GB/T 31211.1-2024 无损检测 超声导波检测 第1部分：总则

　　ICS 19. 100 CCS J 04

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 31211. 1—2024代替 GB/T31211—2014

　　无损检测 超声导波检测

　　第 1 部分:总则

　　Non-destructivetesting—Ultrasonicguided-wavetesting—

　　Part1: Generalprinciple

　　2024-04-25发布 2024-04-25实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　

　　发

　　

　　布

　　GB/T 31211. 1—2024

　　目 次

　　前言 Ⅲ

　　引言 Ⅳ

　　1 范围 1

　　2 规范性引用文件 1

　　3 术语和定义 1

　　4 检测原理 2

　　5 安全要求 3

　　6 人员资格 3

　　7 通用检测工艺规程 3

　　8 检测系统 4

　　9 检测程序 9

　　10 检测结果评价和处理 15

　　11 检测记录与报告 16

　　附录 A (资料性) 超声导波检测技术的推荐 17

　　附录 B (资料性) 管材和板材构件的频散曲线与波结构分析 18

　　Ⅰ

　　GB/T 31211. 1—2024

　　前 言

　　本文件按照 GB/T 1. 1—2020《标准化工作导则 第 1部分 :标准化文件的结构和起草规则》的规定起草 。

　　本文件是 GB/T 31211《无 损 检 测 超 声 导 波 检 测》的 第 1 部 分 。 GB/T 31211 已 经 发 布 了以 下部分 :

　　— 第 1部分 :总则 ;

　　— 第 2部分 :磁致伸缩法 。

　　本文件代替 GB/T 31211—2014《无损检测 超声导波 总则》,与 GB/T 31211—2014相比 , 除结构调整和编辑性改动外 ,主要技术变化如下 :

　　a) 更改了部分术语和定义(见第 3 章 ,2014年版的第 3 章) ;

　　b) 更改了检测原理(见 4. 1,2014年版的第 4章) ;

　　c) 增加了超声导波检测技术分类(见 4. 2) ;

　　d) 删除了超声导波检测的优点及特点 、局限性(见 2014年版的第 4章) ;

　　e) 更改了安全要求(见第 5 章 ,2014年版的第 5 章) ;

　　f) 更改了通用检测工艺规程(见第 7章 ,2014年版的 7. 1) ;

　　g) 更改了检测仪器系统(见 8. 1,2014年版的 8. 1) ;

　　h) 更改了超声导波传感器(见 8. 2,2014年版的 8. 3) ;

　　i) 增加了检测仪功能分类(见 8. 3. 1) ;

　　j) 更改了试样(见 8. 4,2014年版的 8. 7) ;

　　k) 更改了检测设备维护与核查(见 8. 5,2014年版的 8. 8) ;

　　l) 删除了检测条件确定(见 2014年版的 9. 1. 4) ;

　　m) 增加了导波检测模态与频率的选择(见 9. 2) ;

　　n) 更改了检测实施(见 9. 5,2014年版的 9. 4) ;

　　o) 增加了对比检测(见 9. 6) ;

　　p) 更改了不可接受信号的处理(见 10. 2. 4,2014年版的 10. 2. 4) 。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利 。本文件的发布机构不承担识别专利的责任 。

　　本文件由全国无损检测标准化技术委员会(SAC/TC56)提出并归 口 。

　　本文件起草单位 : 中国特种设备检测研究院 、华中科技大学 、浙江大学 、上海材料研究所有限公司 、湖南省特种设备检验检测研究院 、杭州浙达精益机电技术股份有限公司 、中特检云智安全科技(嘉兴)有限公司 、北京科海恒生科技有限公司 、山东瑞祥模具有限公司 、山东科捷工程检测有限公司 、安徽华夏高科技开发有限责任公司 。

　　本文件主要起草人 :沈功 田 、郑 阳 、唐 志 峰 、丁 杰 、武 新 军 、胡 斌 、彭 小 兰 、张 君 娇 、李 素 军 、王 俊 杰 、李光海 、高广兴 、吕福在 、张鹏飞 、段庆儒 、魏忠瑞 、段元锋 、史明澄 、陈会明 、梁玉梅 、李寰 。

　　本文件及其所代替文件的历次版本发布情况为 :

　　— 2014年首次发布为 GB/T 31211—2014;

　　— 本次为第一次修订 ,文件号变更为 GB/T 31211. 1—2024。

　　Ⅲ

　　GB/T 31211. 1—2024

　　引 言

　　超声导波检测技术作为无损检测的重要组成部分 ,广泛应用于石油 、化工 、电力 、海洋工程 、交通等领域的管道 、轨道 、板壳等波导类结构内外缺陷的检测 ,在带包覆层和隐蔽遮挡等结构不可达区域检测中具有突出优势 ,且单次检测距离长 、工作效率高 ,为保障设备安全运行提供重要技术手段 。

　　超声导波检测技术包含磁致伸缩 、压电超声 、电磁超声 、激光超声等多种方法 。建立超声导波检测的总则 ,有利于超声导波各具体检测方法的规范开展 。GB/T 31211拟由两个部分构成 。

　　— 第 1部分 :总则 。 目的在于规定超声导波对管材 、棒材 、板材 、线材 、型材等横截面几何形状规则的结构件进行检测的总体要求 。

　　— 第 2部分 :磁致伸缩法 。 目的在于规定用于快速发现构件中存在截面损失的磁致伸缩超声导波检测的具体要求 。

　　本文件是 GB/T 31211的第 1部分 ,对超声导波检测的总体要求进行规范 。本次对 GB/T 31211— 2014进行修订 ,建立 GB/T 31211超声导波检测标准体系 , 明确了超声导波检测通用的技术要求 ,发挥基础性支撑作用 ,有利于促进超声导波检测技术的推广应用 。

　　Ⅳ

　　GB/T 31211. 1—2024

　　无损检测 超声导波检测

　　第 1 部分:总则

　　1 范围

　　本文件描述了利用磁致伸缩 、压电超声 、电磁超声 、激光超声等多种超声导波对被检构件检测的通用方法 。

　　本文件适用于管材 、棒材 、板材 、线材(含绳 、索) 、型材等横截面几何形状规则的弹性固体结构件的超声导波检测 。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款 。其中 , 注 日期的引用文件 ,仅该日期对应的版本适用于本文件 ;不注日期的引用文件 ,其最新版本(包括所有的修改单) 适用于本文件 。

　　GB/T 9445 无损检测 人员资格鉴定与认证

　　GB/T 12604. 1 无损检测 术语 超声检测

　　GB/T 20737 无损检测 通用术语和定义

　　3 术语和定义

　　GB/T 12604. 1 和 GB/T 20737界定的以及下列术语和定义适用于本文件 。

　　3. 1

　　波导 waveguide

　　定向引导特定频率超声波的结构件 。

　　注 : 如细棒材 、管材或薄板等 。 当其壁厚与波长接近时 ,则纵波和横波受边界条件的影响 ,不按原来的模式传播 ,而是按照特定的形式传播 。

　　3.2

　　超声导波 ultrasonicguided wave

　　沿着波导(3. 1)结构表面或内部按特定导波模态(3. 6)传播的超声波 。

　　3.3

　　频散 dispersion

　　波速随频率变化的现象 。

　　3.4

　　频散方程 dispersiveequation

　　根据特定边界条件 、满足弹性动力学特解的方程 ,反映了波速与频率的关系 。

　　3.5

　　频散曲线 dispersion curve

　　求解频散方程(3. 4)得到的波速与频率的关系曲线 。

　　注 : 频散曲线的横坐标表示频厚积 、频率 、波长或波数 ,纵坐标表示群速度或相速度 。

　　1

　　GB/T 31211. 1—2024

　　3.6

　　导波模态 guided wavemodes

　　由波导(3. 1)的几何形状 、边界条件和介质性质等因素决定的导波在传播过程中的特定运动形式 。 3.7

　　波结构 structureofwave

　　对同一导波模态(3. 6)某一频率下导波传递过程中的质点位移或应力在构件中的分布状态 。 3. 8

　　频厚积 productoffrequency and thickness

　　导波激励频率与波导(3. 1)厚度的乘积 。

　　3.9

　　水平剪切导波 horizontalshearguided wave

　　在薄板类结构中 ,振动方向垂直于波的传播方向且平行于板上下表面的超声导波(3. 2) 。

　　3. 10

　　截面损失 crosssectionalarea loss

　　被检构件缺陷处横截面减少的面积 。

　　3. 11

　　截面损失率 ratio ofcrosssectionalarea loss

　　被检构件截面损失(3. 10)与其公称截面面积的比值 。

　　4 检测原理

　　4. 1 检测基本原理

　　根据被检构件特征 ,采用一定的方式在构件中激励出沿构件传播的导波 , 当该导波遇到缺陷时 ,产生反射或透射波 ,采用接收传感器接收到该波信号 ,通过分析该波信号特征或传播时间 , 即实现对缺陷位置或大小的判别 。 以管道检测为例 , 图 1 为超声导波检测原理示意图 。

　　标引序号说明 :

　　1— 激励传感器 ;

　　2— 接收传感器 ;

　　3— 弹性波 ;

　　4— 缺陷 。

　　图 1 超声导波检测原理示意图

　　4.2 方法分类

　　根据超声导波产生与接收的物理原理 ,分为以下类别 :

　　— 磁致伸缩超声导波技术 ;

　　— 压电超声导波技术 ;

　　— 电磁超声导波技术 ;

　　2

　　GB/T 31211. 1—2024

　　— 激光超声导波技术 。

　　按传感器布置方式 ,分为以下类别 :

　　— 反射式 ;

　　— 透射式 。

　　上述不同的检测技术具有不同的适用对象和特点,常见检测对象的检测方法选择见附录 A。

　　4.3 检测时机

　　超声导波检测在以下阶段实施 :

　　— 材料或构件制造及安装过程的检测 ,包括最终验证试验 ;

　　— 构件投入使用后的在役检测 ;

　　— 构件运行过程中的在线检测和监测 。

　　5 安全要求

　　使用本文件的用户应在检测前建立安全准则 。

　　检测过程中的安全要求应至少包括以下要素 :

　　a) 在实施检测前 ,对检测过程中伤害检测人员的各种危险源加以辨识 ,并对检测人员进行培训和采取必要的保护措施 ;

　　b) 检测人员遵守被检构件现场的安全要求 ,根据检测地点的要求穿戴防护工作服和佩戴有关防护设备 ;

　　c) 若有要求 ,使用的电子仪器具有防爆功能 ;

　　d) 在进行在线检测时 ,制定特别的安全措施 ;

　　e) 在封闭空间内进行操作时 ,辨识氧气含量等相应因素 ,采取必要的保护措施 ;

　　f) 在高空进行操作时 ,辨识人员 、检测设备器材坠落等因素 ,采取必要的保护措施 ;

　　g) 在极端环境下进行操作时 ,如低温 、高温等条件下 ,辨识人员冻伤 、烫伤 、中暑等因素 ,采取必要的保护措施 。

　　6 人员资格

　　采用本文件进行检测的人员 ,应具备超声导波方面的基础知识 ,并按 GB/T 9445 的要求或有关主管部门的规定取得相应无损检测人员资格鉴定机构颁发或认可的超声检测等级资格证书 ,从事相应资格等级规定的检测工作 。

　　7 通用检测工艺规程

　　从事超声导波检测的单位应按本文件的要求制定通用检测工艺规程 ,其内容应至少包括以下要素 :

　　a) 适用范围 ;

　　b) 引用标准 、法规 ;

　　c) 检测人员资格 ;

　　d) 检测仪器设 备 , 如 传 感 器 、传 感 器 夹 具 、信 号 线 、电 缆 线 、仪 器 主 机 、检 测 数 据 采 集 和 分 析 软件等 ;

　　e) 被检构件的信息 ,如几何形状与尺寸 、材质 、设计与运行参数 ;

　　f) 检测覆盖范围及传感器型号 ;

　　3

　　GB/T 31211. 1—2024

　　g) 被检构件表面状态及传感器安装方式 ;

　　h) 检测时机 ;

　　i) 对比试样及距离-幅度曲线 ;

　　j) 检测过程和数据分析解释 ;

　　k) 检测结果的评定 ;

　　l) 检测记录 、报告和资料存档 ;

　　m) 工艺规程的编制 、审核和批准人员 ;

　　n) 编制 日期 。

　　8 检测系统

　　8. 1 检测系统构成

　　超声导波检测系统构成见图 2。根据被检构件计算频散曲线 ,选择导波模态和激励信号频率 ;计算机根据计算结果控制信号发生单元 ,产生所需频率的信号源 ,经功率放大单元放大后驱动传感器产生所需模态的导波 ,并在被检构件内传播 ;传感器接收到导波在构件内传播遇到腐蚀等缺陷时产生的反射回波 ;放大器将传感器接收到的信号放大后通过模数转换输入计算机 ,计算机进行信号分析处理后 ,得到检测信号波形及结果 。

　　图 2 超声导波检测系统构成

　　8.2 超声导波传感器

　　8.2. 1 传感器分类

　　8.2. 1. 1 按传感器产生超声导波的工作原理分类 ,传感器分为以下类型 :

　　— 磁致伸缩式 ;

　　— 压电式 ;

　　— 电磁超声式 ;

　　— 激光超声式 。

　　8.2. 1.2 按传感器与被检构件的接触方式不同 ,传感器分为以下类型 :

　　— 接触式 ,包括干耦合式 、黏结式 ;

　　— 非接触式 。

　　8.2. 1.3 按传感器激励与接收的导波模态分类 ,传感器分为以下类型 :

　　— 柱状导波 ,包含扭转模态 T(m,n) 、纵向模态 L(m,n) 、弯曲模态 F(m,n) ;注 : m 代表模态的族数 ,n 代表圆周阶数 。

　　— 兰姆波 ,包含对称模态 S、反对称模态 A;

　　— 水平剪切导波 ,包含水平剪切模态 SH。

　　4

　　GB/T 31211. 1—2024

　　8.2.2 传感器选择

　　选择传感器应辨识以下因素 :

　　— 构件的材料特性 ,如是否导电或导磁等 ;

　　— 构件的几何形状 ,如管材 、板材 、棒材 、线材 、型材等 ;

　　— 构件的外部状况 ,如表面可接近状况 、包覆层材料等 ;

　　— 构件的工作环境状况 ,如工作温度 、工作介质和承载状态等 ;

　　— 检测目的和检测缺陷的类型等 。

　　根据不同的适用对象和特点,常见对象的传感器选择见附录 A。

　　8.3 检测仪

　　8.3. 1 检测仪功能分类

　　检测仪包含激励单元 、信号处理单元 、上位机(计算机) 、信号采集与分析软件等 。

　　根据超声导波传感器与仪器通道数 ,检测仪分为以下类型 :

　　— 单通道检测仪 ;

　　— 多通道检测仪 ;

　　— 阵列检测仪 。

　　根据超声导波检测信号扫查与分析方式 ,检测仪功能分为以下类型 :

　　—A 型脉冲检测功能 ;

　　—B扫查成像检测功能 。

　　仪器应具有 A扫描显示功能 ,宜具有 B扫描显示功能 。

　　A型脉冲检测功能 ,是一种显示导波在长距离被检构件中传播历程的检测仪器 。仪器的波形显示界面显示超声导波的时域波形信号 , 即信号幅值(纵坐标)与传播时间或距离(横坐标)的关系曲线 。

　　B扫查成像检测功能 ,是一种可显示扫查方向上的不同位置处导波传播历程的检测仪器 。 仪器的显示界面显示二维图像信号 ,纵坐标表示传感器在被检构件扫查方向的位置 ,横坐标表示导波的传播时间或传播距离 ,云图的颜色深度表示信号幅值大小 。对于平板检测 ,传感器扫查方向为平板的宽度方向(O-Y) ,导波的传播方向为(O-X) ,见图 3。对于管道检测 ,若传感器扫查方向为圆周(θ) 方向 ,导波的传播方向为(O-Z)方向 ;若传感器扫查方向为长度(O-Z)方向 ,导波(周向导波) 的传播方向为圆周(θ)方向 ,见图 4。

　　5

　　GB/T 31211. 1—2024

　　标引说明 :

　　1 — 扫查方向 ;

　　2 — 传感器 ;

　　3 — 板类被检构件 ;

　　4 — 导波传播方向 ;

　　5 —B扫查图像 ;

　　O — 笛卡尔坐标系原点坐标 ;

　　X— 笛卡尔坐标系 X 方向坐标轴(板长度方向) ;

　　Y — 笛卡尔坐标系 Y 方向坐标轴(板宽度方向) ;

　　Z — 笛卡尔坐标系 Z 方向坐标轴(板厚度方向) 。

　　图 3 超声导波在板上的 B 扫查显示示意图

　　a) 管道周向 B 扫查示意图

　　b) 管道轴向 B 扫查示意图

　　图 4 超声导波在管道上的 B 扫查显示示意图

　　6

　　GB/T 31211. 1—2024

　　标引说明 :

　　1 — 扫查方向 ;

　　2 — 传感器 ;

　　3 — 导波传播方向 ;

　　4 — 管道 ;

　　5 —B扫查图像 ;

　　O — 柱坐标系原点坐标 ;

　　O' —B扫查起点位置 ;

　　θ — 柱坐标系 θ方向坐标轴(管道圆周方向) ;

　　r — 柱坐标系 r 方向坐标轴(管道半径方向) ;

　　z — 柱坐标系 z 方向坐标轴(管道长度方向) 。

　　图 4 超声导波在管道上的 B 扫查显示示意图 (续)

　　8.3.2 检测仪的组成单元

　　8.3.2. 1 激励单元

　　激励单元的功能主要是产生相应的激励信号 ,进而驱动激励传感器在构件中激发出相应模态的导波 。应根据构件状况 、传感器类型 、频散曲线计算结果及检测的缺陷类型选择合适的激励单元 。

　　8.3.2.2 信号处理单元

　　信号处理单元是将接收传感器接收到的信号进行放大 、滤波等调理后 ,通过模数转换将信号输入到计算机 。信号处理单元主要包括放大器和模数转换器 。

　　放大器放大来自传感器或探头的信号 , 同时采用带通滤波器去除干扰噪声 。

　　模数转换器是将模拟信号转换成数字信号 ,输入到计算机 。模数转换器的采样频率应至少大于激励频率的 10倍 。

　　信号处理单元应与传感器 、激励单元 、采用的导波模式和检测 目的相匹配 。

　　8.3.2.3 信号采集与分析软件

　　超声导波信号采集与分析软件应至少包含以下功能 :

　　— 频散曲线计算 ;

　　— 信号采集 ;

　　— 信号存储 ;

　　— 信号分析 ;

　　— 距离-幅度曲线绘制 ;

　　— 信号回放 ;

　　— 信号定位 。

　　8.4 试样

　　8.4. 1 标准试样

　　标准试样用于对仪器系统检测灵敏度及其功能进行测试 。标准试样选用材料为 20号钢的无缝直管 ,规格尺寸为 ϕ219 mm×8 mm ,长度为 6000 mm ,端面平整光滑 、与轴线垂直 ,无管道包覆层 。标准试样应具有截面损失率分别为 3%、6%、9%的三处缺陷 ,缺陷类型可采用平底孔或环槽两种方式 ,标准试样的长度 、缺陷位置及加工要求 ,见图 5。

　　7

　　GB/T 31211. 1—2024

　　单位为毫米

　　a) 平底孔缺陷

　　b) 环槽缺陷

　　标引说明 :

　　1 — 无缝钢管 ;

　　2 — 传感器位置

　　Ⅰ 、Ⅱ 、Ⅲ — 局部放大图的部位序号 ;

　　EQS — 均匀分布 。

　　图 5 标准试样示意图

　　8.4.2 对比试样

　　对比试样用于对被检构件上缺陷的截面损失率当量进行评定 。

　　对比试样应采用与被检测构件材料性能相同或相近的材料制作 ,其几何尺寸根据被检对象的检测距离和检测灵敏度要求确定 。

　　除合同各方另有约定之外 ,按以下要求加工对比试样 。

　　a) 对于管材构件 ,试样的长度至少为仪器可探测 9%截面损失率人工缺陷距离的 1. 2倍 。在对比试样上至少 3个部位外表面分别加工多个直径相同 、深度为壁厚 40%的平底孔 ; 每个部位所有平底孔组成的截面损失之和应分别按截面损失率 3%、6%和 9%进行计算 ,平底孔在环向间距应均匀分布 ,在纵向间距的距离应大于 1 m ,深度的公差不大于 ±0. 2 mm;试样两端的平底孔应至少距试样端部 1 m。

　　8

　　GB/T 31211. 1—2024

　　b) 对于板材构件 ,试样的长度至少为传感器声束有效覆盖范围内 9%截面损失率人工缺陷检测距离的 1. 2倍 ,试样的宽度至少为传感器声束有效覆盖范围的 2倍 ,在对比试样的长度方向上3个部位分别加工 平 底 孔 缺 陷 , 缺 陷 损 失 率 分 别 为 传 感 器 声 束 有 效 覆 盖 范 围 内 构 件 截 面 的3%、6%、9% ,孔的直径和深度公差不大于 ±0. 2 mm。

　　c) 对于棒材构件 ,试样的长度至少为仪器可探测 9%截面损失率人工缺陷距离的 1. 2倍 。在对比试样上至少 3个部位外表面分别加工出多个直径为 5 mm~ 10 mm、深度为 2 mm~ 5 mm 的平底孔 ;每个部位所有平底孔组成的截面损失之和应分别按截面损失率 3%、6%和 9%进行计算 ,平底孔在 环 向 间 距 应 均 匀 分 布 , 在 纵 向 间 距 的 距 离 应 大 于 1 m , 深 度 的 公 差 不 大 于±0. 2 mm;试样两端的平底孔应至少距试样端部 1 m。

　　d) 对于线状捆扎的钢索或钢丝绳等构件 ,试样的长度至少为仪器可探测 9%截面损失率人工缺陷距离的 1. 2倍 。在对比试样上 3 个部位分别加工出线状材料的断 口 ; 每个部位所有断丝组成的截面损失之和应分别按截面损失率 3%、6%和 9%进行计算 , 同一处断丝应紧密相邻 ;试样两端的断口应至少距试样端部 1 m ,不同部位断口的间距应大于 1 m ,在环向应均匀分布 。

　　e) 对于型材构件 ,应采用分区检测方式 。在对比试样的每个区域至少 3 个部位分别加工多处槽形缺陷 ;每个部位所有切槽组成的截面损失之和分别按该检测区域截面损失率 3%、6%和 9%进行计算 ,切槽宽度 2 mm~ 5 mm ,切槽在型材长度方向的间隔距离应大于 1 m ,切槽深度公差不大于 ±0. 2 mm;试样两端的切槽应至少距试样端部 1 m。

　　8.5 检测设备的维护和核查

　　每 6个月对检测设备进行周期性维护和核查 , 以保证仪器功能 。

　　在现场检测前 ,应在实验室内选择相应规格的标准试样对检测仪器进行核查 ,若检测结果与已知试样缺陷分布相符 ,则表明仪器正常 。

　　在现场检测时 ,如怀疑设备的检测结果 ,应对设备进行功能核查和调整 ,并记录每次核查结果 。

　　9 检测程序

　　9. 1 检测前的准备

　　9. 1. 1 资料审查

　　资料审查应包括以下内容 :

　　a) 被检构件制造文件资料 ,如产品合格证 、质量证明文件 、竣工图等 ,重点了解其类型 、结构特征和材质特性等 ;

　　b) 被检构件运行记录资料 ,如运行参数 、工作环境 、载荷变化情况以及运行中出现的异常情况等 ;

　　c) 被检构件检验资料 ,如历次检验与检测报告 ;

　　d) 被检构件其他资料 ,如维护 、保养 、修理和改造的文件资料等 。

　　9. 1.2 现场勘查

　　在现场勘查时 ,应找出所有影响检测结果的障碍和噪声源 ,如内部或外部附件的移动 、电磁干扰 、机械振动和流体流动等 ,宜尽可能设法排除这些噪声源 。

　　9. 1.3 检测作业指导书或工艺卡编制

　　对于每个被检构件 ,根据使用的仪器和现场实际情况 ,按照通用检测工艺规程编制被检构件超声导波检测作业指导书或工艺卡 ;确定超声导波传感器型号 、安装的部位和表面条件 , 画出被检构件结构示

　　9

　　GB/T 31211. 1—2024

　　意图 ,确定检测次序等 。

　　9.2 导波检测模态与频率的选择

　　9.2. 1 通则

　　在导波检测中 ,首先得到被检测构件的频散曲线 ,结合导波在被检构件截面上的波结构 ,然后根据频散曲线和波结构选择合适的导波模态和检测频率 。不同频率的导波对各类损伤有不同的灵敏度 ,检测过程中宜采用多种频率扫查或扫频 。

　　9.2.2 频散曲线的获取

　　应根据被检构件选择合适的计算方程和以下参数 ,计算超声导波在构件中传播时的频散曲线 :

　　— 材料密度 ;

　　— 材料弹性模量 ;

　　— 材料泊松比 ;

　　— 构件的内径和外径(对于管材) 、直径(对于棒材和缆索)或壁厚(对于板材) 。

　　针对管 、板类构件建立被测对象的纳维尔(Navier)波动方程 ,求出波在被测构件中传播的位移和应力表达式 ,然后根据被检构件的位移应力等边界条件建立频散方程 ,该方程为超声波频率(f) 与波传播速度(v)的函数 ,求解频散方程即得到 f(v)曲线 , 即频散曲线 ,见附录 B。典型管道的导波频散曲线示意图见图 6,横坐标代表频厚积 ,如果厚度给定的情况下可简化成频率 ,纵坐标代表导波在构件中传播的群速度 。对于 L(0, 1) 模态 ,在频率区域 1 是非频散的 。对于 L(0, 2) 模态 ,在频率区域 2 是非频散的 。对于 T(0,1)模态 ,在整个频率区间是非频散的 。

　　针对棒 、线材 、型材类构件可通过数值模拟方法获取频散曲线 ,亦可通过现场扫频方式获取合适的检测频率 。

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　　GB/T 31211. 1—2024

　　标引说明 :

　　1 — 频率区域 1;

　　2 — 频率区域 2;

　　f — 频率 ,单位为千赫兹(kHz) ;

　　cg — 群速度 ,单位为米每秒(m/s) 。

　　蓝色曲线 —L(0,1)模态群速度频散曲线 ;

　　红色曲线 —T(0,1)模态群速度频散曲线 ;

　　紫色曲线 —L(0,2)模态群速度频散曲线 。

　　图 6 典型频散曲线示意图

　　9.2.3 波结构分析

　　导波模态的波结构 ,用于表征导波振动位移在截面的分布 ,是导波模态选择参考依据之一 。在求解频散曲线的特征方程中 分 析 模 态 在 被 检 构 件 的 分 布 , 特 征 向 量 表 征 导 波 振 动 位 移 在 被 检 构 件 截 面 的分布 。

　　9.2.4 检测模态选择原则

　　根据不同类型的被检构 件 , 按 照 以 下 原 则 , 结 合 频 散 曲 线 和 波 结 构 , 选 择 合 适 的 检 测 模 态 和 频 率范围 。

　　a) 管材类被检构件

　　● 对于充液的管道 ,宜采用扭转模态的超声导波进行检测 ;

　　● 公称直径为 20 mm~ 100 mm 的管道 ,宜采用 T(0,1) 、L(0,1) 、L(0,2)模态的超声导波并使用 A 型脉冲检测法 ;

　　● 公称直径为 100 mm~ 800 mm 的管道 ,宜采用 T(0,1) 、L(0,1) 、L(0,2)以及 T(n,1)模态的超声导波并使用 A 型脉冲检测方法或 B 扫查成像检测方法进行检测 ,必要时同时采用两种方法协同检测 ;

　　● 公称直径大于 800 mm 的管道 ,宜采用 T(n,1)模态的超声导波并使用 B 扫查成像检测方法进行检测 。

　　b) 板材类被检构件

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　　GB/T 31211. 1—2024

　　● 长距中低频检测时 ,一般宜采用零阶水平剪切波 SH0模态 、零阶兰姆波 S0、A0模态的导波进行检测 ;

　　● 短距高频检测时 ,一般宜采用高阶水平剪切波 、兰姆波进行检测 ;

　　● 对于宽度大于 300 mm 的板 ,宜采用导波 B扫查成像检测方法进行检测 。

　　c) 线材和棒材等被检构件

　　宜采用纵向模态进行检测 。

　　d) 型材类被检构件

　　其频散曲线与型材的几何尺寸及材料声学参数有关且频散特性复杂 。根据构件情况计算频散曲线并分析波结构 ,选取频散现象较弱的模态和频段 。

　　9.2.5 检测频率选择原则

　　按照以下原则选择频率 。

　　a) 宜选用零阶模态的非频散区域实施检测 ,在选定检测模态后 , 由频散曲线上检测模态非频散段确定检测频厚积范围 。

　　b) 对于上下或内外 表 面 无 液 体 或 固 体 接 触 的 波 导 结 构 实 施 导 波 检 测 时 , 可 不 考 虑 波 结 构 的 影响 ,在选定非频散段后 ,根据检测距离和缺陷检测灵敏度 ,确定检测频率 。

　　c) 对于上下或内外表面有液体或固体接触的波导结构实施导波检测时 ,识别波结构的影响 ,在选定非频散段后 ,液体接触层 ,优选波结构表面离面位移小的频率点 ; 固体接触层 ,优选波结构表面处总位移小的频率点 。综合考虑检测距离和缺陷检测灵敏度的影响后 ,最终确定检测频率 。

　　d) 绳 、索类构件宜采用低频的超声导波进行检测 。

　　9.3 距离-幅度曲线绘制

　　应采用 8. 4. 2规定的对比试样在实验室内经过实测绘制距离-幅度曲线 。该曲线族由记录线 、评定线和判废线组成 ;记录线由 3%截面损失率的人工缺陷反射波幅直接绘制而成 ,评定线由 6%截面损失率的人工缺陷反射波幅直接绘制而成 ,判废线由 9%截面损失率 的 人 工 缺 陷 反 射 波 幅 直 接 绘 制 而 成 。记录线以下(包括记录线)为 Ⅰ 区 ,记录线与评定线(包括评定线)之间为 Ⅱ 区 ,评定线与判废线之间为 Ⅲ区 ,判废线及其以上区域为 Ⅳ区 ,见图 7。

　　12

　　GB/T 31211. 1—2024

　　标引说明 :

　　0 — 背景噪声 ;

　　1 — 盲区 ;

　　2 — 记录线 ;

　　3 — 评定线 ;

　　4 — 判废线 ;

　　D — 距离 ,单位为米(m) ;

　　Amp — 幅值 ,单位为分贝(dB) 。

　　图 7 反射法距离-幅度曲线示意图

　　9.4 传感器安装

　　传感器安装应满足以下要求 :

　　a) 按照确定的检测方案在被检构件上确定传感器安装的具体位置 ,传感器的安装部位远离被检构件连接 、支吊架 、支座等结构复杂部位 ;

　　b) 对传感器的安装部位进行表面处理 ,对于接触式传感器 ,被检构件表面清理干净 、平整 , 以提高耦合效率 ;对于非接触式传感器 ,靠近被测构件 , 以减小外界电磁 、振动等干扰 ;

　　c) 传感器压在被检构件的表面 ,使传感器与被检构件表面达到良好的声耦合状态 ;

　　d) 采用机械夹具 、磁夹具或其他方式将传感器固定在被检构件上 ,并保持传感器与被检构件和固定装置的绝缘 ;

　　e) 对于高温构件超 声 导 波 检 测 , 采 用 高 温 传 感 器 或 非 接 触 的 电 磁 超 声 与 磁 致 伸 缩 超 声 导 波 传感器 。

　　9.5 检测实施

　　9.5. 1 检测仪器调试

　　检测仪器的调试包括以下步骤 :

　　13

　　GB/T 31211. 1—2024

　　a) 连接传感器与仪器主机 ;

　　b) 打开仪器开关通电 ,并按仪器制造商规定的时间预热,使仪器达到稳定工作状态 ;

　　c) 按照被检构件的具体情况和频散曲线计算确定的检测频率等设定仪器的工作参数 ;

　　d) 对被检构件发射超声导波信号 ,观察构件的端头 、接头 、焊缝 、外部支撑等部位产生的超声导波反射信号 ,测量被检构件超声导波传播的波速 ;

　　e) 进一步调节仪器工作参数 ,使仪器处于良好的工作状态 。

　　9.5.2 检测信号分析和解释

　　检测信号的分析和解释通常应参考相关试验建立的数据库 ,应至少包括以下内容 :

　　a) 采用调节好的仪器 ,对被检构件进行检测 ,观察和记录出现的超声导波反射回波信号 ;

　　b) 对于出现的超声导波反射回波信号 ,首先确定这些信号是否是由构件的端头 、接头 、焊缝 、外部支撑等部位产生的 ,如果确定即可排除 ;

　　c) 对于被检构件上无明显几何形状变化部位的超声导波回波信号 ,排除反向回波 、多次反射波及噪声等干扰信号后 , 即可确定为材料损失缺陷等截面变化产生的超声导波回波信号 ,首先确定这一回波信号的反射部位 ,并加以标识 ,然后进行检测结果评价和处理 。

　　9.6 对比检测

　　9.6. 1 通则

　　对比检测包括历史检测数据对比和横向检测数据对比 。历史检测数据对比是指同一个被检对象在不同时间的检测结果进 行 对 比 分 析 , 横 向 检 测 数 据 对 比 是 指 多 个 相 同 被 检 对 象 的 检 测 结 果 进 行 对 比分析 。

　　9.6.2 检测仪器与传感器安装

　　对比检测应采用相同型号的传感器 ,安装方法应按照 9. 4执行 。

　　检测仪器调试及传感器安装位置应按照仪器的操作说明执行 ,其要求应至少包括以下内容 :

　　a) 检测仪器参数设置保持一致 ,包括激励单元 、接收单元的参数设置及波速等 ;

　　b) 数据采集前 ,仪器按仪器制造商规定的时间预热,使仪器达到稳定工作状态 ;

　　c) 采用横向检 测 数 据 对 比 时 , 各 被 检 构 件 的 传 感 器 安 装 位 置 保 持 相 同 , 且 被 检 构 件 的 工 况 应相同 ;

　　d) 采用历史检测数据对比时 ,传感器在检测周期内稳定安装在被检构件上 ,或每次数据采集时确保传感器的安装条件一致 。

　　9.6.3 横向检测数据对比分析与解释

　　横向检测数据对比的分析与解释通常应与参考信号进行对比 ,至少包括以下内容 :

　　a) 采用调节好的仪器 ,对无缺陷的被检构件进行检测 , 观察和记录出现的超声导波反射回波信号 ,获取被检构件的参考信号库 ;

　　b) 对被检构件进行检测 ,观察和记录出现的超声导波反射回波信号 ;

　　c) 对于出现的超声导波反射回波信号 ,结合现场被检构件的特征 ,首先确定这些信号是否是由构件的端头 、接头 、焊缝 、外部支撑等部位产生的 ,如果确定即可排除 ;

　　d) 将被检构件采集到的信号与参考信号进行对比 ,查找出与参考信号有差异的结构部位即为疑似缺陷 ,并在被检构件上标识 ,然后对检测结果进行评价与处理 。

　　14

　　GB/T 31211. 1—2024

　　9.6.4 历史检测数据对比分析与解释

　　历史检测数据对比分析与解释通常应与参考信号进行对比 ,至少包括以下内容 。

　　a) 传感器首次安装完成后 ,采用调节好的仪器 ,对被检构件进行检测 ,获取被检构件的参考信号库 ;首次采集参考信号时 ,应对被检构件的工况进行分析 。构件在不同工况下的 差 异 过 大 时(如温度 、传输介质黏度 、构件接触条件等) ,应建立不同工况下的参考信号库 。

　　b) 分析被检构件的腐蚀速度 、关键程度 、风险情况等因素 ,确定被检构件检测的周期 。

　　c) 按照检测周期 ,对被检构件进行定期检测 ,存储每次检测的波形数据 。

　　d) 将定期采集到检测信号与参考信号进行对比 ,查找出检测信号与参考信号差异的结构部位即为疑似缺陷 。可采用人工观察法或计算分析法进行对比分析 。

　　e) 对被检构件上的疑似缺陷位置进行标识 ,然后对检测结果进行评价与处理 。

　　10 检测结果评价和处理

　　10. 1 检测结果分级

　　将超声导波检测发现的缺陷信号与距离-幅度曲线进行比对分级 ,反射波幅在 Ⅰ 区的为 Ⅰ 级 ,在 Ⅱ区的为 Ⅱ级 ,在 Ⅲ区的为 Ⅲ级 ,在 Ⅳ区的为 Ⅳ级 。

　　10.2 不可接受信号的确定与处理

　　10.2. 1 通则

　　超声导波检测给出的是缺陷当量 , 由于腐蚀 、机械损伤等金属损失缺陷的大小和形状与人工缺陷不同 ,且被检构件的实际几何尺寸与对比试样间存在差异 ,导致检测结果显示的缺陷当量值与其真实缺陷会存在一定的差异 , 因此不可接受信号的水平的确定应根据被检构件的具体情况由用户和检测人员协商确定 。

　　10.2.2 基于距离-幅度曲线分级的确定

　　用户参与确定的 , 以用户的要求确定不可接受信号的等级 ;用户不参与确定的 , 由检测人员确定不可接受信号的等级 ,一般检测结果判为 Ⅲ级和 Ⅳ级的信号 , 即为不可接受信号 。

　　10.2.3 基于被检构件上真实缺陷的确定

　　首先对检测发现的前三个最大的缺陷信号部位 ,按 10. 2. 4 规定的方法进行复检 , 根据复检结果逐步确定不可接受缺陷信号的水平 。

　　10.2.4 不可接受信号的处理

　　对于确定的不可接受信号 ,采用以下方法进行复检 :

　　a) 采用目视和小锤敲击的方法进行检测 ,用以分辨是位于外表面或内部的缺陷 ;

　　b) 对于外表面缺陷可采用深度尺直接测量缺陷的深度 ;

　　c) 对于管材或板材的内表面缺陷 ,应采用双晶直探头进行超声检测测量 , 以更精确地测量缺陷的深度 ;

　　d) 对于高温在 线 检 测 , 宜 采 用 电 磁 超 声 测 厚 进 行 腐 蚀 剩 余 壁 厚 测 量 , 以 更 精 确 地 测 量 缺 陷 的深度 ;

　　e) 对于其他形状的构件 ,可采用射线 、超声 、漏磁等各种无损检测方法进行复检 ;

　　15

　　GB/T 31211. 1—2024

　　f) 必要时 ,经用户同意 ,也可采用解剖抽查的方式进行验证 。

　　11 检测记录与报告

　　11. 1 检测记录

　　应按检测工艺规程的要求记录检测数据和有关信息 。

　　11.2 检测报告

　　超声导波检测报告应至少包括以下内容 :

　　a) 委托单位 ;

　　b) 检测单位 ;

　　c) 被检构件的信息 ,如名称 、编号 、设计与工作参数 、材料和几何尺寸等 ;

　　d) 本文件编号 、规范和相关规定文件 ;

　　e) 检测仪器型号 、检测方式 、传感器型号及固定方式 ;

　　f) 检测仪器工作参数设置 ;

　　g) 距离-幅度曲线 ;

　　h) 传感器安装部位示意图 ;

　　i) 检测软件名及数据文件名 ;

　　j) 检测结果分析及分级结果及数据图 ;

　　k) 检测结论 ;

　　l) 检测人员和审核人员签字及资格证书编号 ;

　　m) 检测 日期 。

　　16

　　GB/T 31211. 1—2024

　　附 录 A

　　(资料性)

　　超声导波检测技术的推荐

　　超声导波常用检测技术主要有磁致伸缩超声导波 、压电阵列超声导波 、电磁超声导波 、激光超声导波检测技术 ,其选用建议见表 A. 1。

　　表 A. 1 超声导波检测技术选用建议

　　检测对象及工况

　　优选波型模态

　　检测频率

　　检测缺陷

　　优选技术

　　压电阵列超声导波

　　磁致伸缩超声导波

　　电磁超声导波

　　激光超声导波

　　管道导波长距离粗检测

　　T(0,1) 、L(0,1) 、

　　L(0,2)

　　10 kHz~

　　80 kHz

　　腐蚀

　　1

　　1

　　3

　　3

　　管道短距超声导波轴向/周向 B 扫 查 成像精检

　　兰姆波 、类水平剪切波模态

　　150 kHz~

　　4 MHz

　　腐蚀 、裂纹等

　　4

　　1

　　1

　　2

　　管 道 支 吊 架 处 缺 陷检测

　　轴向/周向传播兰姆波或类水平剪切波模态

　　150 kHz~

　　4 MHz

　　腐蚀 、裂纹等

　　2

　　1

　　1

　　3

　　板类结构检测

　　兰姆波 、水平剪切导波模态

　　10 kHz~

　　4 MHz

　　腐蚀 、裂纹等

　　1

　　1

　　1

　　1

　　焊缝检测

　　兰姆波 、水平剪切导波模态

　　150 kHz~

　　4 MHz

　　裂纹 、

　　焊接缺陷

　　1

　　1

　　1

　　1

　　非金属复合材料导波检测

　　兰姆波

　　50 kHz~

　　800 kHz

　　孔 、

　　分层等

　　1

　　1

　　1

　　4

　　钢 丝/钢 绞 线/钢 丝绳/缆索检测

　　柱状导波

　　3 kHz~

　　120 kHz

　　腐蚀 、断丝等

　　4

　　1

　　2

　　4

　　钢轨检测

　　钢轨导波

　　20 kHz~

　　200 kHz

　　裂纹 、剥落

　　2

　　1

　　2

　　2

　　钢棒/杆检测

　　柱状导波

　　3 kHz~

　　120 kHz

　　裂纹 、腐蚀

　　1

　　1

　　1

　　1

　　高低温在线超声导波检测a

　　(类)兰姆波 、

　　(类)水平剪切

　　导波模态

　　10 kHz~

　　4 MHz

　　腐蚀 、裂纹等

　　2

　　1

　　1

　　1

　　在线监测b

　　各类超声导波

　　10 kHz~

　　4 MHz

　　腐蚀 、裂纹等

　　1

　　1

　　1

　　4

　　注 : 1— 强 ;2— 中 ;3— 弱 ;4— 不适合 。

　　a 被检构件温度大于 60 ℃或小于 10 ℃ ,宜采用电磁超声导波 。

　　b 被检构件温度大于 80 ℃ ,宜采用磁致伸缩超声导波和电磁超声导波 。

　　17

　　GB/T 31211. 1—2024

　　附 录 B

　　(资料性)

　　管材和板材构件的频散曲线与波结构分析

　　B. 1 管材构件的频散曲线与波结构

　　B. 1. 1 频散曲线

　　对于管材构件 ,其质点位移方程由公式(B. 1)给出 :

　　μ▽ 2u+ ▽▽ ·u ……………………( B. 1 )

　　式中 :

　　u — 质点位移场 ,单位为米(m) ;

　　λ,μ— 材料拉梅常数 ,单位为帕斯卡(Pa) ;

　　ρ — 材料密度 ,单位为千克每立方米(kg/m3 ) ;

　　σ — 应力 ,单位为帕斯卡(Pa) 。

　　图 B. 1。

　　公式(B. 1)在柱坐标系下的边界条件为σrr=σrθ=σrz=0,r=Ri,r=Ro 。柱坐标系下的管道模型见

　　标引符号说明 :

　　r — 圆柱坐标系半径方向坐标轴 ;

　　z — 圆柱坐标系长度方向坐标轴 ;

　　θ — 圆柱坐标系圆周方向坐标轴 ;

　　Ri — 管道内径 ,单位为米(m) ;

　　Ro — 管道外径 ,单位为米(m) 。

　　图 B. 1 柱坐标系下的管道模型

　　将位移矢量(u)进行亥姆霍兹分解 ,得到公式(B. 2) :

　　u =▽Φ +▽ ×H ……………………( B. 2 )

　　式中 :

　　Φ — 膨胀标量势 ;

　　H — 等容矢量势 。

　　(B. 4) :

　　将公式(B. 2)代入公式(B. 1) ,并利用等容条件▽ ·H = 0,得到纵波控制方程(B. 3) 和横波控制方程

　　▽ ……………………( B. 3 )

　　18

　　GB/T 31211. 1—2024

　　1 ∂2H

　　▽ 2H = cT ∂t2 ……………………( B. 4 )

　　求得固体中纵波和横波的速度表达式分别为公式(B. 5)和公式(B. 6) :

　　cL ……………………( B. 5 )

　　ρ

　　利用边界条件 ,加入等容条件 ,求解控制方程式(B. 1)得到特征方程(B. 7) :

　　cT = μ ……………………( B. 6 )

　　êéC11

　　C12 … C18

　　ùúéê A ùú éê

　　0

　　ùú

　　êC21

　　C22 … C28

　　ú ê B ú ê

　　0

　　ú

　　ê ê ︙

　　︙ ︙ ︙

　　ú ê ︙ ú = ê

　　︙

　　ú

　　ú

　　… … … … … … … …

　　( B. 7 )

　　êLC81

　　C82 … C88

　　」ú êLB3 」ú êL

　　0

　　」ú

　　通过求解公式(B. 7)特征方程 ,获取特征值 、特征向量 ,可得到管道中超声导波传播的频散曲线和波结构等信息 。直径为 219 mm ,壁厚为 5 mm 的典型无包覆层无缝管导波相速度频散曲线和群速度频散曲线 ,见图 B. 2。

　　a) 相速度频散曲线

　　b) 群速度频散曲线

　　图 B.2 典型管道的频散曲线

　　19

　　GB/T 31211. 1—2024

　　标引说明 :

　　f — 频率 ,单位为千赫兹( kHz) ;

　　cp — 相速度 ,单位为千米每秒(km/s) ;

　　cg — 群速度 ,单位为千米每秒(km/s) ;

　　L(0,1) 、L(0,2) 、L(0,3) 、L(0,4) — 纵向模态频散曲线 ;

　　T(0,1) 、T(0,2) 、T(0,3) — 扭转模态频散曲线 ;

　　红色曲线 — 扭转(T)模态频散曲线 ;

　　蓝色曲线 — 纵向(L)模态频散曲线 。

　　图 B.2 典型管道的频散曲线 (续)

　　B. 1.2 波结构分析

　　频率为 64kHz,模态为 T(0,1) 、L(0,1) 、L(0,2)的超声导波在直径为 219 mm 壁厚为 5 mm 的无包覆层无缝管上的波结构径向位移分布见图 B. 3, 图中横坐标表示归一化位移 ,纵坐标表示管道半径 。由图可见 ,T(0,1)扭转模态的波结构仅有周向位移(uθ) ,且在整个壁厚分布均匀;L(0, 1) 和 L(0, 2) 纵向模态的波结构同时具有径向位移(ur) 和轴向位移(uz) ,无周向位移(uθ) 。其中 , L(0, 1) 模态的径向位移较大 ,且在壁厚方向均匀;L(0,2)模态的径向位移很小 。 L(0, 1) 模态的轴向位移在壁厚方向分布不均匀 ,在内壁和外壁较大 ,但在壁厚的中点很小;L(0,2)模态的轴向位移较大 ,且在壁厚方向均匀 。

　　a) T(0, 1)模态的径向位移 b) L(0, 1)模态的径向位移 c) L(0,2)模态的径向位移标引说明 :

　　DN — 归一化位移 ;

　　r — 半径 ,单位为毫米(mm) ;

　　uθ — 周向位移 ;

　　ur — 径向位移 ;

　　uz — 轴向位移 ;

　　红色曲线 — 周向位移分量在半径方向的分布曲线 ;

　　绿色曲线 — 径向位移分量在半径方向的分布曲线 ;

　　蓝色曲线 — 轴向位移分量在半径方向的分布曲线 。

　　图 B.3 管道中 T(0, 1) 、L(0, 1) 、L(0,2)模态超声导波在频率 f=64kHz时的径向位移分布

　　导波模态的波结构 , 包括径向位移分布 、周向位移分布和轴向位移分布 , 表征导波模态的能 量 分布 ,是导波模态的重要特征 ,往往与导波的激励 、缺陷的检测等相关联 ,波结构匹配是超声导波换能器设计基本原则之一 , 因此波结构信息是超声导波用于无损检测时导波模态选择 、激励换能器设计的关键参考依据 。

　　20

　　GB/T 31211. 1—2024

　　B.2 板材构件的频散曲线与波结构

　　B.2. 1 板材构件的频散曲线

　　无限大平板 ,根据弹性力学的相关知识 ,其质点运动方程由公式(B. 8)给出 :

　　μui,jj + (λ+μ) uj,ji +ρfi =ρüi ……………………( B. 8 )

　　式中 :

　　λ,μ — 材料拉梅常数 ,单位为帕斯卡(Pa) ;

　　u — 质点位移 ,单位为米(m) ;

　　ρ — 材料密度 ,单位为千克每立方米(kg/m3 ) ;

　　f — 体力 ,单位为牛顿(N) ;

　　i,j — 取 1,2,3。

　　在实际问题求解中 ,通常并不是无限大平板 , 因此对于边界条件的考虑 ,考虑边界条件的限制 ,其表面位移和表面应力的边界条件分别由公式(B. 9)和公式(B. 10)给出 :

　　u(x,t) =u0 (x,t) ……………………( B. 9 )

　　ti =σjinj ……………………( B. 10 )

　　式中 :

　　x — 方向 ;

　　t — 时间 ,单位秒(s) ;

　　σ — 应力 ,单位为帕斯卡(Pa) 。

　　对于自由板 ,可通过运动方程[公式(B. 8)]和边界条件[公式(B. 9)和公式(B. 10)]进行求解分析 。

　　图 B.4 自 由板的几何示意图

　　图 B. 4是自由板的几何示意图 , 如果板的厚度为 2h,那么对于平板的上下表面的坐标分别为 +h和 -h。根据 Helmholtz原理进行相应的分解 ,利用边界条件 ,可推导出经典的瑞利-兰姆波(Rayleigh- lamb)方程 ,分别为由公式(B. 11) 、公式(B. 12) 、公式(B. 13)和公式(B. 14)给出 :

　　……………………( B. 11 )

　　……………………( B. 12 )

　　pk2 ……………………( B. 13 )

　　qk2 ……………………( B. 14 )

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　　GB/T 31211. 1—2024

　　式中 :

　　ω — 角频率 ,单位为弧度(rad) ;

　　k — 波数 ,单位为每米(m-1) ;

　　p — 纵波波矢在厚度方向的分量 ,单位为米(m) ;

　　q — 横波波矢在厚度方向的分量 ,单位为米(m) 。

　　对于特定的频厚积的波导材料 , 可以根据上述瑞利-兰姆波(Rayleigh-lamb) 方程得到导波 在 其 中传播速度 ,进而求得相应的频散方程 。厚度为 10 mm 的典型钢板结构的导波相速度和群速度频散曲线如图 B. 5所示 。

　　a) 相速度频散曲线

　　b) 群速度频散曲线

　　标引说明 :

　　f — 频率 ,单位为千赫兹( kHz) ;

　　cp — 相速度 ,单位为千米每秒(km/s) ;

　　cg — 群速度 ,单位为千米每秒(km/s) ;

　　A0、A1、A2、A3、A4 — 反对称模态频散曲线 ;

　　S0、S1、S2、S3、S4、S5 — 对称模态频散曲线 ;

　　红色曲线 — 反对称(A)模态 ;

　　蓝色曲线 — 对称(S)模态 。

　　图 B.5 典型板类构件导波频散曲线

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　　GB/T 31211. 1—2024

　　B.2.2 板材构件的波结构

　　频率为 300kHz,反对称模态 A0和对称模态 S0的 Lamb 波在厚度为 10 mm 板中的波结构位移分布见图 B. 6, 图中横坐标表示归一化位移 ,纵坐标表示板厚 ,横坐标表示归一化位移 ,纵坐标表示板的厚度 。 由图可见 ,A0模态和 S0模态都具有沿传播方向的位移(ux)和沿板厚度方向的位移(uz) 。其中 ,对于 A0模态波结构 , (uz)位移较大 ,且在整个板厚上分布较为均匀 ,而(ux)主要分布在板上下表面 ,在板内部则很小 ;对于 S0模态波结构 , (ux)主要分布在板上下表面和壁厚中点附近 ,而(uz)主要分布在板上下表面 。

　　a) 频率 f=300 kHz的 A0模态 Lamb位移分布 b) 频率 f=300 kHz的 S0模态 Lamb位移分布标引说明 :

　　DN — 归一化位移 ;

　　r — 板厚 ,单位为毫米(mm) ;

　　绿色曲线 — 沿传播方向的位移分量在厚度方向的分布 ;

　　红色曲线 — 沿板厚方向的位移分量在厚度方向的分布 。

　　图 B.6 板中 A0、S0模态 Lamb波位移分布

　　23