實驗名稱：單缺陷導波檢測實驗

研究方向：管道運輸在當今國民經濟和工業運輸領域有著不可或缺的作用，其有著經濟、高效且安全的優勢。然而管道在服役過程中并不是一勞永逸的，隨著時間的推移或者存在加工缺陷很容易致使管道產生缺陷，最終導致安全事故的發生。因此提高現有管道缺陷檢測的技術方法、研究管道缺陷檢測新方法對保證管道運輸領域可靠運行具有重要意義。

超聲導波以其特有的優點在管道短距離和長距離檢測中都得到了廣泛的研究，已經成為了重要的缺陷檢測手段。本文基于不同參數的影響，通過理論分析、數值模擬與實驗驗證對時間反轉導波檢測的聚焦效果進行了研究。具體研究內容分為以下3個部分:

首先，針對包含缺陷不同模態信息的時反信號，探討了不同截取窗寬下的時反聚焦效果，為后續研究莫定了基礎;分別對不同周向角度、徑向深度和軸向長度裂紋缺陷管道進行了直接導波檢測和時反導波檢測，并對結果進行了比較，探究參數改變對導波檢測和時反聚焦的影響;在單缺陷模型的基礎上建立了含雙缺陷的管道，研究了缺陷1與缺陷2的聚焦效果以及時間反轉后雙缺陷不同軸向間距和不同周向角度對于后缺陷波形、態以及幅值的影響。

其次，針對實際檢測過程中管道存在部分裸露或者難以確保換能器與管道完全耦合的情況，提出了局部加載時間反轉導波檢測方法。該方法基于直接導波檢測接收到的各通道位移數據，在二次激勵時選擇合適的通道位置及通道數目進行時反加載。分析了導波與單缺陷交互的問題,研究了缺陷能量的周向分布,并基于此以能量、缺陷反射率等為指標，設計方案探究不同通道數目、不同通道位置的變化會對聚焦效果產生何種影響。

最后，搭建實驗系統，對實際管道進行缺陷檢測，確定管道中缺陷所在軸線位置，與實際位置及仿真結果進行對比。采用實驗與數值模擬相結合的方式對改變窗寬下的聚焦效果進行驗證，并對不同周向角度、不同徑向深度缺陷以及局部加載的可行性進行驗證。

實驗目的：為了提高對管道中微小缺陷的檢測精度，為超聲導波時間反轉檢測更快地應用于實際檢測工程中，適應實際檢測過程中換能器不能完全耦合的問題奠定了一定的基礎，

測試設備：任意波形發生器、ATA-8202射頻功率放大器、收發轉換器、ATA-5320前置放大器、數字示波器。

實驗過程：ATA-8202射頻功率放大器采用液晶顯示屏面板顯示，工作模式ClassA，具有線性度高，失真小、使用壽命長、性能穩定等優點。飽和輸出功率200W，功率增益47dB，增益調節0.5dB步進。實驗過程中，選擇的激勵信號與有限元仿真保持一致，通過管道端部的周向均勻布置的16個長度伸縮型壓電換能器，結合收發轉換器實現信號的收發功能。波形發生器產生的調制脈沖信號，經過功率放大器的增強后，在換能器上實現了軸向加載，從而引發了縱向模態導波的產生。這些導波信號沿著管道軸向傳播，與管道中的缺陷發生交互，進而產生反射和透射波。隨后，反射回波信號被換能器重新捕獲，轉化為微弱的電信號。這一信號經過前置放大器的進一步放大后，傳輸至示波器進行記錄。最終，通過上位機實時地展示了這一檢測過程。

圖：實驗平臺及裝置

實驗結果：本實驗搭建了超聲導波管道缺陷檢測系統，針對管道中出現的腐蝕缺陷對管道進行了直接導波檢測和和時反導波檢測，同時對局部加載導波檢測進行了實驗驗證，得出以下結論：（1）對含腐蝕缺陷的管道進行導波檢測的軸向定位較準確，誤差較小，超聲導波可以有效對管道中存在的腐蝕缺陷進行檢測；

（2）時反導波檢測的缺陷反射率隨時反窗寬的增大而增大，與仿真結論一致；

（3）隨著蝕坑密度的增大，直接導波檢測和時反導波檢測的缺陷反射率都增大，并且對于較小腐蝕缺陷提升較大；

（4）周向加載角度較小時，激發出的非軸對稱導波模態較多，與缺陷交互之后模態成分更復雜，造成缺陷波包難以被識別。

圖：不同加載位置實驗信號

圖：不同蝕坑密度缺陷實驗檢測結果

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圖：ATA-8000系列射頻功率放大器指標參數

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審核編輯 黃宇