Abstract Ultrasonic guided wave based non-destructive testing is an effective method to inspect defects in long-distance pipe structures. This paper proposes a novel defect detection approach for the pipes using stochastic resonance of Duffing oscillator and ultrasonic guided waves. Stochastic resonance can improve the signal-to-noise ratio (SNR) in the output signal, because it can enhance the periodic component while attenuate the noise components. A detection system is first developed based on Duffing oscillator. The echo signal between the incident signal and end echo is used as the input to the Duffing oscillator, and the normalized power spectrum of the output signal is calculated to obtain the SNR of the output signal. The SNR curve is shown versus the change of the damping ratio value. When stochastic resonance occurs, the SNR is at the peak, corresponding to the optimal value of damping ratio. With the optimal damping ratio value, the power spectrum of the output signal from the Duffing oscillator is used to detect the characteristic frequency. If there is a distinct characteristic frequency with the same excitation frequency as the guided wave excitation signal, it can be concluded that there is a defect in the pipe. Both numerical simulations and experimental studies are conducted to investigate the accuracy and effectiveness of the proposed approach in defect detection in pipes. The detection results demonstrate that the proposed approach can significantly enhance the sensitivity of using weak guided wave signals for minor defect detection in pipe structures.

中文翻译：

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使用杜芬振荡器和超声波导波的随机共振检测管道结构的缺陷

摘要 基于超声导波的无损检测是一种有效的长距离管道结构缺陷检测方法。本文提出了一种利用杜芬振荡器和超声波导波的随机共振对管道进行缺陷检测的新方法。随机共振可以提高输出信号中的信噪比（SNR），因为它可以增强周期分量，同时衰减噪声分量。首先开发了基于杜芬振荡器的检测系统。将入射信号与末端回波之间的回波信号作为杜芬振荡器的输入，计算输出信号的归一化功率谱，得到输出信号的信噪比。显示了 SNR 曲线与阻尼比值的变化。当随机共振发生时，信噪比处于峰值，对应于阻尼比的最佳值。以最优阻尼比值，利用达芬振荡器输出信号的功率谱来检测特征频率。如果有明显的特征频率与导波激励信号的激励频率相同，则可以断定管道存在缺陷。进行了数值模拟和实验研究，以研究所提出的方法在管道缺陷检测中的准确性和有效性。检测结果表明，所提出的方法可以显着提高使用弱导波信号进行管道结构微小缺陷检测的灵敏度。杜芬振荡器输出信号的功率谱用于检测特征频率。如果有明显的特征频率与导波激励信号的激励频率相同，则可以断定管道存在缺陷。进行了数值模拟和实验研究，以研究所提出的方法在管道缺陷检测中的准确性和有效性。检测结果表明，所提出的方法可以显着提高使用弱导波信号进行管道结构微小缺陷检测的灵敏度。杜芬振荡器输出信号的功率谱用于检测特征频率。如果有明显的特征频率与导波激励信号的激励频率相同，则可以断定管道存在缺陷。进行了数值模拟和实验研究，以研究所提出的方法在管道缺陷检测中的准确性和有效性。检测结果表明，所提出的方法可以显着提高使用弱导波信号进行管道结构微小缺陷检测的灵敏度。如果有明显的特征频率与导波激励信号的激励频率相同，则可以断定管道存在缺陷。进行了数值模拟和实验研究，以研究所提出的方法在管道缺陷检测中的准确性和有效性。检测结果表明，所提出的方法可以显着提高使用弱导波信号进行管道结构微小缺陷检测的灵敏度。如果有明显的特征频率与导波激励信号的激励频率相同，则可以断定管道存在缺陷。进行了数值模拟和实验研究，以研究所提出的方法在管道缺陷检测中的准确性和有效性。检测结果表明，所提出的方法可以显着提高使用弱导波信号进行管道结构微小缺陷检测的灵敏度。