管道無損檢測超聲輪式換能器的研制

對式(3)做Laplace變換和零階Hankel變換,得到

同時,由Φ+m和Φ-m的定義,有

在m層與(m+1)層媒質的界面z=zm上,法向應力和位移連續(xù),即

由式(6)~(10),可以得到兩層媒質間應力和位移的傳輸矩陣

這樣,根據(jù)式(6)~(11),可以得到n層媒質的傳輸矩陣表達式

由于第n層媒質中沒有反射波,所以Φ-n=0.于是

即得到第一層媒質中的反射回波

式(13)表明,當已知的入射波Φ+1入射到多層媒質時,其反射回波Φ-1可直接由矩陣[M]來計算.對Φ-1做反Laplace及反零階Hankel變換,就可得到在z=0上,半徑r=R處的反射回波,將z=0換能器表面所有接收點的波形疊加就可得到多層媒質的反射回波波形.

2　超聲輪式換能器的設計

利用上節(jié)的傳輸矩陣方法可對輪式換能器所需的材料和結構通過數(shù)值模擬進行選擇.圖3是分別選用硅橡膠和PVC做滾輪,厚16 mm的硅油作耦合液,在PVC管道上的反射回波仿真波形.可以看到,硅橡膠與硅油的聲阻抗更為接近,聲波在耦合液與輪子界面上的反射回波更弱,透過聲波能量更多些.但從耐油性、耐磨性等方面考慮,還是選用PVC做滾輪.

進行數(shù)值模擬的材料及結構參數(shù)如表1所示.

從圖3的仿真結果可以看到,輪式換能器接收到的三個界面上的一次反射回波(1)(2)(3)的聲時分別為2t1,2t1+2t2,2t1+2t2+2t3.如果管材的縱波聲速c3已精確測定那么管壁的厚度d3就可由測量管內、外壁面上的反射回波的聲時差2t3來確定

反之,若測量了PVC材料的厚度d3,也可由聲時差來確定材料的聲速c3.

因此,為了精確測定管道壁厚d3,必須提高聲時差(2t3)的測量精度.為此,在結構設計上,首先必須防止各種二次和高次反射回波進入反射回波(2)和(3)之間.

為了避免硅油-滾輪界面的二次反射回波的干擾,就要求t1>t2+t3,即:1c1>2c2+3c3.

為了避免管道內壁上的二次反射回波的干擾,要求t2> t3,即:d2c2>d3c3.

最終選取硅油作為耦合液,厚度d1=16 mm,PVC制作滾輪,厚度d2=12.5 mm.3

選用的超聲換能器(Φ16 mm,中科院聲學研究所制)在水中的自發(fā)自收脈沖波形及頻譜如圖4所示.它的機械品質因數(shù)Q≈3,是一種高靈敏度的寬度換能器.為了消除換能器自身系統(tǒng)響應的影響,還采用了維納反卷積技術[7],并采用相關技術[8]進行聲時差(2t3)的測量,電路中還采用了時間增益控制,提高檢測的信噪比及精度.

圖5是輪式超聲換能器實測的回波信號與數(shù)值仿真結果的比較.由于實際壓電換能器的發(fā)射聲場與仿真的矩形分布有一定差異,除實驗的反射回波比仿真結果寬一些外,在各回波的到達聲時上兩者完全一致.結果證實多層結構模型模擬實際檢測結果是可行的.