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第 37 卷 第 5 期 高广健等： 圆管结构中的非线性周向导波 687

通过分析图 6 所示的时域和频域信号可知，采 采样点为 10 个。对不同间距 L 接收到的时域信号
5
用上述的实验系统条件和激励信号设置，的确能够 按图 6 所示方法进行信号处理，通过幅频曲线提取
在圆管中选择性地激发周向导波目标模式。在此基 基波振幅 A f 和二次谐波振幅A 2f ，得到非线性声参
础上，实验观察周向导波时域信号沿圆管周向传播 量β 随传播周向角变化的关系曲线如图7所示。
过程中的二次谐波发生效应。 图 7 清晰地显示出在一定传播周向角范围
内 (θ = 1.19 ∼ 2.65 rad)， 相对 非 线 性 声 参量
3.2 积累二次谐波发生效应的实验观察
β = A 2f /A 2 随传播周向角积累增长。实验分析
采用图 5(a) 所示的实验系统，实验观察周向导 1f
表明，在图 2(a) 所示的载波频率 f = 0.88 MHz 处
波时域信号沿圆管周向传播过程中的二次谐波发
(该点满足相速度匹配条件)，周向导波具有强烈的
生效应。用 AB 胶将斜劈超声换能器 T x 固定到圆
非线性效应，其二次谐波随传播周向角积累增长。
管外表面的指定位置，通过移动与其正对的 R x 来
调整 T x 和 R x 之间的正对间隔 (用弧长 L 或周向角 3.3 典型应用——金属圆管积累损伤的非线性超
声导波评价
θ 表示)。为对基频周向导波和具有积累增长效应的
周向导波二次谐波的位移场进行有效的测量，纵波 在以上工作基础之上，我们开展了圆管损伤的
超声换能器 (A401S 和 V403) 与有机玻璃斜劈之间 非线性周向超声导波的评价研究。
以及接收换能器 R x 与圆管外表面之间，均采用黏 选择承受低周载荷的 304 不锈钢圆管作为疲
稠的蜂蜜薄层进行声耦合。 劳实验的研究对象，采用已建立的周向导波实验
系统 (见图 5(a)) 对疲劳加载试件中传播的周向导
600
ࠄᰎ஝૶ 波进行实验研究，以期为采用非线性周向导波评
550 લՌజጳ 价圆管的损伤提供实验依据。承受低周疲劳损伤
ᄱࠫ᭤ጳভܦԠ᧚ β/V -1 450 奥氏体不锈钢圆管，其内径 R 1 = 104.5 mm，外径
500
的圆管试件与前文所用的圆管为同一批次的 304

R 2 = 109.5 mm。圆管损伤试件从 304 不锈钢圆管
400
上直接切割加工而成，按照标准 GB/T7314-2005
350
《金属材料室温压缩试验方法》制备。为了确定 304
300
不锈钢管的力学性能，对其中一个圆管试件进行标
250
1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 准准静态压缩试验。室温条件下的压缩试验在万山
͜୧ևՔᝈ θ/rad
红电液伺服万能材料疲劳试验机上进行，该试验机
图 7 相对非线性声参量 β 随传播周向角 θ 变化的 的最大载荷为 2000 kN，通过室温下压缩试验可确
关系曲线 [21]
定 304 不锈钢管的屈服极限为 208 MPa。试件疲劳
Fig. 7 Curve of relative acoustic nonlinearity pa-
试验也在该试验机上进行，其示意图如图5(b)所示。
rameter β versus circumferential angle θ [21]
疲劳试验温度为室温，应力加载波形为三角波，频率
在实验测量中，射频脉冲为载波频率等于 为 0.025 Hz。在加载过程中，平均应力为 208 MPa，
0.88 MHz 的 Hanning 窗调制的正弦脉冲信号，射 应力幅值 60 MPa。在试件疲劳加载之前，对金属圆
频脉冲的周波个数为 40。发射换能器 T x 固定不 管中的周向导波信号进行测量以作为对比参考，然
动，接收换能器 R x 开始从 L = 130 mm 逐步移至 后设定循环加载 20 次为一个加载周期。一个循环
L = 290 mm，移动弧长步距为20 mm。对于每一个 加载周期结束后，将试件从液压伺服万能试验机上
间距L，采用完全相同的测量条件，对相应的时域信 取下，采用图 5(a) 所示的实验系统测量试件中的周
号进行三次重复测量 (进行下一次重复测量时，将 向导波(具体测量过程参见第3.1节的描述)，待完成
R x 从圆管表面完全移开，在斜劈接触弧面上涂抹蜂 上述测试之后再对试件进行下一个周期的疲劳加
蜜之后再将其放回移开前位置)。所接收到的周向 载。重复上述步骤，直至圆管内壁表面出现较明显
导波时域信号 (包含基频周向导波和二次谐波时域 的变化为止 (共进行了 15 个周期的循环加载，即循
信号)经示波器显示和存储，采样频率为1000 MHz， 环加载总次数M = 300)。