一种转子超声涡旋声束激发装置及管壁缺陷检测方法

本发明属于声学无损检测，具体涉及一种利用高速旋转转子的叶片通过频率谐波激发超声涡旋声束的装置，以及一种利用超声涡旋声束轨道角动量模态信息进行管壁缺陷检测的方法。

背景技术：

1、管道作为流体输运、能源传输和工业过程设备中的重要组成部分，在长期服役过程中容易受到腐蚀、冲蚀、疲劳、介质沉积以及机械损伤等因素影响，使管壁产生壁厚减薄、裂纹、点蚀、凹坑、附着物以及局部凸起等缺陷。随着缺陷逐渐扩展，可能引起管道承载能力下降、泄漏甚至失效，严重影响管道结构完整性及运行安全，因此，需要对管壁状态进行可靠检测。

2、现有管道无损检测方法主要包括常规超声检测方法、超声导波检测方法和超声相控阵检测方法等。常规超声检测方法利用超声波与被检管壁或管壁缺陷之间的相互作用获得缺陷信息，具有适用材料范围较广、无辐射污染等优点，但单个检测点所包含的管壁缺陷信息量有限，需要进行多点或连续扫查，难以快速获得较完整的管壁缺陷分布信息。

3、超声导波检测方法能够使声波沿管道轴向传播，从而实现较长距离的检测和大范围扫查，适用于管道整体状态筛查，但对于尺寸较小、局部性较强的点蚀、微裂纹以及局部凹坑等缺陷，其检测灵敏度仍有进一步提高的空间。

4、超声相控阵检测方法通过多个阵元的时延控制形成具有预定传播方向和聚焦特性的声束，能够获得较高质量的检测图像，对缺陷具有较好的识别能力。然而，相控阵系统通常需要配置多通道数据采集装置、功率放大装置及超声换能器阵列，系统组成相对复杂，并且在管道检测过程中仍通常需要沿管壁进行连续扫查。

5、因此，有必要提供一种能够降低超声声束激发系统复杂度、具有较丰富声场空间信息、对局部管壁扰动具有较高灵敏度，并能够适用于管道内部非侵入检测的新的超声检测技术。

6、携带轨道角动量（orbital angular momentum,oam）的涡旋波束具有区别于普通平面波或球面波的螺旋相位结构。对于拓扑荷为的涡旋声束，其周向相位因子可表示为：

7、

8、其中，为柱坐标系下的方位角坐标，为虚数单位，为拓扑荷。涡旋声束的螺旋相位结构能够提供额外的周向空间维度信息，使涡旋声束具有用于结构状态检测的潜力。

9、高速旋转的转子叶片在运行过程中能够产生显著的叶片通过频率（bladepassing frequency,bpf）及其各阶谐波声场。通过对转子叶片数量、转子旋转频率以及bpf谐波阶次进行匹配，可以在目标频率范围内形成具有特定周向阶次的高频声场成分。因此，可以利用高速转子自身产生的叶频谐波构造超声涡旋声束，从而避免使用传统相控阵声源所需的多通道功率放大器、相位控制电路以及大量超声发射阵元。

10、基于上述原理，本发明利用高速旋转转子的叶频谐波在圆形管道内激发超声涡旋声束，并利用圆形管道的声波导效应约束声束传播，通过圆环接收阵列获取不同轴向位置处的声压信号，再利用轨道角动量模态分解获得目标拓扑荷对应的涡旋声束幅值，最终根据该幅值相对于无缺陷状态的变化实现管壁缺陷检测。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有管壁超声检测技术中声源激发系统较为复杂、需要进行较多位置扫查以及对局部微小管壁缺陷检测灵敏度有限的问题，提供一种转子超声涡旋声束激发装置及管壁缺陷检测方法，利用高速转子的叶片通过频率谐波直接激发具有预定拓扑荷的超声涡旋声束，并利用管道边界对涡旋声束进行轴向引导，再通过圆环接收阵列和轨道角动量模态分解获得管壁缺陷引起的涡旋声束幅值变化，从而实现管壁缺陷检测。

2、为实现上述目的，本发明提供一种转子超声涡旋声束激发及管壁缺陷检测装置，包括待检圆形管道、转子超声涡旋声束激发组件、圆环接收阵列、数据采集器和计算机。

3、所述转子超声涡旋声束激发组件包括转子、驱动电机、电机支架、电机驱动板和可调直流电源。所述转子设置有

b个沿周向分布的叶片，转子连接于驱动电机的输出端。驱动电机通过电机支架同轴设置于待检圆形管道的轴心位置，待检圆形管道与电机支架之间密封对接。驱动电机通过电机驱动板与可调直流电源连接，通过调节可调直流电源的输出参数调节驱动电机的工作转速。

4、对于具有

b个叶片的转子，当转子以旋转频率工作时，其第阶bpf谐波分量在周向位置处的声压可表示为：

5、（1）

6、其中，为第阶bpf谐波的幅值，

b为转子的叶片数量，为所选取的bpf谐波阶次，为转子的旋转频率，

t为时间，为周向方位角。

7、将式（1）与标准涡旋声束形式：

8、进行比较，可得到所述bpf谐波对应的工作频率为：

9、（2）

10、其等效拓扑荷为：

11、（3）

12、当时，所述转子能够产生超声频段的涡旋声束。通过选择转子叶片数量

b、转子旋转频率以及bpf谐波阶次，能够在目标超声频段内激发具有预定拓扑荷的超声涡旋声束。

13、需要说明的是，拓扑荷的正负号与所采用的周向相位表达形式及旋向约定相关。按照上述的标准形式，式（3）得到涡旋声束拓扑荷；因此，以下涉及截止传播条件、阵列采样数量及模态阶数时，可以采用表征拓扑荷的大小，而拓扑荷的正负号用于区分相应的螺旋相位方向。

14、待检圆形管道能够作为声波导对超声涡旋声束的传播进行约束。管壁所形成的固定边界能够抑制声波沿径向方向扩散，并使声能主要限制于管道截面以内，从而引导超声涡旋声束沿管道轴向传播。

15、假设管内介质为均匀静止介质，圆形管道内壁近似为刚性边界，则圆形管道内的声压场可以表示为多个相互正交的声学模态的叠加。为避免虚数单位与后文传声器通道序号混淆，以下统一采用表示虚数单位。圆形管道内任意位置在时刻

t的声压可以表示为：

16、（4）

17、其中，

r、和

z分别为圆形管道内的径向坐标、周向坐标和轴向坐标；为声波角频率；

m为管内声波传播的周向模态阶数；

n为径向模态阶数；为第一类

m阶贝塞尔函数；为第模态的径向特征波数；为对应的轴向传播波数；和分别为该模态中的正向传播波和反向传播波的复振幅系数。

18、所述轴向传播波数满足：

19、（5）

20、其中，为自由空间总波数，并满足：；为管内介质中的声速。

21、当周向模态阶数不为零且选取相应径向模态时，式（4）中的周向相位项与涡旋声束的螺旋相位结构相对应，因此，可以将高阶周向管道模态视为相应拓扑荷的涡旋声束。后续将该目标模态对应的涡旋声束复振幅统一记为，相应的径向特征波数和轴向传播波数分别记为和。

22、为了使转子激发的超声涡旋声束能够在圆形管道内实现轴向传播，需要使轴向传播波数满足非衰减传播条件，即：；结合式（5），需要满足：；

23、由于超声涡旋声束的工作频率满足，因此自由空间总波数可表示为：

24、（6）

25、进一步得到转子的旋转频率满足：

26、（7）

27、径向特征波数由圆形管道刚性管壁边界条件确定。在刚性管壁位置处，声压对应的径向速度为零，因此有：

28、（8）

29、其中，为第一类阶贝塞尔函数的一阶导数，为圆形管道半径。的第一个正零点对应的(只保留前两项)近似得到：

30、（9）

31、（10）

32、将式（10）和代入式（7），可以得到转子激发对应超声涡旋声束的最低旋转频率：

33、（11）

34、因此，在确定待检圆形管道半径、管内介质声速、转子叶片数量及谐波阶次后，可以利用式（11）确定对应超声涡旋声束在管内实现轴向传播所需要的最低转子旋转频率，并据此设置驱动电机的工作状态。

35、所述圆环接收阵列包括沿待检圆形管道周向均匀布置的

n个超声传声器，圆环接收阵列能够沿待检圆形管道的轴向移动。圆环接收阵列与数据采集器连接，数据采集器与计算机连接，从而同步采集不同传声器通道处的声压信号，并将采集得到的信号传输至计算机进行处理。

36、第

j个超声传声器的方位角为：

37、对于拓扑荷为

l的涡旋声束，第

j个超声传声器对应的理论接收声压相位满足：

38、（12）

39、由于相位以为周期，当传声器数量不足以直接满足高阶涡旋声束的空间采样要求时，会产生圆周空间混叠。根据采样定理，完整采集拓扑荷为

l的周向相位信息时，传声器数量原则上满足：；当受管道直径及传声器尺寸限制而满足：时，可以利用相位的周期性对高阶涡旋声束的圆周离散采样结果进行表征。在交底方案对应的混叠表示下，相邻传声器之间的等效相位差可以表示为：

40、（13）

41、通过比对实测的周向相位分布与目标拓扑荷对应的理论周向相位特征，可以判断转子是否在待检圆形管道内成功激发出目标工作频率及目标拓扑荷的超声涡旋声束。

42、所述数据采集器对

n个超声传声器的声压信号进行同步采样。第

j个传声器采集得到的原始时域声压信号记为，其中，

i为时域采样点序号，满足：；为时域采样点数量；采样间隔满足：；其中，为数据采集器的采样频率，

j为传声器通道序号，满足：；

43、对每一路时域声压信号沿时域采样点进行快速傅里叶变换，得到第

j个传声器对应的频域复声压：

44、（14）

45、其中，fft表示快速傅里叶变换，

f为频谱频率。

46、从所述频域复声压中提取目标工作频率处的复数值，将

n个超声传声器在目标工作频率处测得的复声压构建为观测向量：；

47、根据目标拓扑荷

l对应的理论周向相位构建基向量，所述基向量的维度为，其中第

j个元素为：

48、（15）

49、其中，为基向量幅值常数，为第

j个传声器对应的理论声压相位。

50、圆环接收阵列获得的观测向量可以表示为：

51、（16）

52、其中，为目标拓扑荷对应的涡旋声束复振幅系数。

53、采用tikhonov正则化最小二乘方法对进行求解：

54、（17）

55、其中，为基向量的共轭转置，为正则化参数。

56、求得后，以其幅值表征目标拓扑荷涡旋声束对应的声场强度。在不产生歧义的情况下，后文仍以表示相应涡旋声束的幅值。

57、所述主要由各个传声器之间的相对相位关系确定，与圆环接收阵列整体的全局初始相位无关。当圆环接收阵列绕待检圆形管道的轴线整体旋转时，各传声器通道相当于同时引入统一的相位偏移，该统一相位偏移能够在模态求解过程中抵消，因此圆环接收阵列的周向安装方位变化对最终获得的目标拓扑荷涡旋声束幅值影响较小。

58、在进行缺陷检测前，将圆环接收阵列设置于待检圆形管道的无缺陷位置，优选按照本发明实施方式设置于确认无缺陷的管道末端，采集对应的声压信号并提取无缺陷状态下目标拓扑荷涡旋声束的参考幅值。

59、检测过程中，保持转子的工作状态，使圆环接收阵列沿待检圆形管道轴向平移扫描，在各个轴向位置分别采集声压信号并求取目标拓扑荷涡旋声束幅值。

60、当圆环接收阵列远离管壁缺陷区域时，所获得的与无缺陷状态的参考幅值之间不存在明显差异。当圆环接收阵列移动至缺陷邻近区域时，由于管壁缺陷会扰动涡旋声束的传播状态及其空间相位和幅值分布，使所提取的目标拓扑荷涡旋声束幅值相对于产生较明显变化，从而能够根据所述幅值变化判断管壁缺陷是否存在，并根据产生明显幅值变化的轴向位置确定缺陷所在区域。

61、进一步地，将待检圆形管道内目标拓扑荷涡旋声束的幅值变化转换为分贝值：

62、（18）

63、其中，为涡旋声束的幅值变化量，用于表征待检管道当前检测位置相对于无缺陷参考状态下目标拓扑荷涡旋声束的幅值变化程度。越接近0，表明当前检测位置对应的管壁状态越接近无缺陷状态；当相对于健康管道测量波动范围产生明显偏离时，可据此判断对应区域存在管壁异常或缺陷。

64、本发明还提供一种基于转子超声涡旋声束的管壁缺陷检测方法。

65、所述管壁缺陷检测方法包括如下过程。

66、s1，将具有

b个叶片的转子同轴设置于待检圆形管道内，通过驱动电机驱动转子以旋转频率旋转，根据目标超声工作频率选择转子叶片数量

b、bpf谐波阶次和旋转频率，使转子产生工作频率为且拓扑荷为的超声涡旋声束，并使转子的旋转频率满足对应管道内该阶涡旋声束的轴向传播条件。

67、s2，将由n个沿待检圆形管道周向布置的超声传声器组成的圆环接收阵列设置于无缺陷位置，同步采集n个超声传声器输出的时域声压信号，对各路时域声压信号进行快速傅里叶变换，并通过目标拓扑荷模态分解获得无缺陷状态下目标拓扑荷对应的超声涡旋声束参考幅值。

68、s3，在保持转子的叶片数量、旋转频率和工作状态不变的条件下，使圆环接收阵列沿待检圆形管道的轴向移动，在不同轴向位置同步采集各超声传声器的声压信号，并按照式（14）至式（17）提取各轴向位置对应的目标拓扑荷涡旋声束幅值。

69、s4，根据不同轴向位置所对应的相对于参考幅值的变化确定管壁缺陷。当需要进行定量表征时，根据式（18）计算幅值变化量，根据沿管道轴向的变化分布判断管壁缺陷是否存在并确定相应缺陷所在的轴向区域。

70、有益效果

71、（1）利用高速转子的叶频谐波直接激发具有预定拓扑荷的超声涡旋声束，转子叶片声源由驱动电机驱动，无需配置用于形成涡旋声束的多通道扬声器阵列、复杂功率放大装置及逐通道相位控制电路，有利于降低超声涡旋声束激发系统的组成复杂度。

72、（2）利用圆形管道自身形成的刚性边界作为声波导，通过匹配转子叶片数量、旋转频率、谐波阶次及管道径向特征波数，使相应高阶周向模态能够沿管道轴向传播，从而将具有丰富周向相位信息的超声涡旋声束用于管壁检测。

73、（3）采用沿管道周向布置的圆环接收阵列获取管道截面上的声压信息，再通过轨道角动量模态分解和tikhonov正则化最小二乘方法定量提取目标拓扑荷涡旋声束幅值，相对于仅利用单测点声压幅值进行判断的方式，能够充分利用涡旋声束的周向空间信息。

74、（4）通过圆环接收阵列沿管道轴向移动即可检测管壁不同轴向区域，无需使单个超声探头沿管壁周向逐点扫查，同时，目标拓扑荷涡旋声束的提取主要取决于圆环阵列各通道之间的相对相位关系，圆环接收阵列整体周向安装角度对检测结果影响较小，有利于提高检测的稳定性。

75、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。