沥青路面中入射频率对超声波传播衰减的影响

李树伟 [1], 章天杰 [1], 顾兴宇 [1],
[1] 交通学院,东南大学,南京,江苏
Published in 2018

超声波无损检测是一种相对成熟的技术,具有快捷、准确、高效等优势,广泛应用于医疗、制造、建筑等行业。在道路检测领域,由于沥青路面材料的复杂特性,特别是粘弹性,限制了超声波无损检测的大规模商用。同时,考虑到粘弹性介质对频率敏感度很高,入射频率的合适与否直接决定了超声波检测的效果。因此,本文以入射频率为变量,探究其对超声波在沥青路面中传播衰减的影响。 建立二维模型,主体分为沥青路面结构和压电换能器两部分,属于声学、电学与力学的多物理场耦合。沥青路面结构部分使用“固体力学”模块,根据实际情况,结构分为三层并分别定义材料参数,同时用Kelvin-Voigt模型表征其粘弹性;压电换能器部分使用“压力声学”,电信号采用汉宁窗调制的正弦函数,并通过“特征频率”研究确定共振频率。不断调整入射频率的参数,建立入射波和接收波的振幅、频谱与入射频率、传播距离之间的定性定量关系,探究超声波能量衰减的规律,为路面实际检测选择合适的电信号频率提供参考依据。 计算结果表明,振幅和频谱均能较好地表征超声波能量的大小,相关性较高;当入射频率一定时,随着传播距离增大,振幅与频谱均呈现指数型减小,衰减率呈现指数型增大;在低频率段(≤200kHz),当传播距离一定时,随着入射频率增大,振幅与频率的衰减率逐渐增大,但幅度较小。

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