Page 55 - 《应用声学》2023年第4期

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
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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
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0 ∼ 30 ，每间隔 2.5 取一个值；θ = 0 且 ψ 取值 0.52
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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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◦
0.078
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
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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
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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。
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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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