运用范畴：
依据超声导波的结构资料损害快速无损检测及损害在线监测运用。
应战：
现在广泛运用的超声波检测技能大多依据超声体波，因为超声体波的传达特色，需求对结构进行逐点检测，因而存在检测功率低，本钱高级缺点；一起逐点扫描的检测办法也约束了其在结构健康监测范畴的运用。
超声导波是体波在结构界面反射叠加构成的沿结构界面传达的应力波。超声导波相关于体波具有衰减小，传达间隔长的特色，可完成对形状规矩的大结构件的快速无损检测；而且具有在线运用潜力，可作为结构健康在线监测的技能手法。
可是超声导波相关于体波愈加杂乱，首要表现为两方面：一方面为导波的多模态特性，即同一频率下一起存在有多种导波模态；另一方面为频散特性，即同一模态导波在不同频率下的传达速度不同。超声导波的杂乱性对检测渠道和检测办法提出了更高的要求。
处理方案：
超声导波检测办法为主动检测，包含信号的激起的和接纳。针对导波的多模态的特性，拟选用单一模态导波作为检测信号，因而需求在检测渠道从信号激起和接纳两方面按捺其他模态。首要经过传感器尺度，信号激起频率，优化匹配完成单一导波模态激起。
为了完成对被检目标的快速检测，依据雷达原理开展了适用于超声导波的相控阵列及信号处理算法，以此完成对资料损害的快速成像检测。
1 运用布景
跟着当时对大型设备结构安全性的日益重视，无损检测技能已成为现代结构设备制作和运用进程中必不可少的检测手法之一, 广泛运用于各个范畴，如航空航天范畴、电力生产范畴、石化输运加工范畴等。这些范畴的设备结构一般处于较恶劣的工作条件，容易发生磨损、腐蚀、疲惫、蠕变等损害，从而构成结构内部发生缺点，损害结构安全性。因而对这些设备结构进行实时监测和确诊成为无损检测技能运用中的一个重要方面。
现在工业界常用的五大无损检测办法包含：浸透检测，磁粉检测，涡流检测，超声波检测，射线检测。在这五种检测办法中，超声波检测因为适用规模广（既可检测金属，也可检测非金属），对人体无害而运用较为遍及。现在惯例的超声波检测首要运用体波，只能检测探头掩盖区域或许探头周围很小规模，因而一般选用逐点检测的办法。逐点检测办法的缺点便是检测功率低，检测本钱高。而运用超声导波的无损检测技能则能够有效地处理这一问题。
超声导波是现在惯例运用超声体波的叠加组合。在无限均匀各向同性弹性介质中, 只存在两种超声波：纵波和横波，这两种超声波称为超声体波， 二者别离以各自的特征速度传达而无波型耦合。 在有限尺度波导(如平板、圆管) 中传达的纵波和横波因为遭到鸿沟的限制以及在鸿沟处发生不断的模态转化，将会发生沿波导传达的超声导波。因而超声导波是由超声体波（包含纵波和横波）在波导上下界面间反射叠加而构成的沿波导传达的一种应力波。
因为超声导波是在具有上下界面的固体中传达的应力波，其衰减首要是由资料吸收构成的，因而与传达间隔成正比。而超声体波在固体资料是从激起点向三个方向涣散，其衰减与传达间隔的平方成正比。因而超声导波的衰减相对体波来说小许多，能够沿波导传达很长间隔。
依据超声导波传达间隔长的特色，其在无损检测运用中能够完成一次检测数米间隔，是对传统逐点扫描办法的极大改善。一起，关于发电范畴和石化范畴常见的包覆及埋地结构，运用超声导波检测技能只需求一点接入就能够检测数米间隔，不需求彻底露出结构，能够极大的进步功率并下降本钱。
因为超声导波检测间隔长、规模广，具有在线运用潜力，能够作为结构健康状况检测(SHM)的技能手法。
2 面对问题
因为超声导波是超声体波在波导中的反射和叠加，因而超声导波相对体波来说愈加杂乱，表现为多模态和频散特性。
关于外表处于自在鸿沟条件下的各相同性板状构件，其频散关系可表达为：
(1)
其间，h是平板半壁厚，ω角频率，k是波数，VL和VS别离是资猜中纵波和横波波速。此种表达办法，当α=0代表对称模态，当α=π/2代表非对称模态。
依据平板中的频散关系能够得出导波频散曲线，如图1所示。从中能够看出，在同一频率下一起存在多种导波模态。如800kHZ以下，一起存在有有三种模态，别离为A0模态、S0模态和SH0模态。跟着频率的添加，一起存在的导波模态数也会随之添加，如在2MHz下，平板内存在有8种可传达模态。导波这种多模态效应会使得接纳到的缺点反射信号杂乱化，对其检测运用发生较大影响。
别的从频散曲线图中还能够看出，同一模态导波在不同频率下的传达速度会发生改动，这将导致激起信号中不同频率的成分随传达间隔的添加逐步涣散，导致激起信号时域延伸，幅值下降。图2为中心频率为200kHz的A0模态在2mm厚钢板中激起波包随传达间隔的改动进程，从中能够看出，跟着传达间隔的添加，导波的频散特性将会导致波包在时域上的延伸，一起波包幅值也将严峻下降。这种现象将构成检测信号的叠混和削弱，使得缺点特征无法辨认。
(a)频率-波数曲线
(b)频率-相速度曲线
(c)频率-群速度曲线
图1. 2mm厚钢板的频散曲线
(弹性模量216.9GPa，泊松比0.28，密度7.9×103kg/m3)
(a) (b)
(c) (d)
图2 中心频率为200kHz的A0模态在2mm钢板中的频散现象
(a为激起信号；b为传达1000mm厚波形；c为传达1500mm后波形；d为传达2000mm后波形)
导波的多模态和频散特色使其在信号鼓励、质点振荡、传达、接纳和信息提取等方面均比惯例超声波检测杂乱。为了运用超声导波进行检测需求从信号的激起、传达、接纳和信号提取等方面开展适用于超声导波的办法和技能。
3 处理方案
3.1 单模态超声导波激起
超声导波具有多模态的特色，跟着激起频率的添加导波模态数不断添加。导波的多模态特色会添加信号杂乱性，使缺点特征信号难以辨认。因而为了适用于检测运用，需求激起单一导波模态。
依据导波频散特性曲线，在高阶导波模态截止频率以下(关于2mm厚钢板为810kHz)，仅存在三种0阶导波，包扩对称模态S0、非对称模态A0、水平剪切模态SH0。因而操控激起信号频率在高阶导波截止频率以下能够将导波模态数降至三种。
关于S0、A0和SH0模态，其模态形状存在差异。A0模态首要以离面位移为主，如图3(a)所示，S0模态和SH0模态首要以面内位移为主，其间S0的位移方向于波传达方向平行，如图3(b)所示，SH0模态的位移方向与波传达方向笔直，如图3(c)所示。
(a) A0模态激起暗示 (b)S0模态激起暗示
(c)SH0模态激起暗示
图3 不同导波模态激起施力求
超声导波激起的实质上便是在被检测目标中耦合进模态所对应的应力波，为了取得单一的导波模态，需求经过传感器优化来增强所需模态对应的外表应力散布，一起按捺其他模态对应的外表应力散布。
现在能够用于在被检测结构中耦合进导波应力场的传感器可分为如下几类：压电式换能器，电磁声换能器(EMAT)，磁致弹性换能器，激光超声换能器。压电式换能器首要运用晶体资料的压电效应和逆压电效应作为导波激起和检测传感器，现在常用的压电资料首要有PZT和柔性的PVDF。其间PZT资料的压电转化功率较高，本钱较低，可是资料无法曲折；PVDF资料也具有压电效应，可是其压电性相关于PZT资料要低，其长处在于资料具有柔性，能够曲折。电磁声换能器(EMAT)首要经过改动金属结构中的电磁场，运用Lorenz力鼓励导波应力场。用于超声导波激起的磁致弹性换能器(MT)最早由H.Kwun等人提出，其首要运用磁致弹性效应完成导波应力场的激起。激光声换能器运用激光脉冲束在被检测构件外表发生热应力振荡，完成超声导波的激起，激光声换能激起办法的仪器体积较大，本钱较高，不适于现场检测运用，现在首要用于实验室研讨工作。
上述导波换能器中，PZT压电晶片具有体积小、重量轻、本钱低的长处，适用于结构健康状况监测运用，因而现在各国研讨团队首要运用PZT压电晶片作为导波激起和接纳换能器。
