纤维复合多层堆叠结构管道或罐在投入使用前，需要对结构本身的强度、有无气泡、裂纹或粘结是否合格等项目进行评价。随着时间推移还需要对服役期多层复合纤维材料的老化情况以及安全使用的寿命进行评价。目前针对板状碳纤维复合材料的无损检测研究较多，但对碳纤维复合材质管道或罐体寿命评价方法的研究和有效的工程检测设备研制相对较少。
工业中常用到的无损检测方法主要基于声学、电磁等物理手段，如超声、涡流、漏磁检测法等。基于声学的超声导波检测方法由于其卓越的性能在管状复合材料无损检测中展现出巨大的应用潜力，已有研究证实了周向导波应用在圆柱管道结构健康监测中的可靠性。由于管状复合材料中的导波传播特性较为复杂，所以相应的数值建模和理论分析近年持续受到关注。
目前，国内外检测技术领域对管状纤维复合材料特性与安全使用寿命对应规律研究较少，相应的测试检测设备仍处于实验室研究阶段，且国内没有相关检测装置应用于现场的报道。为此，本文以典型管道和储罐的碳纤维复合多层堆叠结构材料为对象开展超声无损检测技术研究，并研制出了超声检测装置，形成了管状纤维复合材料物理声学关键参数获取方法及纤维复合材料机械性能退化性能评价方法。
01纤维复合材料物理关键特性提取和性能评价
1.1提取复合材料声速
时间慢度相干法（STC，Slowness Time Coherence）对于阵列信号的处理，利用阵列波形相似特性计算模式波慢度。具体实现步骤如下：
对阵列波形xm给定一个具有斜率S和起始时间T两个参数的时间窗函数TW，将窗内的阵列波形曲线进行相干叠加计算，获取对应相关系数p(S,T)，并重复的更改起始时间位置T和斜率S，从而构建相关系数的二维函数：
为了获取不同模式波的慢度和到时信息，需要在二维相关函数p(S,T)中搜索使相关函数取值最大的S和T值。但是在二维平面上搜索相关系数的最大值耗时费力，导致算法计算时间太长。故在实际计算过程中，将二维相关函数投影到慢度轴上，在一维慢度轴上搜索最大慢度，然后再回到二维平面获取对应的到时信息，以提高计算处理的效率。图1为该阵列波形的STC慢度分布结果。
图1. STC算法叠加计算提取声速
1.2提取刚度矩阵
幅度和相位估计（APES，Amplitude PhaseEstimation）是谱估计理论中的一种非参数谱估计方法，信号拆分的原理与矩阵束（FBMP）一样，可以将时间序列分为复系数指数信号的叠加，然后通过自适应估计信号中噪声的协方差矩阵，以此来构建最合适的滤波器。保证特定成分的正弦信号无损通过滤波器，同时压制噪声和其他正弦分量，对最终输出的信号幅度谱进行估计，实现过程如下：
将信号序列x(n)分解为p个不衰减的复正弦信号，同时引入加性噪声如公式所示：
在分解信号的基础上设计了一个长度为L（默认为m/2）的有限脉冲响应的FIR滤波器，依次抑制除目标分量sk，k=1,2,…p以外的其他分量和噪声，则信号向量x(n)通过滤波器向量WH之后的输出y(n)为公式(3)所示：
滤波器的目标是尽量使得传播速度为sk的信号无失真地通过，尽可能地抑制其它慢度分量和噪声v(n)，因此利用拉格朗日乘数法得到振幅估计：
最后重复在不同频率下的慢度扫描过程，根据 sk，k=1,2,…p的不同，估计慢度â(s)在其他慢度处的值接近为0，从而得到频率和传播慢度的二维幅度变化剖面结果。最后根据幅值变化曲线，寻找峰值处的慢度就为该频率下对应的频散极点的倒数，从而获取完整的阵列波形模式波速度成像。
1.3求解纤维复合材料性能参数
假设波在传播方向上以简谐波的形式运动，通常，由简谐应力波所引起的波导结构中各质点三个方向的位移、应力和应变场分量可采用表达：
已知材料的应力应变本构关系为σ=Dε。对于含阻尼的波导材料，矩阵D为复数矩阵，以描述材料的阻尼特征。当不讨论阻尼时，材料刚度矩阵D为：
已知材料的应力应变σ-ε关系是通过材料刚度矩阵D来定义的。而对于不含阻尼的材料来说，其材料刚度矩阵D中的元素都为实数。
由计算所得层状复合材料中声速、刚度矩阵，利用最小二乘法迭代计算，可求得用于评价纤维增强复合材料制品机械性能的关键参数，即弹性模量和泊松比。
02管状碳纤维复合材料的声学参数获取装置设计
2.1总体方案
复合材料的声学参数获取装置总体方案如图2所示，由主控PC机、发射电路采集电路、发射探头和八道接收探头组成。
图2. 系统总体框图
2.2探头选型和声系设计
在数值模拟和实验室内玻璃纤维复合管超声实验的基础上，确定了100kHz至300kHz超声测试频率范围，设计了9种规格的压电陶瓷片，然后对压电换能器进行导纳曲线测量，优选出频带特性满足需求的发射接收换能器。
优选出频带特性满足需求的发射接收换能器后，本文设计了适合贴合不同管径测量的铰链声系结构，由一个发射探头和八个接收探头组成，两端设计有锁紧结构可方便将声系周向抱锁到被测管道上，结构设计和实物照片如图3所示。
图3. 铰链声系结构
2.3发射和接收电路
本文设计了微型升压电源模块，它内部包含了Boost结构的升压电路及与之匹配的元器件，并且增加了额外的短路保护电路、防反接电路等，基本指标如表1所示。
表1. 微型集成电源模块参数
电源模块输入电压标称值为DC12V，可扩展范围为10V～18V，稳定输出为：±50VDC。
通过该模块，可以将一路12V电压转为两路高压电源输出，这为系统电路设计提供了便利，也比独立设计的升压电路更节约空间，电路如图4所示。
发射脉冲幅度峰值Vpp在0V～200V可调，发射脉冲周期在10kHz～500kHz可调，接收参数采用6通道、14bits和10MSPS。
图4. 集成电源模块应用电路
03实验和数据分析
3.1 316不锈钢管实验和数据分析
为验证测试精度指标是否满足要求，本文在外径240mm，内径200mm三分之一开口的316钢管上进行了三个不同位置的测试。
图5、图6分别为波形和STC/频散曲线。
表2、表3分别为杨氏模量测量误差和泊松比测量误差，计算结果杨氏模量分别为2.11e11、2.10e11和2.05e11，与参考杨氏模量1.93e11值相比，误差分别为9.3%、8.8%和6.2%；计算结果泊松比分别为0.2852、0.2871和0.2660，与参考泊松比0.29值相比，误差分别为-1.65%、-0.99%和-8.27%，测试精度指标满足弹性模量和泊松比实验室误差。
图5. 300kHz钢管测试波形
图6. 300kHz声源钢管STC和频散曲线
表2. 杨氏模量测量误差
表3. 泊松比测量误差
3.2玻璃纤维管特性测试-单发单收
本文通过单发单收，手动控制源距和间距的方式，对玻璃纤维复合管声波特性先进行初步实验，确定合适的测试频率。
实验记录了源距4cm间距1cm，声源频率125kHz和300kHz的测试波形，如图7所示，可以看出300kHz波形幅度衰减系数相对125kHz大。
图7. (左)125kHz声源接收波形；(右)300kHz声源接收波形
3.3玻璃钢管实验和数据分析
本文对高度30cm，外径200mm玻璃钢复合材料管开展性能参数测试。
图8、图9分别为波形和STC/频散曲线，计算结果表明玻璃纤维管的各向异性特征明显。
实验经过玻璃纤维管刚度矩阵重复测量精度对比，如图10所示，三次刚度矩阵结构的最大相对误差为1.15%，满足系统指标要求。
图8. 125kHz声源玻璃纤维管测试波形
图9. 125kHz声源玻璃纤维管STC和频散曲线
图10. 125kHz刚度矩阵测量重复精度对比相对误差
结语
