，在本發(fā)明的精神和 權利要求的保護范圍內，對本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種TR與Duffing系統(tǒng)相結合的超聲導波小缺陷定位檢測方法，其特征在于，該方法 包括如下步驟： (1) 在管道的一端面A激發(fā)經(jīng)Hanning窗調制的超聲導波信號S = fsin(wt)，激發(fā)管道模 態(tài)導波，使超聲導波遍歷管道的所有位置； (2) 在激發(fā)端附近的接收端B接收超聲導波回波信號并記錄超聲導波管道中傳播的時 間歷程曲線，其中超聲導波回波信號包含端面回波信號、噪聲信號和淹沒在噪聲中的小缺 陷信號； (3) 利用改進型杜芬混沌系統(tǒng)對超聲導波回波信號進行檢測與分析，提取并識別淹沒 在噪聲中的小缺陷信息，獲得整個管道的斜裂紋缺陷情況;具體包括以下子步驟： (3.1)將步驟(2)接受到的回波信號輸入到改進型杜芬混沌系統(tǒng);杜芬方程可描述為： x"+cx'_x3+x5 = Fcos(wt) (1) 式中：C為阻尼比，-X3+X5為系統(tǒng)的非線性恢復力項;FC〇S(wt)為內策動力幅值，W為策動 力角頻率，與步驟(1)中的待檢測信號的角頻率相同；回波信號輸入到改進型杜芬混沌系統(tǒng) 后，得到： x〃+cx'_x3+x5 = Fcos(wt)+f sin(wt) (2) (3 · 2)計算出最大Lyapunov指數(shù)，記作λ，在t = 0時刻，以ρ。為中心，以| |δρ(ρ。，!：）| |為半徑做橢球面，| |δρ(ρ。，!：）| |為t時刻的半 軸長。通過λ的符號進行混沌的有效識別，當λ大于〇時，系統(tǒng)處于混沌狀態(tài)，即識別到管道中 的小缺陷信號；當λ小于0時，系統(tǒng)進入周期狀態(tài)，即沒有識別到小缺陷信號。λ的大小定量標 志著混沌特性的強弱，通過λ的正負判斷系統(tǒng)的狀態(tài)，并利用所代表的系統(tǒng)的混沌特性的強 弱進行強噪聲下的弱導波信號的識別； (4) 將經(jīng)過杜芬混沌系統(tǒng)識別到的弱導波信號S*進行時間反轉聚焦； Α端激勵產生待檢測信號，Β端接收到結構在驅動下的響應信號VPB(r，w)，該響應信號可 以寫成： Vpb(t ,w) = S*(w)KpA(w)KpB(w)G(r ,w) (3) 其中KPA(W)，KPB(w)分別為A，B的機電耦合系數(shù)，G為結構的頻率響應傳遞函數(shù)； 對B端接收到的數(shù)據(jù)信號進行時間反轉處理，根據(jù)信號處理理論，信號在時頻域是共輒 的關系，于是得到反轉信號的表達式為：(4) (5) 在B端再次激勵經(jīng)過時間反轉處理后的導波信號 (6) 在A端接收反轉檢測信號，提取出精確的小缺陷信號信息;A端接收到的結構響應信 號 VpA(r，w)為：其中 Kpab (W)為Kpa (W)和Kpb (W)的乘積，^^ (w)(3(r,. w)C?(r, w).為共軛復數(shù)乘積， 是實、偶正函數(shù)，它的傅里葉變換在時間零點是同相疊加的，由此得出主峰峰值。在管道中 頻率響應函數(shù)為：其中，L i，T i，F(xiàn) i分別表不軸對稱縱波、軸對稱扭轉波、非軸對稱彎曲波，a (r，w)，k，c分別 表示L，T，F(xiàn)波的信號幅值、波數(shù)和傳播速度；當存在L，T，F(xiàn)模式時，在A端接收到的反轉檢測 信號VPA可以寫成：對上述信號實施傅里葉變換可得：
【文檔編號】G01N29/07GK105954358SQ201610288539
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月4日
【發(fā)明人】王強, 谷濤, 谷小紅, 范昕煒
【申請人】中國計量大學