Page 107 - 《应用声学》2020年第5期

第 39 卷 第 5 期 赵亮等： 斜入射 SH 波厚壁管道内壁裂纹检测方法 749

力学频域模型，为了模拟斜入射 SH 波在厚壁管道
中的传播，在其圆心建立长 40 mm 的弧面区域，曲  

率与外径 205 mm 厚壁管道相同，在弧面上与永磁  
y/mm 
体尺寸相同区域交替加载大小相同、方向相反的载   ͯረکவಪ/T ֓ mm
荷，一方面可以模拟 EMAT 探头在激励斜入射 SH 

波时产生的交替作用的洛伦兹力，另一方面可以降 

低仿真模型的运算量。永磁体宽度为3 mm，长度为 ֓
-100 -50 0 50 100
8 mm，相邻永磁体中心间距 d取3.2 mm，仿真模型
x/mm
力学参数如表1所示，仿真模型如图2所示。
图 3 激励频率为 1 MHz 时声压分布
表 1 模型相关参数 Fig. 3 Sound pressure distribution at excitation
Table 1 Model related parameters frequency of 1 MHz

参数 数值 25
试样杨氏模量/GPa 200
य़Քͯረ/10 -13 mm
试样泊松比 0.241 20
试样密度/(kg·m −3 ) 7932
剪切波波速/(m·s −1 ) 3260 15

࣐䖭↓ੁ䖭㦧 10
mm 
 5
 ࣐䖭৽ੁ䖭㦧 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
mm  ༏ҵᮠဋ/MHz


 图 4 不同频率径向位移极值
mm Fig. 4 In-plane displacement extremes at different
֓
z
x frequencies
y
图 2 仿真模型 2.2 斜入射SH波检测厚壁管道内壁裂纹
Fig. 2 Simulation model
在 COMSOL Multiphysics 软 件 中 建 立 内 径
在斜入射 SH 波激励有限元模型中，试样中形 155 mm、外径 205 mm 的厚壁管道固体力学时
成的斜入射 SH 波幅值受计算时间步长和网格尺寸 域模型，管道力学参数与表 1 相同，在管道内壁预
的影响，当计算时间步长不大于 1/(100×f)、最大网 制长 8 mm、周向宽 1 mm 的轴向裂纹，径向深度由
格大小不大于 λ/10 时，有限元结果收敛，仿真结果 0.01 mm增加到3 mm，网格划分和计算时间步长与
准确可靠 [16] 。因此计算时间步长取 0.1 µs，最大网 声场模型相同，如图5所示，声场快照如图6所示。
格取0.6 mm，得到声压分布如图3所示。

对较大半圆弧面进行积分得到径向位移极值

如图 4 所示。由图 4 可知，随着激励频率增加，斜入 
mm
ᜈጯܫࡍᦊጺӑ
射SH 波主瓣束向性变好，径向位移极值增加，并在 
Ԓܞኮ᥋ 
频率为 1 MHz 时达到极值。但随着频率继续增加，  mm

主瓣径向位移逐渐减小，旁瓣能量随之增加，对主 ᒭႀ᣸ႍ 
䘿ሴ䗩⭼
瓣能量进行干扰，影响检测效果。因此，斜入射 SH 
z  mm
y
波的检测频率取 1 MHz 较为合适，此时主瓣能量最 x 
高，束向性较好，旁瓣能量适中，适宜对厚壁管道进 图 5 厚壁管道建模
行检测。 Fig. 5 Thick-walled pipe modeling