超声引导波(UGW)是一种能够在特定几何结构(如管道、板材或轨道)中传播的特殊超声波，被广泛应用于检测部件内部缺陷。
在弹性介质中，超声波(包括超声引导波)在遇到不同介质或部件结构变化时会发生反射、折射和模式转换。而在复杂的检测结构中，如多层材料或曲面管道，超声波在经历多次反射或折射后，信号的处理和表征更加复杂，且会产生超声引导波，其通常被称为兰姆(Lamb)波。
一、超声导波的频散与多模态
频散和多模态是管道中波传播的两个关键特征，主要受到波导中导波频率等相关传播特性的影响。
在频域中，频散会导致不同频率分量的相位偏离，使得具有相同初始相位的频率分量在波导中传播时发生展宽，进而降低频率分辨率;在时域中，频散会引起信号展宽和波形的变化，从而降低空间分辨率，且频率分量的相速度变化会导致波形失真，频域和时域中的频散信号与非频散信号的传播示意如图1所示。
图1频域和时域中的频散信号与非频散信号的传播示意
通过利用多模波导的传播和这些缺陷的反射，可以有效检测非轴对称缺陷。
通常情况下，采用解析或半解析有限元方法求解复杂结构的频散曲线，例如余旭东等通过半解析有限元方法的计算框架，实现了对周向导波频散关系的精确求解，频散曲线如图2所示，该方法对波导结构的横截面进行有限元离散，在波传播方向采用解析描述，从而将三维问题转化为二维求解，能够准确计算具有任意材料属性、层数和环向截面形状的复合圆管中的导波频散关系，适用于复杂结构的无损检测和材料表征。
图2周向导波的相速度频散曲线：CLT为周向兰姆类(厚度)模态波，CHS为周向水平剪切模态波，其中导波数字代表模态波的阶数
导波的频散效应和多模态行为会显著增加回波信号的处理难度，但是不同模态和高阶模态簇的导波对不同的管道缺陷具有不同的敏感度。因此，多模态激励也为检测各种类型的管道缺陷提供了更多的应对策略。
二、超声导波的激励与接收
近年来，导波激励的研究主要集中在目标模态的激发等方面，目的是减少多模态带来的信号处理复杂性并提高缺陷的检测精度。
特定导波模态如L(0,1)和L(0,2)纵向模态对周向裂缝较为敏感，而T(0,1)模态则对轴向裂缝检测效果更佳。
空心圆柱体纵向模态和扭转模态的激励示意如图3所示。每个导波模态都有固有的截止频率，这是其能够存在的最低频率。通过选择低于高阶模态截止频率的激励频率，可以有效地实现低阶模态的独占激励，从而避免高阶模态的干扰和信号复杂性。
图3空心圆柱体纵向模态和扭转模态激励示意
管道检测中常用的导波激发和接收方法包括：脉冲回波法、一发一收法、压电换能阵列以及激光激发与干涉接收法。
在脉冲回波法中，同一个换能器或换能器阵列既用于激发导波，也用于接收反射回的导波信号，因依赖波的反射来确定缺陷信息，故脉冲回波法适用于识别距离激发点较近的缺陷。
而在一发一收模式中，一个换能器或换能器组用于激发导波，另一个换能器或换能器组用于接收，一发一收模式可以提供缺陷的更多信息，并且能够检测长距离管道中的缺陷。脉冲回波法和一发一收模式的原理示意如图4所示。
图4脉冲回波法和一发一收模式原理示意
导波激励与接收方法的选择取决于多种因素，例如检测距离、缺陷类型、环境条件以及设备和成本。为了实现导波单模态激发，研究人员利用换能器阵列选择性激发。
三、超声导波的衰减
超声波的检测范围受到各种衰减因素的限制，包括能量的扩散和吸收。在弹性介质中，波前频散是较为普遍的现象;但在黏弹性介质中，其不仅表现出波前频散，还伴随着能量吸收行为。
导波的衰减主要包括扩散衰减、散射衰减和吸收衰减，如图5所示。在无损检测中，可根据衰减与材料缺陷程度的线性效应，使用信噪比衡量信号的衰减。
图5导波衰减示意
此外，研究还表明管道埋地环境以及埋地材料对导波衰减的影响非常显著，黏土环境中导波能量的衰减远高于沙土环境中。
四、超声导波检测原理和技术特点
超声导波检测技术主要通过激发低频超声导波在检测部件内散射，从而捕捉部件内的缺陷以检测部件损伤。管道超声导波无损检测技术的原理示意如图6所示。
图6管道超声导波检测技术原理示意
超声导波检测技术在各种材料的损伤检测中应用广泛，其检测信号中几乎包含了结构中的所有信息。与其他检测技术相比，其主要有以下优势：
1、全面检测。可在整个构件中的任意位置进行单点激励，诱导颗粒振动，实现对被测构件的全面覆盖检测。
2、长距离检测。针对材料属性，选择合适的导波模态，能够减小导波衰减。更小的衰减意味着导波能够在材料中传播的距离更远，从而能够在不移动设备的情况下实现长距离检测。
3、缺陷适应性强。超声导波具有多模态特性，适用于检测各种不同类型的缺陷。通过控制导波的模态和频率可以对不同类型的缺陷进行检测，提高检测精度的同时还能获取多维度的检测信息。
4、检测效率高。超声导波检测技术成本相对较低，在特定位置安装换能器即可进行检测，方便且易操作。
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