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导读

超声导波(guided waves ultrasonic)技术是一项近年来广受关注的无损检测技术。

导波是一种由于介质边界的存在而被限制在介质中传播的，同时其传播方向平行于介质边界的波。

关于超声导波的发展较早期的研究由一些著名的学者完成，他们研究超声导波在空心圆柱中的传播规律，提出了导波的多模态特性，并基于频散曲线给出了导波的多种模态。

然而，此时业界对超声导波的认识仅停留于理论阶段，相对而言，其应用并不成熟。

近 20 年来，对超声导波的研究已渗透到了管道、实心柱体以及复合板材等介质中，其中对于在管道中传播的超声导波的研究最成熟。

 

本文通过国内外科研成果对超声导波在无损检测中的优势以及其发展前景进行评价，以期为对超声导波感兴趣提供参考。

国内外研究现状

1.国内研究现状

超声导波检测技术与传统超声波检测相比，优点在于传播距离远、检测效率高、检测范围广，因而在无损检测领域有着良好的商业前景。

在理论研究的基础上，越来越多基于超声导波的检测系统被开发出来，超声导波也应用于更为广泛的领域。

在国内，越来越多的高校和研究机构开始从事超声导波方向的研究。

在工业检测中，北京工业大学研究人员在用超声导波对钢绞线、风力叶片等的无损检测方面提出了一系列方法并建立了测试系统，还基于时间反转法和时间空间聚焦理论研发了管道的测试系统，对超声导波传感器进行了改进。

北京大学励争等与南京大学杨京等主要研究超声导波在复合板材与航天材料里的传播情况；

清华大学黄松岭与李松松等将电磁传感器应用于管道与钢轨的无损探伤；

在信号处理与导波应用方面，暨南大学马宏伟等对超声导波的测试理论提出新的思路，将混沌振子检测系统用于超声导波检测，总结出了考虑信噪比、缺陷参数、管道参数、导波参数的超声导波有效检测距离的评估方法；

北京工业大学刘增华提出了板材中导波离散椭圆定位的技术，上海大学张海燕等提出导波成像的理论，将超声导波用于板材、管道的层析成像，为导波定量评价开辟了新思路；

在医学领域，复旦大学他德安团队将超声导波应用于医学长骨评价，其将长骨近似看作充液黏管道，拓宽了超声导波检测技术的应用范围；

总体上，目前我国国内对于超声导波的研究与应用还大多停留于评价管道、柱体和复合板材的结构损伤上，且尚停留于理论与试验阶段，关于导波的理论创新不多。

2.国外研究现状

国外对于超声导波技术的研究要先于国内，帝国理工学院的 Cawley 团队和宾夕法尼亚州立大学的Rose 团队为导波理论及应用奠定了基础。

Cawley 等对板材和管道中导波的传播进行了深入的研究，并首先将其应用于无损探伤领域；

其团队开发了Disperse 软件，应用于导波模态分析和频散曲线绘制，对管道无损检测创造性地提出了一系列理论，包括导波成像、缺陷表征以及复杂结构导波的检测及分析方法。

此外，宾夕法尼亚州立大学的 Rose 教授对超声导波的理论进行整理，出版了《Ultrasonic Waves in Solid Media》，书中完整叙述了超声导波理论来源与数学模型，着重介绍了超声导波在安全评定和故障诊断中的应用，是超声无损评估领域的指导性著作。

英国焊接研究院(TWI)基于上述的理论，将研究进一步深入，最终将成果商业化为一套较为成熟的长距离管道测试系统Teletest Focus+，在业内获得了广泛的肯定。

在国外一些知名高校的研究过程中，超声导波的理论不断丰富。

Shen分析结构健康检测中线性导波和非线性导波的相互作用，并进行了数学建模；

Mariani利用压电空气耦合式传感器对钢轨的缺陷进行了检测；

Ma研究充液管道的在线测量，提出了充液管道中液体声学特性的测量方法以及管道中堵塞的检测；

Farhidzadeh将导波用于建筑物的无损检测，结合模式识别算法，可以识别建筑钢混结构的后天损伤，实现了对建筑结构损伤的实时监测。

超声导波检测技术展望

总体上，超声导波技术在当前的无损检测领域是一个热门且相对新颖的技术，无论是理论研究还是实际应用都还有较长的路要走。

当前的超声导波检测局限性较大，但是不可否认的是，与传统的超声波检测相比其优势显著，更重要的是可根据超声导波在波导介质中传播的特性对波导介质的结构缺陷进行大范围的实时监测。

 

以前超声导波主要应用于板材、管道、柱体的检测，现在已扩展到复合板材、充液管道、非均匀柱体，今后导波的理论会更加深入于有更多复杂结构的固体介质中。

此外，超声导波在黏弹性介质中的传播、波导介质受到的内力与外力作用以及在液体介质中的衰减，对这些方面的研究也将是实际测量中定量评价的前提克服介质结构与外界环境的复杂影响将是导波检测及定位技术的发展方向。

 

国内对超声导波检测技术的实际应用尚不成熟，暂未形成一套成熟的商业化的导波检测设备。

对于国内业界的科研工作者以及从事导波检测的工作者来说，这是一个机遇，也是一个挑战．

 

未来关于超声导波的研究将更具挑战性，如复杂结构中的导波频散抑制与模态选择及其相关算法、超声导波成像技术与缺陷的定量表征、对于复杂结构检测与导波信号分析算法的优化以及复杂环境及结构下导波传播模型等。

但总的来说，由于超声导波具有其独特的性质，即频散和多模态特性，今后对导波的研究与应用也将围绕这二者进行。

相信在不远的未来，超声导波技术不仅会应用于相关行业的无损检测及结构监测，也会在其他领域中有更广泛的应用。