Page 97 - 《应用声学》2020年第4期

第 39 卷 第 4 期 贾九红等： 基于周向 SH0 导波的管道轴向缺陷定量表征 583

影响，相对于其他具有离面位移的导波，能量泄露较 ηՂ༏ҵ֗ ᤩ࠱ηՂ
Ԧ࠱ηՂଌஆག ଌஆག
小、衰减小，有利于远距离传播。 Ꭵᬞ
C
3.5
P
ħ
Ꮖᤴए/(mSms -1 ) 2.5 4.5
9.5
3.0
2.8
2.0
1.5

图 3 管道截面示意图
2.0
0 2 4 6 8 10 Fig. 3 Pipe section diagram
ᮠဋ/MHz
2.2 周向 SH 导波与轴向缺陷尺寸定量关系数值
图 2 不同曲率半径下周向 SH0 模态的群速度
模拟研究
Fig. 2 Group velocities of circumferential SH0
modes with different bending coefficients 在探究轴向缺陷长度作为单一变量与周向 SH
导波的作用关系时，固定其他参数不变，只改变轴
2 周向SH0导波和轴向缺陷定量表征的数 向缺陷长度。缺陷的周向宽度取管道周长的 1/360，
值模拟 约为 0.87 mm (以弧度表示为 π/180)，径向深度为

0.6 mm，轴向长度从 2 mm 逐渐增加到 20 mm。在
2.1 有限元模型的建立
模拟过程中同样分别提取自激自收信号和一激一
考虑到实际缺陷具有三维特征，因此选用
收信号，图 4 和图 5 分别列举了 4 mm 和 16 mm 缺
Solid164单元，建立壁厚 1 mm、外径 100 mm、轴向
陷长度尺寸的反射信号和透射信号时域波形图。
长为 50 mm 的直管段有限元模型，缺陷均设置为矩
在管道轴向缺陷深度和宽度恒定的情况下，轴
形槽，网格划分单元尺寸为 0.2 mm。根据周向 SH
向缺陷长度改变时，反射信号峰值有明显变化，即反
波的振动特点，模拟时在图 3 所示位置施加由汉宁
射信号对轴向缺陷长度变化敏感；轴向长度改变较
窗调制的 5 周期轴向位移载荷作为激励源。模型中
小时，透射信号能量变化不是很明显。为了更好地
激励源、缺陷和透射信号接收点三者的相对位置如
定量表征周向 SH0 模态与轴向缺陷尺寸的关系，引
图3所示，分别相隔 60 ，且都位于轴向正中间位置。
◦
入反射系数R 和透射系数T 的概念，其表达式如下：
激励源加载振动方向沿管道轴向。为了能够有效检
测小尺寸的缺陷且只有单一的周向 SH0 模态，激发 R = A R /A 1 , (1)
频率为1 MHz。 T = A T /A 2 , (2)

1.0 1.0
4T1°T0.6 mm 16T1°T0.6 mm
0.5 ༏ҵູηՂ 0.5
ࣨϙ/µm 0 ࣨϙ/µm 0

-0.5 -0.5
Ԧ࠱ηՂ
-1.0 -1.0
0 15 30 45 60 0 15 30 45 60
௑ᫎ/µs ௑ᫎ/µs
(a) 4 mm (b) 16 mm
图 4 不同缺陷长度的反射信号图

Fig. 4 Reflected signal diagrams of different defect lengths