Page 131 - 《应用声学》2022年第1期

第 41 卷 第 1 期 沙正骁等： 应用超声干涉特征识别微小缺陷 127

2.0 于微小缺陷产生的散射波与入射波相位相反，因此，
1.5
散射波会与入射波产生干涉相消现象，具体过程如
1.0
图4(b) ∼ (d)中红色方框内所示。
ࣨϙ/(10 2 mm) -0.5 0 波尾部波列产生了畸变，因此可以通过入射波的
0.5
由于散射波对入射波尾部的干涉现象，入射

尾部波列来表征散射波与入射波的干涉情况。此
-1.0
-1.5 外，对比图 4(c) 和图 4(d) 可看出，随着声波传播
-2.0 距离增大，声波能量持续衰减，干涉作用效果减
-2.5 弱。各试样在一维截线处接收的信号时域波形
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
௑ᫎ/ms 如图5所示。
图 3 激励信号图 图5(a)为16 µs内接收到的完整波形图，图 5(b)
为接收到的底波尾部波列 (图 5(a) 中黑色框线框选
Fig. 3 Excitation signal diagram
中位置) 的波形放大图。由图 5(b) 中可看出，无缺
对于厚度为 40 mm的铝合金试样，超声波在介 陷试样底波尾部波形较为平滑，而另外 3 种缺陷试
质中的往返时间约为12.7 µs。为了获得完整底波信 样的底波尾波受散射波干涉的影响，尾部波列的波
息，设置求解时间为16 µs。在距试样上表面0.5 mm 峰幅值都发生了变化。通过对图 5(b) 中框选的波
处设置一维截线，用于超声信号接收。 形进行分析，得到在 t = 13.6 µs 时，1 号试样接收
2.2 仿真结果 到的底波尾部波峰幅值为 157.4 µm；而 2 号、3 号、
根据上文中参数进行有限元仿真，获得的瞬态 4 号有缺陷试样接收到的底波尾部波峰幅值依次降
应力云图如图 4 所示。图中色标表示介质中不同位 低 0.42 µm、1.25 µm、3.14 µm。这一结果表明，散
置处的声波能量，显然，由多条红绿色长带构成的条 射波干涉作用会引起底波尾部波列幅值变化，且变
纹是超声脉冲信号。 化幅度与缺陷尺寸相关，缺陷尺寸越大，幅值变化
图 4 中的 4 幅图分别描绘了超声脉冲信号在传 越大。
播至ϕ0.1 mm微小缺陷前后的声场分布情况。可以 仿真结果表明，超声波经过微小缺陷时会发
看出，入射波传播至 ϕ0.1 mm 缺陷时，大部分波绕 生散射波与入射波的干涉现象，导致底波尾部波
过微小缺陷继续向前传播。同时，由惠更斯-菲涅耳 列幅值降低，说明以底波尾部波列作为特征参
原理可知，入射波作用于微小缺陷上，使其成为了一 量对材料内部存在的微小缺陷进行成像识别是
个二级声源，产生了向四周传播的球面散射波。由 可行的。

2
2
ࣨϙ/(10 mm) ࣨϙ/(10 mm) ࣨϙ/(10 mm) ࣨϙ/(10 mm)
2
2
1.4 1.4 1.4 1.4
1.2 1.2 1.2 1.2
1.0 1.0 1.0 1.0
0.8 0.8 0.8 0.8
0.6 0.6 0.6 0.6
0.4 0.4 0.4 0.4

0.2 0.2 0.2 0.2

(a) ፃ᣿ᎥᬞҒ (b) नݽፃ᣿Ꭵᬞ (c) नݽሏनᎥᬞ (d) ሏनᎥᬞՑ
图 4 2 号试样内部瞬态应力图
Fig. 4 Internal transient stress diagram of No.2 sample