宽波束超声波流量计Lamb波发射技术研究

    0　引　言

    宽波束超声波流量计在一定条件下可使探头在管道上激发出Lamb波,这种超声波能够在沿着管道轴向传播的同时向对面管道发射能量,使得接收换能器在管道轴向很长范围内都能接收到信号,克服了窄波束发射、安装、寻找信号困难的缺点,极大改善了夹装式超声波流量计性能.

    当管壁和声楔接触面积很小,接触面近似于平面时,可以把管壁中传播声能量的部分作为平面薄板来分析.对于Lamb波用于管道流量测量的情况,田晖等曾经有文章讨论过^[1],但其前提是把管壁看成单层媒质,置于真空中而且具有理想界面,即与经典Lamb波的条件是一样的.但是本文认为这种假设不适用于管道流量测量的情况,应该把管壁-流体-管壁组成的系统看成是一种特殊的多层复合媒质.

    对于一般的多层复合媒质中Lamb波、类Lamb波在各种条件下的传播,已有较多的研究,如文献^[2]对这种媒质运用准弹簧模型和微扰近似方法分析了其Lamb波的传播特性,这些方法适用于无损探伤时中间层很薄(mm级)的情况,而管道直径通常为几十cm甚至上百cm,因而上述方法不完全适用于管道流量计Lamb波发射的分析.另外大多文献都是讨论超声无头无尾传播的情形^[3～5],而实际工程中通常采用换能器斜入射的方式来激发Lamb波,波形的起始端部分才是有效的测量信号,因此在分析管道流量计Lamb波的传播特性时,本文除考虑边界条件外,还着重分析声波起始端的传播特性.

    1　宽波束超声波流量计的声路模型分析

    直观上讲,Lamb波是由相对于z轴斜向运行的P波和SV波两个分量组成,如图1所示.一般情况下P波和SV波会分别被反射成P波和SV波,当满足一定条件时,这些反射波的波矢量沿z向的分量kz相等,即相互耦合,就能产生以传播常数kz沿z轴传播的行波,而在平行于x轴的方向上,P波和SV波合成共振的驻波.根据这一基本理论,建立宽波束超声波流量计声路模型如图2所示,其中上下两管壁中传播的是Lamb波,P波分量没有画出^[6].图中,设超声波入射角、在管壁和流体中的折射角分别为θ、α和β,d为管壁厚度,h为管道直径,D为产生Lamb波所需的声楔截面直径,S为接收换能器能够接收到信号的滑动范围.并设声楔中的声速为c,管壁中横波和纵波声速分别为c_s、c_l,流体中声速为c_t.

    和窄波束超声波类似,选择适当的入射角,使纵波探头在管道中折射出横波,横波在管壁内侧管壁-流体界面发生波形转换时,折射波只能是纵波,反射波可以是横波和纵波.根据入射角选择的不同,折射纵波沿管径方向的波矢量可以为虚数;在管壁外侧,即管壁与空气的分界面上只有反射没有折射,这样管壁中就能形成沿轴向传播的行波.流体中的纵波传播到对面管壁,也同时发生折射和反射,根据声路的可逆性,上下管壁的波形是类似的,只是有个相位差.流体中在下管壁内侧反射的纵波与上管壁内侧的入射波相叠加也形成沿轴向传播的行波.