声表面波在圆弧处反射及透射的数值研究(3)
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【摘要】λ时,反射表面波的能量随着圆弧半径的增大不断减小,透射表面波的能量随着圆弧半径的增大不断增大,两种情况所观察到的现象是一致的。 图8展示了
图8展示了圆弧半径分别取0 μm、200 μm、400 μm、600 μm、800 μm和1000 μm时,表面波(此时一个表面波中心波长在430 μm 左右)在圆弧处的位移图像。从图8中可以更加直观地看出,当圆弧半径小于一个表面波中心波长时,表面波在圆弧过渡面是以反射与模式转换为主;当圆弧半径大于一个中心表面波波长时,随着半径不断增大,反射回来的表面波能量不断减少,此时表面波在圆弧过渡面是以透射为主。
图6 观测点Re2 处的反射表面波与Re5 处的透射表面波位移幅值图Fig.6 The displacement of reflected and transmitted SAW at observing point of Re2 and Re5
图7 观测点Re2 处的RTP 位移波形图Fig.7 RTP displacement waveforms at observing point of Re2
图8 圆弧过渡面处的声场图(t=3 μs)Fig.8 Sound field at the transition surface of the circular arcs(t=3 μs)
下面模拟研究激光激发声表面波和表面圆弧凹痕作用后产生的反射波场和透射波场。在上表面引入半径为r的圆弧形凹痕缺陷,激光激发点距离左侧边界11 mm,分别在凹痕左右两侧4 mm 和1 mm 处设置两个观测点Re7与Re8。平面左侧、右侧和下侧均采用CINPE4 平面无限单元作为吸收边界,以消除声波到达边界时发生反射对原有波形信号造成干扰,如图9(a)所示。
图9 含有圆弧形缺陷与激光激发表面波作用的有限元模型Fig.9 Finite element model of the interaction of the LESAW with the arc defect
图10 反射表面波和透射表面波信号Fig.10 The signal of reflected and transmitted Rayleigh wave
取激光脉冲上升时间为10 ns,圆弧半径等于400μm。图10(a)与图10(b)分别展示了观测点Re7接收到的掠面纵波(P)、掠面横波(S)、直达表面波(P)和反射表面波(RR)出现的时刻;以及观测点Re8接收到的透射纵波(TL)、透射横波(TS)和透射表面波(TR)出现的时刻。通过改变圆弧半径的大小,对观测点Re7 接收到的反射表面波信号与Re8接收到的透射表面波信号进行详细分析。发现当r <0.5λ时,随着圆弧半径的增加,反射表面波的能量是不断增大的;当r >λ时,随着圆弧半径的增加,反射表面波的能量是不断减少的,如图10(c)所示,说明此时表面波是以透射为主的,这一结论与前文的研究结果是一致的。
若将激光源与观测点Re8 的水平距离设为L,如图9(b)所示。根据透射表面波出现的时刻t,估算圆弧凹痕的半径r′:
式(6)中,L(单位:mm)代表从激光源处至观测点Re8的水平距离,t(单位:μs)代表透射表面波的到达时间,r′(单位:mm)代表圆弧的估算半径,v(单位:km/s)代表表面波在材料中的传播速度。
将圆弧实际半径和估算半径之间的相对误差(|r ?r′|/r)与圆弧实际半径的拟合结果绘制在图10(d)中。发现当r < λ时,二者之间的相对误差较大,考虑原因是此时直达表面波在圆弧过渡面处会发生反射和波形转化的现象,情况相比于曲率半径大于一个表面波中心波长时要复杂得多;当r > λ时,实际值与估算值之间的相对误差控制在2%以内,说明此时直达表面波在圆弧过渡面处是以透射为主的。这与文献[9]中提及到的利用反射表面波信号与透射表面波信号定量检测表面矩形裂纹深度的结论恰恰相反。原因在于声表面波的能量主要集中于表面以下一至两个波长量级深度范围内,随着矩形裂纹深度(h)增加,表面波被裂痕阻挡发生反射的能量逐渐增多,而绕过裂痕继续向前传播的能量逐渐减少;但是对于圆弧形凹痕而言,随着圆弧半径的增大,即裂痕深度(h=2r)越深,反射回去的表面波能量越少,沿着凹痕绕行而过的表面波能量越多。因此,对于较深裂痕的情形,根据透射表面波信号到达的时间,利用公式(6)可以实现对弧形缺陷形状和大小较为精确的测量。这也说明了利用表面波在边缘处的传播性能对材料进行健康检测时,圆弧形凹痕和矩形凹痕在检测方法上存在的区别。
文章来源:《反射疗法与康复医学》 网址: http://www.fslfykfyx.cn/qikandaodu/2021/0726/544.html