管道无损检测超声轮式换能器的研制

对式(3)做Laplace变换和零阶Hankel变换,得到

同时,由Φ+m和Φ-m的定义,有

在m层与(m+1)层媒质的界面z=zm上,法向应力和位移连续,即

由式(6)~(10),可以得到两层媒质间应力和位移的传输矩阵

这样,根据式(6)~(11),可以得到n层媒质的传输矩阵表达式

由于第n层媒质中没有反射波,所以Φ-n=0.于是

即得到第一层媒质中的反射回波

式(13)表明,当已知的入射波Φ+1入射到多层媒质时,其反射回波Φ-1可直接由矩阵[M]来计算.对Φ-1做反Laplace及反零阶Hankel变换,就可得到在z=0上,半径r=R处的反射回波,将z=0换能器表面所有接收点的波形叠加就可得到多层媒质的反射回波波形.

2　超声轮式换能器的设计

利用上节的传输矩阵方法可对轮式换能器所需的材料和结构通过数值模拟进行选择.图3是分别选用硅橡胶和PVC做滚轮,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,硅橡胶与硅油的声阻抗更为接近,声波在耦合液与轮子界面上的反射回波更弱,透过声波能量更多些.但从耐油性、耐磨性等方面考虑,还是选用PVC做滚轮.

进行数值模拟的材料及结构参数如表1所示.

从图3的仿真结果可以看到,轮式换能器接收到的三个界面上的一次反射回波(1)(2)(3)的声时分别为2t1,2t1+2t2,2t1+2t2+2t3.如果管材的纵波声速c3已精确测定那么管壁的厚度d3就可由测量管内、外壁面上的反射回波的声时差2t3来确定

反之,若测量了PVC材料的厚度d3,也可由声时差来确定材料的声速c3.

因此,为了精确测定管道壁厚d3,必须提高声时差(2t3)的测量精度.为此,在结构设计上,首先必须防止各种二次和高次反射回波进入反射回波(2)和(3)之间.

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

为了避免管道内壁上的二次反射回波的干扰,要求t2> t3,即:d2c2>d3c3.

最终选取硅油作为耦合液,厚度d1=16 mm,PVC制作滚轮,厚度d2=12.5 mm.3

选用的超声换能器(Φ16 mm,中科院声学研究所制)在水中的自发自收脉冲波形及频谱如图4所示.它的机械品质因数Q≈3,是一种高灵敏度的宽度换能器.为了消除换能器自身系统响应的影响,还采用了维纳反卷积技术[7],并采用相关技术[8]进行声时差(2t3)的测量,电路中还采用了时间增益控制,提高检测的信噪比及精度.

图5是轮式超声换能器实测的回波信号与数值仿真结果的比较.由于实际压电换能器的发射声场与仿真的矩形分布有一定差异,除实验的反射回波比仿真结果宽一些外,在各回波的到达声时上两者完全一致.结果证实多层结构模型模拟实际检测结果是可行的.