Page 27 - 《应用声学》2020年第1期

第 39 卷 第 1 期 胡文祥等： 套管井超声导波成像系统开发与工程应用研究 23

1.5 板表面回波基本相同，主要差异体现在尾部共振波
˚ႍܦ᫾ઈ(Z n) c
1.3 ਥᤴඵซ 幅度与透射谱峰的大小。图中谱的低谷对应于钢板
A 0 വᛰѓ/(dBScm -1 ) 0.9 荷时受阻尼减弱。由该厚度共振频率可以计算管
的厚度共振频率，在自由钢板时显著，板后粘结负
1.1

(板) 厚，共振强弱也是板后粘结材料特性阻抗计算
0.7
0.5
ඵ 的依据。
0.3 ঌᤴඵซ
ቇඡ
ඵซ ඵ
0 1 2 3 4 5 6 7 8
3
3
ᨂ౜ʾவዥፇెநܦ᫾ઈ/MRayls ࠛए1600 kg/m , ࠛए1000 kg/m ,
ܦᤴ2100 m/s ܦᤴ1480 m/s
图 3 A 0 模式衰减随钢板下侧粘结材料特性阻抗的
变化曲线 R2 R1 T2 T1
Fig. 3 The attenuation of A 0 mode versus charac-
图 4 平面测试试样与探头阵示意图
teristic impedance of materials bonded on a steel
Fig. 4 Plane testing sample and ultrasonic trans-
plate
ducer array
需要说明的是，图 3 中存在一个所谓临界特性
1.0
阻抗点。该点前后 A 0 模泄漏衰减随钢板粘结材料 0.5
特性阻抗变化的转折是容易解释的，原因上文其实 ࣨए/mV 0
已经说明。该点处粘结材料纵波声速与 A 0 模相速 -0.5
-1.0
度相等，为2740 m/s；而该点之前，A 0 模相速度大于 40 50 60 70 80 90 100 110 120
௑ᫎ/µs
粘结材料纵波声速；该点之后，A 0 模相速度则小于
粘结材料纵波声速。按斯奈尔定律，则该点之前 A 0 1.0
0.8
模会同时向粘结材料一侧辐射纵波与横波，而该点 ॆʷӑࣨए 0.6
0.4
之后则仅会辐射横波。因此该点之后，A 0 模的泄漏 0.2
0
衰减明显减小。 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
ᮠဋ/MHz
上述 A 0 模式的衰减特性为管外介质性质的超 (a) ԥΟඵ᠇ᕳ฾᧚ፇ౧
声定征提供了十分有用的思路。
1.0
2 不同负载钢板脉冲回波与泄漏A 0 模特性 ࣨए/mV 0.5 0
的实验测试 -0.5
-1.0
40 50 60 70 80 90 100 110 120
2.1 脉冲回波与泄漏A 0 模信号的基本特征 ௑ᫎ/µs
仅以轻质水泥为例说明。用于测试的钢板厚 1.0
10 mm，宽 200 mm，长 1000 mm。在其长度的一 ॆʷӑࣨए 0.8
0.6
半制作黏附厚度为 30 mm 的水泥，长度的另一半 0.4
0.2
仍为自由的钢板。水泥密度为 1600 kg/m ，声速为 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
3
2100 m/s，为低密度、低声速水泥。根据理论计算， ᮠဋ/MHz
(b) ʷΟඵ᠇ᕳԳʷΟඵซ᠇ᕳ฾᧚ፇ౧
此时粘结水泥段钢板 A 0 模衰减大于水。将探头阵
图 5 双面水负荷钢板与双面分别为水与水泥负荷
沿试样中心线 (红色虚线) 扫描，长度为 400 mm，如
钢板的脉冲回波及其幅度谱
图 4 所示。其中 T2 为脉冲回波探头，T1 与 R1、R2
Fig. 5 Pulse echoes and their amplitude spec-
为斜探头。
trums for a steel plate loaded with water on both
图 5 分别是钢板双侧水负荷，以及一侧水负荷 sides and water on one side and cement on other
另一侧为水泥时的回波信号及其频谱。两信号中钢 side