Page 96 - 《应用声学》2020年第4期

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本文以数值模拟和试验相结合的方式，以反射系数
0 引言
和透射系数为参数，建立量化模型表征轴向缺陷的
管道在输送高温高压、强腐蚀和易燃易爆等流 深度和长度尺寸。
体方面起着重要作用。管道一旦发生泄漏或开裂，
1 周向SH导波的传播特性
很容易导致爆炸事故，从而导致巨大的生命财产安
全问题。因此，建立一种长期有效的在线监测方法， 沿管道周向传播的超声导波称之为周向导波。
时刻掌握管道的缺陷损伤，具有重要意义。 其中周向 SH 导波在管道上位移振动方向沿轴向 z，
相对于传统超声检测技术 [1−3] ，超声导波技术 传播方向沿周向 θ，如图 1 所示。本文采用 Disperse
传播距离远、检测效率高、不容易漏检，受到了学者 软件绘制其频散曲线，设置壁厚为 1 mm，材料为
的广泛关注 [4−5] 。其中，水平剪切 (Shear horizon- 316L(参数如表1所示)。
tal, SH) 波在波导中的传播有许多优异的特性，对
无损检测很有价值。研究表明 [6−8] ，在均匀介质的
z
平板中，SH0 模态沿振动方向的位移能量在厚度上
均匀分布，且位移幅值较大，因此对板上下表面或者 b v
内部缺陷的检测具有相同的检测能力，且灵敏度较 § ͜୧வՔ
高。当前关于 SH0 导波的激励已经发展较为成熟， a
使用近似线源的反平面剪切可以在半无限空间中
激励出 SH 波 [9] ，Jia 等 [10] 、Liao 等 [11] 使用压电晶
片，在激励源满足理论值的条件下，激励出较为纯净 图 1 管道周向 SH 导波传播示意图

的SH0波，并验证了其可靠性。 Fig. 1 Schematic diagram of pipe circumferential
周向导波沿管道周向传播，因此对轴向缺陷敏 SH guided wave propagation
感；相较于柱面导波，其检测距离相对较短，有利于
表 1 316L 材料参数
验证环形焊缝等复杂条件或者管壁较厚的情况下
Table 1 Material properties for 316L steel
缺陷是否存在；同时通过优化选取模态和频率提高
识别精度，因此周向导波逐渐受到青睐。其中Grace 密度 ρ/(kg·m −3 ) 泊松比 µ 杨氏模量 E/GPa
等 [12] 、Viktorov [13] 、何存富等 [14−15] 、黄松龄等 [16]
7966 0.267 195
均对管道周向超声导波的传播特性进行了研究，发
现曲率半径对频散特性存在影响；李隆涛等 [17] 、葛 管道周向导波的频散特性不仅与频厚积相关，
建明等 [18] 、张旭等 [19] 验证了周向导波对轴向缺陷 也与管道曲面的曲率半径有关。提取不同曲率半径
检测的可行性；Luo 等 [20] 采用简化的二维单元模 下的周向 SH0 模态的群速度频散曲线数据，探究曲
型研究了周向SH导波与轴向缺陷的相互作用关系， 率半径对周向 SH0 模态传播特性的影响，如图 2 所
结果表明反射系数与轴向缺陷的深度和长度尺寸 示。分析图像可知：在较低频率范围，周向SH0群速
存在对应关系；张在东等 [21−22] 分别通过数值模拟 度随频率变化明显；频率较大时，群速度随频率变
和试验研究验证了周向 SH 波和周向 Lamb 波对厚 化较小；曲率半径越小，群速度随频率的变化量越
壁管道外壁缺陷灵敏度较高；Wang等 [23] 使用开发 大。因此在利用周向SH0导波对管道缺陷进行检测
的有限元程序包，通过结合周向 SH 导波的反射系 时，应关注其曲率半径，对群速度进行适当校准，可
数和透射系数，简单实现了轴向缺陷的定量检测。 提高缺陷定位检测的精度。
SH0 导波不易频散的特性以及其激励技术的 对于周向 SH0模态导波的波结构，已有学者做
日渐成熟，使此类检测方法受到学者们的关注，上 出相关研究 [16] ，无论曲率半径为何值，周向 SH0 模
述学者对周向导波的传播特性以及损伤检测进行 态的径向位移和周向位移均为 0，因此周向 SH0 模
了相应研究，但是对于利用 SH0 导波进行确定定量 态不存在离面位移，这种特性决定了周向 SH0模态
表征的研究相对缺乏，基于此的检测方法尚不成熟。 在传播过程中不易受管道外界液体或者包覆层的