Page 91 - 《应用声学》2021年第4期

第 40 卷 第 4 期 胡少伟等： 利用表面波对预应力钢筒混凝土管砂浆保护层开裂监测的数值仿真 575

10 mm、30 mm、50 mm、100 mm、150 mm。电压时 2.4 频率影响分析
程曲线及其对应幅值如图 20 ∼ 21 所示。在本组对 在 2.3 节 中， 已 经 讨 论 过 10 kHz、20 kHz、
照组中，也可以清晰地看到随着宽度的增加，接收端 30 kHz、40 kHz 情况下的接收端电压信号，并
的电压信号幅值也在缓慢增大。但这组的突增区间 得出结论：压电片间距 0.6 m 时，30 kHz 和 40 kHz
是处于100 ∼ 150 mm，较前组大。 由于衰减过快，幅值很小且波形存在畸变情况，不适
于本次模拟的情况，所以应选取 20 kHz 以下的频
௄ᜈᎋ ࠕ10 mm ࠕ30 mm ࠕ50 mm ࠕ100 mm ࠕ150 mm
3.2 率。又由 2.1 ∼ 2.3 小节的长度、深度、宽度对照组可
2.4 以看出，深度对于接收端电压信号的影响最为明显，
1.6
所以在本节中，将具体讨论频率为5 kHz和15 kHz
ଌஆቫႃԍ/mV 0.8 0 时的深度对照组情况，并与频率为 10 kHz 时的深度
对照组进行比较，
-0.8
-1.6 首先将频率设置为 5 kHz，其他情况与2.2 节中
10 kHz 情况下相同：裂缝长度为 600 mm，宽度为
-2.4
30 mm，深度由 10 mm、15 mm、25 mm、34 mm 变
0.00055 0.00065 0.00075 0.00085 0.00095
௑ᫎ t/s 化，电压时程曲线及其对应幅值如图22 ∼ 23所示。
图 20 裂缝长 600 mm、深 20 mm 工况下宽度的影响 ௄ᜈᎋ ງ10 mm ງ15 mm ງ25 mm ງ34 mm
Fig. 20 Influence by the crack width (600 mm 2.0
1.6
ଌஆቫႃԍ/mV 0.4
length, 20 mm depth) 1.2
0.8
3.0 -0.4 0
2.5
ଌஆቫႃԍࣨϙ/mV 2.0 2.36 2.28 2.3 2.3 2.34 2.4 -1.2 0.00065 0.00075 0.00085 0.00095
-0.8
-1.6
-2.0
1.5
0.00055
௑ᫎ t/s
1.0
0.5
响 (5 kHz)
0 图 22 裂缝长 600 mm、宽 30 mm 工况下深度的影
௄ᜈᎋ ॺ10 mm ॺ30 mm ॺ50 mm ॺ100 mm ॺ150 mm
Fig. 22 Influence by the crack depth (600 mm
图 21 裂缝长 600 mm、深 20 mm 工况下幅值随宽
length, 30 mm width, 5 kHz)
度的变化
1.0
Fig. 21 Amplitude change with the crack depth
(600 mm length, 20 mm depth) 0.8
为找出接收端电压幅值随裂缝宽度变化的原 ଌஆቫႃԍࣨϙ/mV 0.6 0.9 0.9 0.9 0.9
因，在第一个对照组中，在靠近接收端 PZT 的裂 0.4 0.85
缝断面外侧增设了 1 片 PZT。结果显示，当裂缝宽 0.2
0
度在 10 ∼ 70 mm 范围内时，所增设 PZT 片的信号 ௄ᜈᎋ ງ10 mm ງ15 mm ງ25 mm ງ34 mm
幅值小于裂缝宽度在 85 ∼ 150 mm范围时的信号幅 图 23 裂缝长 600 mm、宽 30 mm 工况下幅值随深
值，即意味着裂缝宽度较小时的反射波能量大于裂 度的变化 (5 kHz)
缝宽度较大时，这也就解释了裂缝宽度在达到一定 Fig. 23 Amplitude change with the crack depth
值后，接收端电压信号幅值出现了不降反增的原因。 (600 mm length, 30 mm width, 5 kHz)
根据图 22 ∼ 23，采用 5 kHz 进行深度组监测效
虽然一般研究中所讨论的裂缝宽度是 0.5 ∼
1.5 mm，而本文中讨论的裂缝宽度较长，在实际工 果不佳，不同工况之间的波形图几乎重合，没有明显
程中对应的是砂浆保护层的块状剥落，涉及遭受锈 的变化，并且波形图不稳定存在畸变，说明这种情况
蚀的预应力钢丝的数量 (预应力钢丝是按照固定螺 下 5 kHz 的监测效果不如 10 kHz，且此时 1.2 m 也
距进行缠绕)，也同样具有研究意义。 并不是 5 kHz 对应的最佳距离 (波形存在畸变)。分