基于扭转导波T(0,1)的埋地管道长距离结构健康监测

陈铭桐 李法新

(1.北京大学 工学院 力学与工程科学系，北京 100871;2.北京大学 湍流与复杂系统国家实验室 ，北京 100871)

超声导波作为一种新型的检测技术，具有衰减小、检测距离长、对缺陷分辨率高等优点，十分适合管道的长距离结构健康监测[1]。管道的超声导波检测主要面临多模态和频散两个难题。早期的管道检测主要采用纵向导波L(0,2)，因为这种模态的导波在部分频段内频散小，传播速度最快[2]。但L(0,2)波的位移主要沿管道径向，对埋地管道而言，其能量会同时泄漏到土壤和输运的液体中，极大地减小了可探测距离。此外，在设计L(0,2)波换能器时，还需要实现L(0,1)波的抑制[3]。

与L(0,2)波相比，基频扭转导波T(0,1)是完全非频散的。由于液体无法承受剪切变形，T(0,1)波不能在液体中传播，能量衰减更小。此外，低频下管道中也不存在其他的扭转导波模态[4]。因此，国内外很多学者将研究重点放在T(0,1)波上。KWUN等[5]设计了一种电磁超声换能器(EMAT)，可以激发高信噪比的T(0,1)波。但EMAT体积大，能量转化效率低，无法满足管道长距离监测的需要。相比之下，压电换能器体积小，能量转化效率高，更适合管道的长距离监测。ZHOU等[6]采用面内剪切d36模式的压电单晶环形阵列，成功在管道中激发出T(0,1)波。因为d31,d33和d36的系数是耦合的，这种换能器会同时激发出其他模态的导波。ALLEYNE等[7]基于压电材料的厚度剪切d15模式，提出了一种T(0,1)波压电环形阵列。由于d15变形模式是非自平衡的简单剪切，所以这种换能器激发T(0,1)波的性能优越，但接收效率低。……