Page 55 - 《应用声学》2023年第4期
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第 42 卷 第 4 期              王畅等: 弯管缺陷尺寸与位置对超声波传播特性影响                                          717


             性大于其他三侧。其中,椭圆形冲蚀缺陷面积增加                            的超声波在传播过程中,超声波首次到达椭圆形冲
             但深度不变的情况下,接收端上侧PZT 的时域信号                          蚀缺陷的传播距离更远,且反射超声波再次到椭圆
             能量与缺陷深度之间呈现出单调递减的趋势;椭圆                            形冲蚀缺陷的传播距离更远,能量消耗增加,接收
             形冲蚀缺陷面积不变、深度增加与椭圆形冲蚀缺陷                            端上侧 PZT 的时域信号能量减小;但是,当椭圆形
             面积和深度都增加的情况下,接收端上侧 PZT 的                          冲蚀缺陷与接收端上侧 PZT 测量点之间的距离较
             时域信号能量均先呈现出减小趋势,但当缺陷深度                            近,外拱背角度 ψ 从 25 减小到 15 ,椭圆形冲蚀缺
                                                                                    ◦
                                                                                              ◦
             达到 6 mm,接收端上侧 PZT 的时域信号能量再呈                       陷造成缺陷处局部壁厚小于弯管壁厚,局部振动加
             现出增加的趋势。此外,从图 8 还可以看出,左右                          剧有利于超声波传播,导致上侧PZT时域信号能量
             侧 PZT 的时域信号能量数值相近,关系曲线近似                          增加。但是依然观察到左右侧 PZT 的时域信号能
             重合。图8(a) 与图8(c) 中,上侧PZT时域信号能量                     量数值相近,关系曲线近似重合。
             在椭圆形冲蚀缺陷深度达到 6 mm 时出现增加的现
             象,是因为缺陷位置处的局部壁厚小于弯管壁厚,使                               0.50                                 ʽΟ
                                                                                                        ʾΟ
             局部振动加剧,有利于超声波传播。图 8(b) 缺陷深                            0.40    0.10                         ࢻΟ
                                                                                                        ԿΟ
             度不变且深度为 5 mm,因此上侧 PZT 的时域信号                                   0.08
             能量并没有出现随着椭圆形冲蚀缺陷的面积增加                                ଌஆቫPZT௑۫ηՂᑟ᧚ E⊳↼10 -3  V 2 ↽  0.30  0.06
             而增加的现象,而是始终呈现出减小的趋势。                                  0.20    0.04
                                                                           0.02
             3.2 相同几何尺寸的椭圆形冲蚀缺陷位于弯管位                               0.10       0  5  10  15  20  25  30
                  置不同对超声波传播的影响                                        0  0    5    10    15   20    25   30
                                                                                        θ/(O)
                 通过超声数值模拟,研究相同几何尺寸的椭
                                                                             (a) Ꭵᬞͯ̆ψ=20O˅0O < θ < 30O௑
             圆形冲蚀缺陷 (25 mm × 35mm × 5 mm) 位于弯
             管不同位置对接收端 4 片 PZT 时域信号能量的影                            0.91                               ʽΟ
             响,在弯管上实现椭圆形冲蚀缺陷位置的定位。                                 0.78                               ʾΟ
                                                                                                      ࢻΟ
             缺陷位于弯管以下位置:ψ = 20 且 θ 取值范围为                           0.65                               ԿΟ
                                           ◦
             0 ∼ 30 ,每间隔 2.5 取一个值;θ = 0 且 ψ 取值                     0.52
                                                 ◦
                                ◦
              ◦
                    ◦
             范围为 15 ∼ 45 ,每间隔 2.5 取一个值。根据数                        ଌஆቫPZT௑۫ηՂᑟ᧚ E⊳↼10 -3  V 2 ↽  0.39  0.104
                     ◦
                                        ◦
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             值模拟,通过 PZT 得到接收端时域信号,并计算出                             0.26               0.052
                                                                                      0.026
             椭圆形冲蚀缺陷位于弯管不同位置时接收端 4 个                               0.13                 15  20  25  30  35  40  45
             PZT 时域信号能量,得到接收端4 个PZT 时域信号                          -0.05 0  15  20  25    30   35   40    45
             能量与椭圆形冲蚀缺陷位置 (θ 与 ψ) 之间的关系曲                                                ψ/(O)
             线,如图9所示。                                                        (b) Ꭵᬞͯ̆θ=0O˅15O < ψ < 45O௑
                 由图 9 可知,上侧 PZT 的时域信号能量数值及                      图 9  缺陷位置与接收端 PZT 时域信号能量之间的关系
             变化范围远大于其他三侧 PZT 的时域信号能量数                           Fig. 9 Relationship between defect location and PZT
                                                                time domain signal energy at the receiving end
             值及变化范围,因此上侧 PZT 的时域信号能量的敏
             感性大于其他三侧,与研究椭圆形冲蚀缺陷的几何                                此外,图 9(a) 表明缺陷位于弯管 ψ = 20 且随
                                                                                                       ◦
             尺寸变化对接收端 PZT 时域信号能量数值影响规                          着圆心角 θ 变化时,左侧与右侧 PZT 之间的时域信
             律一致。                                              号能量数值出现明显差异。因此,左侧与右侧 PZT
                 图 9(b) 说明缺陷圆周角 θ = 0 且随着缺陷靠                   的时域信号能量之间的差异主要源于 θ 的变化,本
                                            ◦
             近接收端,外拱背角度 ψ 减小,上侧 PZT 的时域信                       文通过相同时间处左侧 PZT 减去右侧 PZT 的电压
             号能量呈现出先减小后增加的趋势。缺陷位于弯管                            幅值,初步得到θ 对左侧PZT与右侧PZT电压幅值
             圆周角θ = 0 且外拱背角度ψ 从45 减小到25 ,靠                     之间的差异程度,如图10(a)所示。
                        ◦
                                                      ◦
                                            ◦
             近接收端时上侧 PZT 接收到的时域信号能量减小:                             根据图10(a)可以看出,随着θ 增大且椭圆形冲
             椭圆形冲蚀缺陷靠近接收端相比缺陷远离接收端                             蚀缺陷位于弯管 ψ = 20 时,左侧与右侧 PZT 采集
                                                                                     ◦
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