Page 63 - 《应用声学》2022年第4期

第 41 卷 第 4 期 王松浩等： 超声导波管道缺陷定位方法研究 561

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图 1 几何模型图
Fig. 1 Geometric model diagram
频散和多模态是管道中导波最重要的两个特 速度v 1 为5313.5 m/s。
性。频散特性指波的传播速度随频率的变化而变 激励换能器放置在管道最左端，接收换能器
化。多模态特性指在一定频率下可以存在多个模 阵列 1、接收换能器阵列 2 分别距离激励换能器
态的导波。根据管道中质点的运动特点可分为 [21] 900 mm、1150 mm。接收换能器阵列为20个沿圆周

纵向导波模态：L(0, m)(m = 1, 2, 3, · · · )；扭转导 均布的探头，探头周向上的宽度 l 1 = 10 mm，相互
波模态：T(0, m)(m = 1, 2, 3, · · · )；弯曲导波模态： 之间的周向间距 l 2 = 7.9 mm，其中编号 18、19、20
F(n, m)(n = 1, 2, 3, · · · ；m = 1, 2, 3, · · · )。其中，n 的3个点正对缺陷，如图3所示。
为周向阶数，m 为模数。纵向导波和扭转导波为轴
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对称模态，弯曲导波为非轴对称模态。本文选取 L(0,2)
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140 kHz 的 L(0,2) 模态，出于以下 3 个方面的考虑：
一是利用电磁声换能器激发 L(0,2) 模态比较容易 4
实现；二是从图 2 所示的 L 模态的频散曲线可以看 Ꮖᤴए/(kmSs -1 ) 3 L(0,1)
出，在 30∼200 kHz 范围内，L(0,2) 模态的速度变化
较小，不会因为管道壁厚减薄等引起频散而导致速 2
度变化过大；三是利用电磁声换能器激发导波时， 1
换能器的激励频率会影响导波激发的模态，为了避
0
免同时激发出 L(0,1) 和 L(0,2) 模态的导波，需要根 0 50 100 150 200 250 300 350
ᮠဋ/kHz
据换能器和管道壁厚进行频率选择。通过仿真和
实验研究，发现激励频率为 140 kHz 时，本文电磁 图 2 纵向导波群速度频散曲线
声换能器在激发 L(0,2) 模态导波时，可将 L(0,1) 模 Fig. 2 Longitudinal guided wave group velocity
dispersion curve
态抑制到较低水平。使L(0,1) 模态导波幅值小于噪
声，几乎观察不到，从而达到在所采用管道中激发出 激励信号为汉宁窗调制的 5 周期正弦信号，其
单个 L(0,2) 模态的效果 [22−24] 。因此，选用频率为 表达式为
140 kHz 的 L(0,2) 模态导波。据材料属性及管道尺 [ ( 2πft )]
I = A sin(2πft) 1 − cos , (9)
寸绘制出如图 2 所示低频区域的频散曲线，激发频 5
率为 140 kHz 的 L(0,2) 模态纵向导波，相对应的群 式(9)中，A为幅值，f 为导波频率，取140 kHz。

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2 2
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13 13
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16 16
17 17
18 18
19 19
20 20
900 130 120
1900
图 3 换能器设置图 (单位：mm)
Fig. 3 Transducer setup diagram (unit: mm)