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
