Page 39 - 无损检测2022年第九期

肖生玉,等:
裂缝深度检测的超声波首波相位反转机理分析

应, 可以明显看到正波转变为负波; 首波的正负波振 侧, 固 定 发 射 超 声 换 能 器 与 裂 缝 的 中 心 距 离 为

的 增 加 而 呈 现 先 减 小 后 增 大 的 变 化 特 100mm , 沿着所绘测点等距移动接收超声换能器并
幅均 随 L r
处, 对应的衍射相 采集信号。采集首个测点( L r=40 mm ) 的超声信

征, 趋势变化转折点也在 L r= L r0
位反转角γ 0 ≈48.8° 。 号时, 调大超声仪的增益至首波振幅占满超声仪可
综上, 有限元数值模拟与理论分析的结论一致, 视区( 衡量声波振幅的纵向尺度) 的 80% 左右, 以便
这说明首波相位反转法中的相位反转现象是衍射纵 于观察首波特征, 之后保持增益不变。首个测点的
波存在衍射相位反转角所致。另需说明, 在材料参 超声信号如图 11 所示, 可以明显观察出首波特征,
数相同的情况下, 因为在理论分析中假设了平面波 尽管后续的各波振幅超出了可视区范围, 但不影响
入射、 半无限长裂缝等简化条件, 所以理论分析推导 首波的特征分析。
出的衍射相位反转角θ 0=35° , 不等于有限元数值模
拟出的衍射相位反转角 γ 0 ≈48.8° , 但这并不影响
相位反转成因的解释。
这也纠正了童年等 [ 15 ] 学者的研究结果: 当裂缝
中含有水时, 首波相位反转现象会消失, 考虑到水中
不能传递横波, 由此推断相位反转是在特定几何区
域内, 衍射横波先于衍射纵波到达混凝土表面所致。
这是对试验现象的误判。
图 11 首个测点的超声信号
对应的首波信号如图 12 所示, 由图分
不同 L r
析可 知: 存 在 一 个 首 波 相 位 反 转 的 临 界 点 对 应
L r0=80mm , 在 该 临 界 点 附 近 首 波 由 正 波 变 为 负

的增加呈现先减小后增大的
波; 首波的振幅随 L r
处;
变化特征, 趋势变化转折点同样发生在 L r=L r0
首波相位反转临界点的理论预测值为 84mm , 与试

验结果近乎一致, 在正常的误差范畴内。这与有限
图 9 各观测点的首波响应 元数值模拟及理论分析的结论一致, 由此, 首波相位
4 试验验证

素混凝土试块按照 C30 标准浇筑( 见图 10 ), 尺

寸为 500 mm×200 mm×200 mm ( 长 × 宽 × 高),
涂抹了润滑油的 0.4 mm 厚的铁皮用于制作裂缝,

裂缝的设计深度为 70mm , 检测面上绘制了多个间

距为 10mm 的测点。采用商用超声仪进行试验, 激
励电压为 1000V , 采样频率为 2MHz , 配备直径为

36mm 的 50kHz收发超声换能器。选用凡士林作

为耦合剂, 将收发超声换能器非对称布置于裂缝两

图 10 混凝土试块结构示意 图 12 不同 L r 对应的首波信号

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2022 年 第 44 卷 第 9 期
无损检测