管道是全球石油和天然气运输的关键基础设施，因此确保其安全高效运行至关重要。长期使用可能导致诸如壁厚减薄、腐蚀和坑蚀等缺陷，这些缺陷对结构完整性构成严重威胁[1,2]。在线检测（ILI）已成为一种重要的评估方法，利用管道检测仪（PIGs）进行远程、高效的缺陷检测[3,4]。
在主流的ILI技术中，磁通量泄漏（MFL）应用最为广泛，占据了大约80%的市场份额。其优点包括与铁磁材料的良好兼容性、无需耦合剂，以及适用于石油和天然气管道[5,6]。然而，MFL在准确量化缺陷尺寸（如深度和长度）方面存在局限性，且不适用于不锈钢等非铁磁管道。
涡流（EC）技术对表面裂纹非常敏感且无需耦合剂，但其穿透深度受到趋肤效应的限制[7,8]。为了实现更全面的检测，包括体积金属损失和表面缺陷，已经开发了EC-MFL集成工具[9,10]。然而，这种混合方法增加了系统的复杂性和成本，同时仍未能克服任一单独技术的根本局限性。
超声波检测（UT）因其高精度壁厚测量和缺陷检测能力而受到重视。然而，传统UT需要液体耦合剂来确保有效的声能传输，使其不适用于占管道网络很大比例的天然气管道[[11], [12], [13]]。虽然电磁声转换（EMAT）消除了对耦合剂的需求，并且理论上适用于天然气管道，但其性能受管道材料属性、表面条件和升离距离的影响较大，导致现场应用中的可靠性有限[[14], [15], [16]]。
空气耦合超声波检测（ACUT）作为一种突破性技术应运而生。其核心创新在于利用内部气体介质作为传输通道，从而消除了对耦合剂的依赖，使得在石油和天然气管道中都能进行有效检测[[17], [18], [19]]。这克服了传统UT在天然气管道应用中的根本限制，使ACUT成为下一代超声波ILI工具的有希望的解决方案。然而，气体与固体材料之间的较大声阻抗不匹配导致能量传输效率非常低、信号衰减严重、信噪比（SNR）低，以及与传统UT相比灵敏度降低了约80 dB [20,21]。这些因素是将ACUT应用于钢制管道等高衰减材料的主要障碍。
为了解决ACUT的固有挑战，如低能量传输效率和严重的信号衰减，声共振技术（ART）作为一种极具前景的协同方法应运而生。ART的潜力基于其核心原理，即在匹配频率下实现高效能量传输和显著的振动放大[22]。ART的高精度优势已在各种无损检测（NDT）场景中得到验证。例如，焦等人使用MHz范围内的超声波传感器和非线性ART实现了对金属表面碳沉积层（0–8 mm）的定量检测，测量结果与实际厚度之间的相关性超过0.98 [23]。Eremin等人通过分析兰姆波散射共振频率，实现了对层压板分层宽度和深度的高精度估计，误差控制在±1 mm以内[24]。李等人利用反向传播的A0-S0模式兰姆波的非线性频率混合技术，通过对差频和和频信号的声学非线性参数进行分析，实现了对CFRP复合材料层离的定量表征[25]。这些研究从根本上证明了ART的高灵敏度。
在管道完整性评估领域，Yusa等人基于电磁ART对38块人工腐蚀的碳钢板进行了实验，开发了一个概率性的“真实壁厚–测量壁厚”模型。结合贝叶斯方法对多周期检测数据进行处理，他们的模型能够准确预测管道壁厚减薄率[26]。陈等人将ART应用于海底天然气管道，通过激发壁厚共振实现了±0.4 mm的精度。然而，该方法需要超过7 MPa的内部压力才能实现足够的耦合，因此不适用于低压（0.1–4 MPa）的陆上网络[27]。
因此，ACUT-ART展示了其在整个管道压力范围内的应用潜力。它适用于低压天然气网络，同时兼容中高压环境，从而消除了对高压或接触耦合的依赖。在这一方向上的探索性工作已取得初步进展。例如，王等人利用空气耦合换能器（ACT）在透射模式下实现了对9.8–10.15 mm钢板的厚度检测[28]。同样，álvarez-Arenas等人通过使用空气耦合换能器在脉冲回波模式下检测厚度共振信号，成功实现了对10–12 mm钢板的非接触式厚度测量，报告的误差在0.2至0.4 mm之间[29]。这些研究验证了在空气耦合环境中实施基于共振的检测的基本可行性。
然而，基于ART的ACUT的实际应用受到ACT窄带宽（通常为10%–30%）的限制，这不足以覆盖激发不同壁厚和缺陷轮廓所需的宽频率范围[[30], [31], [32]]。
为了解决这些挑战，本研究基于声共振理论开发了一个ACUT-ART系统模型。我们研究了激励参数和换能器带宽对壁厚共振频率检测的影响。提出了一种结合线性频率调制（LFM）和蜘蛛黄蜂优化–光谱均衡一致性度量（SWO–SECM）的自适应激励方法，以扩展有效带宽并提高共振频率识别能力。通过壁厚测量和缺陷检测实验验证了所提方法的可行性和有效性。
