本书提出的混沌检测超声导波信号技术，将超声导波信号作为混沌系统的外激励扰动项，利用混沌系统对初始输入的敏感性和对随机噪声信号的免疫力进行弱导波信号识别，是一种新颖的识别技术，在提高管道超声导波的检测距离，或者提高小缺陷的检测灵敏度上具有显著的优势。围绕这一主题，本书详细讨论了超声导波传播的理论、有限元仿真，以及实验技术，将得到的信号引入混沌系统，以相轨图、Lyapunov指数构造了损伤指标，并讨论了各指标的技术细节。

目  录  

第1章  绪论 1

1.1  管道运输与安全 1

1.2  长距离管线检测 4

第2章  超声导波检测技术简介 8

2.1  超声导波的基本概念 8

2.1.1  超声波 9

2.1.2  应力波分类 10

2.1.3  群速度和相速度 11

2.1.4  多模态特性 13

2.2  超声导波的基本方程 16

2.3  管道超声导波的检测技术 19

2.3.1  位置识别 20

2.3.2  深度识别 22

2.3.3  导波检测的工业应用 25

第3章  混沌与混沌检测技术 28

3.1  混沌系统简介 28

3.2  混沌系统在弱信号检测中的应用 31

3.3  混沌系统检测超声导波的原理 33

第4章  基于相轨图的导波检测 37

4.1  检测系统的参数设定 37

4.2  噪声对混沌系统解的影响 39

4.3  含噪声导波信号识别 42

第5章  基于Lyapunov指数的导波检测 46

5.1  Lyapunov指数 46

5.2  检测系统的参数设定 49

5.2.1  不输入任何信号时的系统特征 50

5.2.2  输入和不输入导波信号时的Lyapunov指数对比 53

5.2.3  噪声对Lyapunov指数的影响 54

5.3  数值研究 55

第6章&

前  言  

管道运输被誉为继公路、铁路、水运、航空之后的第五大运输工具，在国民经济建设中占有重要地位。为了保障管道运输安全，20世纪90年代以来，科研人员提出了长距离管线超声导波检测技术。该技术只需要在管道一个位置进行测试，便可对50～100m长的管道进行检测，减少了埋地管道的大面积开挖，对于含外履层的管道也只需要去除检测部位的外履层即可。因此，超声导波检测技术一经提出就受到了科研学者和工程人员的重视。然而，由于超声导波在传播过程中的衰减性，且不可避免地会受到噪声和测量误差的影响，在长距离管线中超声导波信号必然会表现出强噪声下弱信号特征，致使检测效率降低。为了进一步增加检测距离和提高检测效率，自2010年开始，作者开始关注弱信号的混沌振子检测技术，并与长距离管线超声导波检测技术相结合，提出了长距离管线超声导波的混沌检测技术，重点对导波信号的混沌检测原理、损伤指标选取、检测系统设定、噪声影响、实验技术等几个方面进行了研究，本书着重介绍上述几个方面的研究成果。全书共7章，第1～2章介绍管道运输现状和长距离管线的常规检测技术，并介绍超声导波检测技术；第3章介绍混沌系统与基于混沌系统的弱信号检测技术；第4～5章讨论基于混沌系统相轨图和Lyapunov指数作为损伤指标的弱导波信号识别方法；第6章开展实验研究，以检验混沌检测技术的可行性；第7章借助于Matlab-GUI软件讨论混沌检测系统的软件开发。

本书之所以能够完稿，得益于我的导师马宏伟教授给予的许多无私的帮助和支持！此外，武静博士协助完成了本书中的数值算例。在完成书稿的过程中，我与我校赵子龙教授、梁清香教授和戴保东教授有过多次有益的讨论。

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特别感谢国家自然科学基金项目（11872261）和山西省自然科学基金（201801D121012）的资助。

由于作者水平所限，书中难免会有错误和疏漏，希望读者给予批判指正！

作者   

2019年3月