Page 38 - 无损检测2022年第九期
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肖生玉,等:
裂缝深度检测的超声波首波相位反转机理分析
观察点到裂纹中心的距离], 裂缝开口中心距离左边
界60cm , Ricker子波距离左边界 25cm , 裂缝右侧
上表面布置有多个观测点, 用于提取入射波经尖端
衍射后的位移波形。
3.2 数值模拟结果与分析
计算带裂缝混凝土的有限元模型, 得到其不同
时刻的声场分布( 见图 8 )。结果表明: 入射波以柱
面波形式向四周传播, 速度最快的纵波传至裂缝左
图 6 各波型的声场分布 端面发生反射和波型转换[ 见图 8 ( a )], 反射波的传
播区域局限在裂缝左侧, 不会影响裂缝右侧的声场
分布; 入射纵波在裂缝尖端发生衍射和波型转换, 衍
射波也以柱面波形式向四周传播[ 见图 8 ( b )], 作为
奇异点的裂缝尖端可等效为次声源, 这与惠更斯原
理 [ 14 ] 吻合; 将混凝土划分为 Ⅰ 、 Ⅱ 、 Ⅲ 、 Ⅳ 等 4 个区
域[ 见图 8 ( c )], Ⅱ 、 Ⅲ 区域内的衍射波与反射波发
生干涉, Ⅳ 区域内的衍射波与入射波发生干涉, 均
使得衍射波成像不纯, 相比之下, Ⅰ 区域内的衍射
图 7 观测点 Re1 、 Re2 、 Re3 处的位移波形
波独立传播, 可 清 晰 甄 别 其 特 征, 即 衍 射 头 波 PH
型的正确性。 连接衍射 横 波 PS 与 衍 射 纵 波 PP , 并 与 衍 射 横 波
为了探究超声波在带裂缝混凝土中的传播特征 PS相切, 衍射表面波 PR 能量微弱表征不明显, 速
和首波相位反转的机理, 在上述有限元模型的基础 度最快的衍 射 纵 波 PP 作 为 首 波 优 先 抵 达 裂 缝 右
为
上 设置深 35cm的表面垂直裂缝[ 见图 5 ( b ), L r 侧混凝土上表面。
图 8 带裂缝混凝土模型不同时刻的声场分布
值得注意的是, Ⅰ 区域内的衍射纵波 PP 在约 作为首波, 从形状上看由一对正负波构成, 这是激励
45° 的方位上存在“ 扭转带”[ 见图 8 ( c ) 中局部放大的 源 Ricker子波带来的波形特征, 不影响对首波相位
A 区域]。过裂缝尖端作辅助角 γ ,其沿顺时针方 反转成因的解释。记观测点到裂缝中心的距离为
向从 0° 增至 90° 的旋转路径上, 衍射纵波 PP 的成像 L r , 图 9 的结果表明: 存在一个首波相位反转的临
呈现出“ 平滑 - 扭转 - 平滑” 的分布特征。 界点对应 L r0=40cm ( L r0 为临界点到裂缝中心的
为明晰原因, 提取了裂缝右侧上表面各观测点 距离), 在 L r=L r0 处首波相位发生反转, 对比该临
的位移波形( 见图 9 )。由图 9 可以看出, 衍射纵波 界点左右两 侧 L r=36 , 43cm 处 观 测 点 的 首 波 响
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2022 年 第 44 卷 第 9 期
无损检测
