Page 50 - 《应用声学》2023年第4期
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                                                               形成一个次级声源         [16] ,并将部分声能转换为散射声
             1 理论分析
                                                               能向四周辐射。散射声波的能量与障碍物的物理性
                                                               质及结构形状等有关。
                 超声波在传播路径上遇到各种障碍物或边界
             时,会在障碍物处产生反射和透射                [14] 。利用超声波        1.3  缺陷的位置对超声波传播衰减的影响
             遇到障碍物产生折射现象与反射现象导致超声波                                 本文使用 ψ 和θ 描述椭圆形冲蚀缺陷在弯管上
             能量变化这一传播特性,以超声波能量为特征参量,                           的具体位置,ψ 表示椭圆形冲蚀缺陷在弯管外拱背
             评估弯管缺陷几何尺寸变化             [15]  和缺陷位置   [16] 。     上的角度,θ 表示椭圆形冲蚀缺陷在弯管圆周方向
                                                               上的角度,如图2所示。
             1.1 超声波的传播衰减

                 超声波能量随着传播距离的增大逐渐减弱,称                                                        A-A
             为扩散衰减     [17] ,其与波阵面的几何形状与传播距离                      ψ=90°                   θ=0°
                                                                                               θ
             有关,与传播介质无关。吸收衰减由超声波在介质                                            Ꭵ
                                                                               ᬞ  A A
             中传播引起介质热传导和质点间内摩擦(即黏滞性)
                                                                                                      θ=90°
                                                                                  ψ
             导致能量减弱。超声波在传播过程中,遇到不同声
                                                                 A A
             阻抗介质组成的界面时,发生散射 (反射、折射或波                                         ψ=0°
             型转换)。材料中的气孔、杂质、粗晶、多晶体的晶界                             (a) ᎥᬞᣉՔͯᎶଡᤘ(ψ)       (b) ᎥᬞևՔͯᎶଡᤘ(θ)
             等,均会引起超声波散射           [18−19] 。因此,以超声波衰
                                                                  图 2  椭圆形冲蚀缺陷在弯管上具体位置的描述方法
             减程度不同,研究弯管椭圆形缺陷几何尺寸和位置
                                                                 Fig. 2 Description method of the specific position of
             与接收端时域信号能量之间的关系,实现对弯管椭
                                                                 oval erosion defect on the elbow
             圆形缺陷几何尺寸大小和位置变化的评估。
                                                               1.3.1 外拱背角度(轴向角度)ψ 变化
             1.2 缺陷的几何尺寸对超声波传播衰减的影响
                                                                   相同几何尺寸缺陷位于弯管不同外拱背角度 ψ
                 通过对相关文献的查阅,可以将冲蚀缺陷的凹                          时,超声波能量衰减主要源于距离产生的扩散衰减。
             坑类型大致分为两类           [20−21] 。第一类为矩形凹坑,            相同几何尺寸缺陷位于弯管外拱背角度 ψ 1 和ψ 2 示
             通常由固体颗粒对接触壁面进行均匀切削而形成;                            意图如图 3 所示。假设弯管外拱背的超声波传播路
             第二类为抛物线凹坑,由流体和固体颗粒的运动方                            径长度为 L,当激发端通过逆压电效应产生超声波,
             向发生改变后冲蚀而形成,凹坑三维形状近似为椭                            缺陷位于弯管外拱背ψ 1 时,超声波首次到达缺陷的

             圆体。图 1 为两种不同凹坑缺陷截面形状示意图。                          传播距离为 ψ 1 × L/90,并在此位置发生反射与透
             矩形凹陷主要分布在直管段,因本文研究对象为弯                            射;缺陷位于弯管外拱背 ψ 2 时,超声波首次到缺陷
             管,所以本文以标准椭圆球为缺陷模型,如后文图 5                          的传播距离为 ψ 2 × L/90,并在此位置发生反射与
             所示。                                               透射。所以,从超声波的传播衰减角度分析,随着缺
                                                               陷位于不同外拱背角度 ψ 时,超声波首次到达缺陷
                                                               的传播距离存在差异,致使超声波在缺陷位置的超
                                                               声波反射与透射出现差异,最终导致在接收端采集
                                                               的时域信号存在不同。
                     (a) ᅾॎᎥᬞ            (b) ೹ړॎᎥᬞ
                                                               1.3.2 圆周角(周向角度)θ 变化
                            图 1  冲蚀缺陷形貌
                                                                   相同几何尺寸的缺陷位于弯管不同 θ 时,超声
                     Fig. 1 Erosion defect morphology
                                                               波能量衰减差异主要源于缺陷位于不同圆周位置,
                 椭圆形冲蚀缺陷位于相同位置时,超声波能量                          左侧 PZT 与右侧 PZT 接收到的超声波反射与透射
             衰减主要源于超声波在传播中遇到障碍物,部分超                            强度存在差异,会存在以下 3 种状态 (图 4):当缺陷
             声波偏离原始传播路径,从障碍物四周散开。当超                            位于 θ = 0 时 (图 4(a)),接收端左侧与右侧的超声
                                                                         ◦
             声波遇到障碍物时,受入射声源的激励,在障碍物处                           波能量一致;当缺陷开始偏向某一侧时,接收端左侧
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