常俊杰 曾雪峰

摘要：針對傳統(tǒng)接觸式超聲檢測高壓電線桿開閉器水層厚度存在漏電風(fēng)險(xiǎn)問題，提出使用非接觸式空氣耦合超聲導(dǎo)波技術(shù)對開閉器中水層厚度進(jìn)行測量。對開閉器水中導(dǎo)波傳播過程進(jìn)行仿真并計(jì)算水層厚度;搭建開閉器實(shí)驗(yàn)室平臺，控制水層厚度，改變換能器之間距離，對回波信號進(jìn)行分析并計(jì)算水層厚度;控制換能器之間距離，改變水層厚度，對回波信號進(jìn)行分析并計(jì)算水層厚度。通過仿真與實(shí)驗(yàn)使用幾何聲學(xué)對水層厚度進(jìn)行計(jì)算得出關(guān)系式，將仿真與實(shí)驗(yàn)兩者結(jié)果進(jìn)行對比，有高度一致性，驗(yàn)證空氣耦合超聲導(dǎo)波法對開閉器中水層厚度測量的可行性與準(zhǔn)確性。該方法可為測量開閉器中水層厚度提供新思路。

關(guān)鍵詞：空氣耦合超聲;導(dǎo)波;開閉器;水層厚度

中圖分類號：TG115.28 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）09-0027-06

收稿日期：2018-11-14;收到修改稿日期：2018-12-12

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11464030）;無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（南昌航空大學(xué)）開放基金課題（F010404）

作者簡介：常俊杰（1964-），遼寧大連市人，副教授，博士，主要從事超聲無損檢測的應(yīng)用技術(shù)研究及檢測設(shè)備的研發(fā)等工作。

0 引言

目前，為保證電力系統(tǒng)高效運(yùn)作，以及在某個(gè)區(qū)域發(fā)生斷電事故時(shí)，能夠快速向電路完好的區(qū)域通電，會在電線桿上設(shè)置柱上開閉器，其作用是控制向下一個(gè)區(qū)域輸入和切斷電力。柱上開閉器在長期使用過程中，由于密封圈老化和外箱腐蝕，箱內(nèi)會浸人雨水，絕緣性降低，從而可能導(dǎo)致停電等電力事故。有研究通過使用接觸式超聲波探頭接觸開閉器底部，觀察水面的反射波來檢測當(dāng)前水層厚度。但是，由于這種逐一接觸檢測需要直接接觸底部，可能會在接觸時(shí)和連接檢測儀時(shí)產(chǎn)生震動(dòng)使內(nèi)部水面搖晃，導(dǎo)致水進(jìn)入內(nèi)部機(jī)械部分從而發(fā)生內(nèi)部短路，由于開閉器外箱和檢測裝置相連，萬一內(nèi)部已經(jīng)短路，則會危及檢測人員生命安全。

因接觸式超聲檢測方法的諸多不便，有研究提出了使用空氣耦合超聲導(dǎo)波同側(cè)V透射法[1-3]。調(diào)整換能器間距和角度激勵(lì)鋼板中A₀模式導(dǎo)波，利用導(dǎo)波傳播過程中產(chǎn)生的泄露波和水界面的一次反射波進(jìn)行幾何運(yùn)算，計(jì)算出開閉器中水層厚度。

沿著大型棒狀或板狀結(jié)構(gòu)長距離傳播的超聲波稱為導(dǎo)波，在無損檢測領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，導(dǎo)波的檢測精度、檢測范圍都與導(dǎo)波的頻率有關(guān)[4]。相對于傳統(tǒng)的超聲波檢測技術(shù)，超聲導(dǎo)波具有傳播距離遠(yuǎn)、速度快的特點(diǎn);因此，在大型構(gòu)件（如在役管道）和復(fù)合材料板殼的無損檢測中有良好的應(yīng)用前景[5]?？諝怦詈铣暡o損檢測技術(shù)具有完全非接觸、無損傷的特點(diǎn)，可用于傳統(tǒng)超聲檢測手段難以適應(yīng)的場合，空氣耦合蘭姆波可對復(fù)合材料的特性進(jìn)行評價(jià)來達(dá)到真正意義的無損[6-9]。盧超等[10-11]利用空氣耦合蘭姆波同側(cè)法對復(fù)合材料進(jìn)行了成像檢測，以無缺陷處信號值為基準(zhǔn)，用信號差異系數(shù)作為特征值，對特征值全加和全乘的數(shù)據(jù)融合方法進(jìn)行了缺陷形貌重構(gòu)成像;本課題組分析了空氣耦合超聲穿透薄板時(shí)的能量透射率和各種板厚中的能量透射，使用空氣耦合蘭姆波同側(cè)向和同側(cè)異向法對鋼板中開口損傷進(jìn)行C掃描成像檢測[12];張東波等[13]使用COMSOL有限元分析得到了板波的反射和透射聲場，并觀察到板波在結(jié)構(gòu)中反射和投射的實(shí)際過程;張迪等[14]構(gòu)建了流固耦合模型對空氣聲場及各向同性板材中的位移場進(jìn)行了計(jì)算，得出相控陣聲束動(dòng)態(tài)偏轉(zhuǎn)在板中能夠激勵(lì)出Lamb波的A₀和S₀模式這一結(jié)果。

本文使用有限積分法以開閉器為對象，模擬分析導(dǎo)波在開閉器中（空氣—鋼板—水界面）的傳播過程，并依據(jù)這一傳播過程利用幾何聲學(xué)計(jì)算方法計(jì)算水層厚度。最后將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證其一致性。

1 超聲導(dǎo)波檢測原理及仿真計(jì)算

1.1 空耦超聲穿透鋼板時(shí)的能量透射率

超聲波斜角入射時(shí)的反射和透射以及激發(fā)鋼板中導(dǎo)波示意圖如圖1所示，當(dāng)超聲波從空氣中以入射角θ、頻率為f向鋼板中入射時(shí)，在板中激發(fā)導(dǎo)波并在板中向前傳播，且同時(shí)產(chǎn)生泄露波，該透射波的能量透射率計(jì)算公式[15]如下所示：其中θ為入射角;θ₁、θ_t分別為對應(yīng)縱波和橫波的折射角;ρ_a、ρ_s分別為空氣和鋼的密度;v_a、v₁、v_t分別空氣中聲速、鋼板中縱波和橫波速度，k_ly、k_ty是板厚方向的縱波和橫波波數(shù);Z、Z₁、Z_t分別為考慮了入射角的聲阻抗;ω為角頻率。

由式（1）可知超聲波穿透鋼板時(shí)的能量透射率不僅是兩介質(zhì)的密度和聲速的函數(shù)，同時(shí)也是入射角和fd（頻率與板厚的乘積）的函數(shù)，依據(jù)式（1）求得曲線關(guān)系圖如圖2，圖3所示，分別為垂直入射和以θ=7.3°入射時(shí)能量透射率與頻厚積關(guān)系圖。由圖3可知，當(dāng)換能器為800kHz，鋼板厚度為2.3mm，超聲波以7.3°入射時(shí)，發(fā)生全透射，使泄露波能量到達(dá)最大，便于信號的采集和計(jì)算。

1.2 導(dǎo)波傳播過程仿真及幾何計(jì)算

本文使用有限積分法超聲波傳播模擬分析軟件（SWAN21）對導(dǎo)波在開閉器中（空氣—鋼板—水）傳播過程進(jìn)行模擬分析，并對開閉器中水層厚度進(jìn)行計(jì)算，建立如圖4所示模型。模型結(jié)構(gòu)為模擬開閉器結(jié)構(gòu)，空間位置由上至下介質(zhì)分別水、鋼板、空氣。模型數(shù)據(jù)為：水層厚度巧mm，鋼板厚度2.3mm，空氣禾禺合超聲換能器頻率800kHz、晶片直徑14mm，激發(fā)導(dǎo)波模式為A₀模式，根據(jù)鋼板厚度及頻散曲線計(jì)算出最佳換能器角度θ=7.3°，在換能器左側(cè)空氣中設(shè)置超聲波接收點(diǎn)，對接收波形進(jìn)行A模式顯示。

空氣耦合超聲波換能器發(fā)射超聲波經(jīng)過空氣傳導(dǎo)至鋼板界面在鋼板內(nèi)反射并激發(fā)導(dǎo)波，導(dǎo)波在鋼板中傳播并向水介質(zhì)以及空氣中發(fā)生泄露，并且泄露的超聲波在水中傳播在水一真空界面會發(fā)生反射，反射的超聲波會再次在鋼板中激勵(lì)導(dǎo)波并向水介質(zhì)以及空氣中發(fā)生泄露。下面，就這一傳播過程以及超聲波測量結(jié)果以時(shí)間順序進(jìn)行介紹。

圖5為時(shí)間t=6.0μs處仿真圖，此時(shí)換能器發(fā)出超聲波并在鋼板中激發(fā)導(dǎo)波，導(dǎo)波開始往水介質(zhì)與空氣中產(chǎn)生泄露波，但是由于此時(shí)空氣中的泄露波距離換能器太近，在仿真過程中觀察不到。往水中泄露的超聲波角度為33.3°，聲速為1.48km/s，導(dǎo)波沿著鋼板向前傳播，群速度為3.236km/s。

如圖6所示，為時(shí)間t=14.6μs處仿真圖，導(dǎo)波繼續(xù)在鋼板中傳播，并且向水中和空氣中發(fā)生泄露，導(dǎo)波往空氣中泄露波與水平夾角為7.3°，往水中泄露波與水平夾角為33.3°，且垂直于各自波陣面?zhèn)鞑ィ鐖D中箭頭所示。

如圖7所示，為時(shí)間t=23.6μs處仿真圖，導(dǎo)播繼續(xù)在鋼板中傳播，位于空中的監(jiān)測點(diǎn)已經(jīng)能夠檢測到泄露波。導(dǎo)波在水介質(zhì)中的泄露往前傳播遇到水，真空界面，立即發(fā)生一次反射，且反射角為33.3°，當(dāng)一次反射波傳播到鋼板介質(zhì)時(shí)，將會在鋼板中再次激發(fā)導(dǎo)波，并沿鋼板傳播，且在傳播過程繼續(xù)往空氣中和水介質(zhì)中發(fā)生泄漏，角度與換能器激發(fā)導(dǎo)波產(chǎn)生泄露波角度相同。

圖8為時(shí)間t=41.6μs處仿真圖，水介質(zhì)中泄露波在鋼板中激發(fā)導(dǎo)波，并且在傳播過程同時(shí)向水介質(zhì)與空氣中泄露，在水介質(zhì)中產(chǎn)生的泄露波在水一真空界面發(fā)生反射，形成二次反射波。空氣中最左側(cè)，為換能器激發(fā)導(dǎo)波產(chǎn)生的泄露波，在監(jiān)測點(diǎn)上方為水面一次反射波激發(fā)的導(dǎo)波產(chǎn)生的泄露波。

接收點(diǎn)接收到的波形如圖9所示。A波形為空氣耦合換能器激發(fā)鋼板中導(dǎo)波的泄露波A顯示，在t=28.4μs處，泄露波（沿空氣—導(dǎo)波—空氣路徑）達(dá)到最大幅值;B波形為水界面的一次反射波在鋼板中激勵(lì)的導(dǎo)波往空氣中泄露的波形A顯示，在t=46.3μs處，泄露波（沿空氣—導(dǎo)波—水介質(zhì)—水面反射波（第一次）—導(dǎo)波—空氣路徑）達(dá)到最大幅值，即當(dāng)水層厚度為15mm，波形A和B到達(dá)時(shí)間差為△t=17.9μs時(shí)，接收波形幅值最大。

基于以上模擬過程，改變水層厚度，可以求得水層厚度D與時(shí)間差△t的關(guān)系，簡化計(jì)算模型如圖10所示。超聲波在B點(diǎn)處激勵(lì)鋼板中導(dǎo)波，并以r=33.3°傳播至C點(diǎn)并產(chǎn)生一次反射波傳播至E點(diǎn)，水面一次反射波在E點(diǎn)處激勵(lì)鋼板中導(dǎo)波，并往前傳播△L距離，在G點(diǎn)被接收，AB與FG為超聲波在空氣中聲程，B點(diǎn)至C點(diǎn)至E點(diǎn)為超聲波水中傳播聲程，傳播過程如圖中箭頭所示，B點(diǎn)至E點(diǎn)至F點(diǎn)為導(dǎo)波在鋼板中聲程。圖中VW為超聲波在水中傳播速度、V_g為導(dǎo)波群速度、B為換能器傾斜角、r為折射角、D為水層深度、L₁為一次反射波出現(xiàn)距離，則時(shí)間差△t可由下列公式推導(dǎo)：

t_g1=L₁/V_g（2）

L₁=2Dtanr（3）

t_w1=2DV_w/ cosr（4）

式中：t_g1——導(dǎo)波在L₁段傳播所用時(shí)間;

t_w1——超聲波在水中傳播時(shí)間。

對于圖10有：

t_導(dǎo)波=t_a+t_g1+△t_g+t_b（5）

式中：t_導(dǎo)波——導(dǎo)波在整個(gè)傳播過程中所用時(shí)間;

t_a、t_b——超聲波在AB段及FG段傳播時(shí)間;

△t_g——導(dǎo)波在△L段所用時(shí)間。

t_{一次反射波}=t_a+t_w1+△t_g+t_b（6）其中t_{一次反射波}為一次反射波傳播總時(shí)間。

由上述分析可得時(shí)間差為：△t=t_w1-t_g1。

通過改變模型中水層厚度，當(dāng)換能器頻率為800kHz時(shí)，記錄數(shù)據(jù)成表1，制成圖11，可知水層厚度與時(shí)間差關(guān)系式為D=0.8258△t（η=0.8258），將水層厚度與時(shí)間差關(guān)系系數(shù)記為相關(guān)系數(shù)η。并且改變換能器頻率，可得換能器頻率與系數(shù)η曲線，如圖12所示。

2 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果

根據(jù)上文模擬過程，通過鋼板中導(dǎo)波及一次反射回波的時(shí)間差△t能準(zhǔn)確計(jì)算開閉器中水層厚度D，且制備了實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)下模擬開閉器裝置，模型數(shù)據(jù)與仿真模型相同，如圖13所示，在鋼制容器內(nèi)加水，由下至上依次為空氣一鋼板一水界面。檢測裝置由空氣耦合專用換能器、高功率信號發(fā)射接收器（JPR600C）、高功率前置放大器（60dB）、處理軟件模塊組成。將開閉器固定于支架上，調(diào)整換能器角度為7.3°，空氣耦合專用換能器頻率為800kHz，移動(dòng)接收換能器至65mm處，改變開閉器中水層厚度D分別為20，30，40，50mm，進(jìn)行A顯示，結(jié)果如圖14所示。水層厚度D與時(shí)間At具有良好的線性關(guān)系，所求得系數(shù)η為0.8265;并且從A顯示可以得出導(dǎo)波的傳播時(shí)間不隨水層厚度的變化而變化，而水面一次反射波傳播時(shí)間隨著水層厚度的增加而增加，因此在實(shí)際檢測中，需要調(diào)整換能器之間距離對接收波形進(jìn)行顯示，使水面一次反射波更清晰、更準(zhǔn)確。

接下來控制水層厚度為30mm，固定發(fā)射換能器，移動(dòng)接收換能器，改變換能器之間距離，接收換能器以5mm的間隔往左移動(dòng)，將換能器從相隔50mm移動(dòng)至140mm處，在移動(dòng)過程中同時(shí)對結(jié)果進(jìn)行A顯示和B顯示，如圖15所示。圖15（a）為B顯示結(jié)果，①為導(dǎo)波回波（沿空氣—導(dǎo)波—空氣路徑），②為水面—次反射波回波（沿空氣—導(dǎo)波—水—水面—次反射波—導(dǎo)波—空氣路徑），③為水面二次反射波回波（沿空氣—導(dǎo)波—水—水面一次反射波—導(dǎo)波—水—水面二次反射波—導(dǎo)波—空氣路徑），④為水面三次反射波回波;圖15（b）為A顯示結(jié)果，由上至下分別為換能器之間距離65，95，125mm處波形。從圖中能清楚地看到超聲波包絡(luò)數(shù)量、幅值和延時(shí)的變化。

對比仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有高度一致性，驗(yàn)證了該方法的正確性和準(zhǔn)確性，能夠準(zhǔn)確測量水層厚度。

3 結(jié)束語

1）本文通過模擬實(shí)驗(yàn)以及在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下使用超聲導(dǎo)波法對開閉器中水層厚度進(jìn)行了測量研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有高度的一致性，且利用導(dǎo)波與水面一次反射波時(shí)間差△t與水層厚度D的關(guān)系式來計(jì)算開閉器中水層厚度，方法簡單，測量精度高、誤差小。

2）在實(shí)際檢測中，由于開閉器中水層厚度未知，但是能夠通過裝置設(shè)計(jì)上的優(yōu)勢根據(jù)實(shí)際情況改變換能器之間距離，使結(jié)果更準(zhǔn)確。空氣耦合超聲導(dǎo)波法解決了接觸式超聲波法帶來的諸多不便，為測量開閉器中水層厚度提供了新的思路、給空氣耦合超聲帶來了更好的發(fā)展。

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（編輯：莫婕）