基于频散补偿和分数阶微分的多模式兰姆波分离

由于兰姆波的多模和频散特性,实际检测时在同一激发频率下存在多种模式的混合信号,而各模式信号有不同的频散特性,使得在时频混叠的情况下兰姆波的检测变得十分复杂.本文在频散补偿的基础上,通过时延函数建模,依靠不同模式频散趋势的差异性,将时频混叠信号的分离问题转化为部分模式混叠信号的分离问题.基于分数阶微分的理论,用信号幅值谱分数阶微分极大值和对应频率分别与微分阶次拟合多项式实现特征参数的提取并依靠特征参数重建幅值谱.结合相位谱重构时域信号以实现部分混叠信号中频散补偿后的模式的分离.最后恢复频散获得分离后的兰姆波信号.仿真和实验结果表明,本文方法不仅可以实现时频混叠多模式兰姆波信号的分离,更能保证分离精度,有助于复杂多模式频散信号的分离与处理的进一步研究.     

用分数阶微分实现时频重叠多模式兰姆波的模式分离

为了分离时频重叠多模式超声兰姆波,提出了一种用分数阶微分理论实现多模式兰姆波模式分离的方法。以时频重叠的S1和A1模式混合信号为例,用赛利斯分布作为幅值谱的模型,首先对信号做频散补偿,由补偿后信号幅值谱分数阶微分推导了幅值谱特征参数的计算式并根据信号模型重建幅值谱,然后结合兰姆波的频散特性推导出对应的相位谱,并通过幅值谱和相位谱重构各模式的信号,实现模式分离。对1 mm钢板中仿真时频重叠的S₁和A₁模式信号分离结果显示分离出信号的幅值和带宽相对误差小于6%,中心频率相对误差小于0.25%。实验结果也证实了方法的可行性。因此当混合信号幅值谱不完全交叠时,本方法可以实现多模式兰姆波信号的分离,有助于多模式兰姆波频散信号的分析和识别。      

小波时-频变换的高强钢丝弹性波传播模态分析

超声导波是近年来桥梁拉索无损检测研究的重要方法之一。针对弹性波在高强钢丝介质中传播的多模态频散问题,采用单点时域波形的小波时频变换进行混叠信号的模态识别分离。通过数值求解Pochhammer频率超越方程,计算得到0~1.5 MHz范围内纵向导波模态理论频散曲线;采用有限元模拟半波正弦脉冲激励导波在钢丝中传播过程,由小波时-频变换得到导波模态分布,并进行了不同腐蚀程度钢丝实验对比分析。结果表明,经小波时-频变换得到的第1、2、3阶纵向导波模态与理论值对应吻合,单点时域波形的小波时-频变换结果能够有效识别高强钢丝中的导波模态;钢丝在无腐蚀状态下,一阶纵向导波模态能量占比达57.74%,随腐蚀程度增加,能量更为集中到一阶纵波模态,二阶模态能量逐渐减小。     

板状结构Lamb波频散补偿与聚焦接收成像检测

对板状结构中Lamb波的频散和多模现象进行了理论分析,采用有限元仿真方法获取了Lamb波与缺陷作用后的回波信号,对信号进行聚焦接收处理,即在一定距离范围内利用导波频散特性对各个模式信号进行频散补偿,提取补偿后信号的幅值,结果表明当所得信号幅值最大时,所对应的补偿距离等于缺陷与换能器之间的实际距离.利用这一结论,提出了以...     

套管井超声导波成像系统开发与工程应用研究*

针对现有套管井检测与评价技术存在的缺陷,开展了进一步的导波成像方法与技术开发研究。对套管壁A0导波模式频散与泄漏衰减特性,以及泄漏衰减特性与管外粘结材料特性阻抗的关系进行了分析。在此基础上进行了不同粘结载荷钢板模型A0模泄漏衰减等特性以及脉冲回波厚度共振波特性的实验测试。结果显示,结合A0模式的衰减与管外粘结材料特性阻抗的测试结果,可有效定征管外粘结材料特性,进一步确定和成像管外环形空间水力联通特性。以此为基础,开发了耐温和耐压宽带超声换能器,以及检测与成像系统。通过模型井和实际井的测试,获得良好效果。     

管间界面特性对周向超声导波传播特性的影响

采用界面弹簧模型对圆管结构的管间界面特性进行描述, 推导出含弱界面的圆管结构中声波沿周向传播时的位移场及应力场的数学表达式. 在此基础上采用导波的模式展开分析方法, 给出了与管间界面特性及激励源密切相关的周向超声导波模式展开系数的解析表达式. 数值分析了管间界面特性的变化对周向超声导波的频散和声场产生的影响. 理论与数值分析结果表明, 通过选择适当的驱动频率及周向导波模式, 可使周向超声导波的相速度及圆管外表面的位移场随管间界面特性的变化表现出非常敏感且单调的性质. 这一结果有助于采用周向超声导波方法准确定征圆管结构的管间界面特性.     

被孔隙介质约束的弹性杆中的导波*

为了研究导波在被孔隙介质约束的弹性杆结构中的传播规律,分析孔隙参数对导波传播特性的影响,本文建立了无限大孔隙介质包裹圆柱体的理论模型,利用孔隙介质弹性波动理论,分析了导波的频散曲线,以及圆柱半径和孔隙参数对于导波传播特性的影响。结果表明,在该结构中传播的纵向导波存在频散特性。内部圆柱半径的改变影响波导结构,从而影响导波传播。外部孔隙介质的渗透率对于导波频散的影响较小,孔隙度的改变影响孔隙介质体波波速,从而影响导波频散曲线的截止频率。同时,导波存在较小的衰减,且衰减随孔隙度增大而增大。这些结果对于后续开展无限大介质包裹弹性杆结构的超声无损评价提供了一定的理论参考。     

圆管超声导波频散与多模态特性研究*

超声导波检测技术作为一种新兴的无损检测技术广泛应用于圆管类结构。为选择合适于不同缺陷检测的导波模态,推导分析了圆管导波传播的运动方程和频散方程;利用数值计算的方法得到了超声导波在圆管中传播的频散曲线和各模态沿壁厚方向的位移分布图,分析得出各个模态对不同缺陷的敏感程度;以一种特定的圆管为例,建立圆管缺陷有限元模型,对不同类型圆管缺陷对导波传播特性的影响进行仿真计算。结果表明,纵向模态对周向缺陷比较敏感,而扭转模态则对轴向缺陷更敏感,仿真结果与理论分析结果相吻合,为圆管缺陷检测的超声导波模态选择提供了理论依据。     

固体火箭发动机多层结构壳体的导波频散特性分析

利用导波对固体火箭发动机的多层结构壳体进行检测是一种很有前景的无损检测方法。本文应用全局矩阵法,推导了多层结构壳体的导波频散方程,并分别针对固体火箭发动机4种不同层数的壳体导波频散曲线进行了求解,发现当结构层数和第一层厚度增加时,各模式曲线的间隔缩小,曲线数目增加,并有向零频方向靠拢的趋势。同时研究了粘接质量变化对频散特征的影响,随着胶层质量相对变差,频散曲线总体向低频漂移。     

矩形截面固体波导中弹性导波模式的板波叠加解

参照板中兰姆波模式的子波叠加解求解了矩形截面固体波导中弹性导波的模式。其中子波设定为横向满足自由边界反射条件、纵向波数分量相同的各板波模式。假设声场的完备性,利用子波模式的正交性,结合矩形截面的几何对称性可以得到4组独立导波特征方程用于频散曲线以及导波模式计算,其计算结果与有限元法计算结果相符。研究以解析模型表明:矩形截面固体波导中的导波是其内部以一定纵向波数分量斜向传播的板波模式在两个自由侧面上经过反复反射与模式转化后,横向耦合谐振而形成的。      

一种电光可调的铌酸锂/钠基表面等离子体定向耦合器

为了满足日益增加的集成光子器件设计的需求,本文研究了一种铌酸锂/钠表面等离子体波导(Li Nb O3/Na surface plasmonic waveguide, LNSPW),并利用LNSPW构成电光可调的定向耦合器(directional coupling,DC).利用有限元方法 (finite element method, FEM)对波导的模式特性和耦合器的耦合特性进行了分析.结果表明,随着波导尺寸的增大,传播长度可达约200μm,归一化有效模场面积小于0.4.通过调节耦合间距(W_gap)、耦合长度(L_C)和工作波长(λ)等参数,铌酸锂钠表面等离子体波导构建的定向耦合结构可实现3 d B耦合.当W_gap=100 nm和L_C=17μm时, DC在V₀=53 V时可实现3 d B耦合,且具有较好的方向性和隔离度.LNSPW的研究为实现可调的DC提供了一种可行的方案,在集成电光可调器件研究领域有潜在的应用前景.除此之外, LNSPW还可广泛应用于非线性光学、光信号处理及光全...     

Nonadiabatic superconductivity in K3C60 and Rb3C60

We discuss the validity of Migdal–Eliashberg theory applied to the superconductor fullerides K₃C₆₀ and Rb₃C₆₀. Recently, the relevant superconductor properties have been measured, like the isotope coefficient, the energy gap and critical temperatures for these compounds and compared with their optical properties. They all present a very disperse band of phonon frequencies, running from very small to very large energies, the latter being close to the Fermi edge. Therefore, these materials exceed the limit of validity of the adiabatic Migdal theorem, measured with a nonadiabatic parameter m=w₀/E_F, where w₀ is a characteristic phonon frequency and E_F=250 meV, the Fermi level. We examine previous theories incorporating vertex corrections into the Eliashberg equations to deal with such a situation. We compare these approaches by calculating the critical temperatures using a multimodal Eliashberg spectral function ²F(w) to study the contribution of the various phononic modes. We arrive at the conclusion that the optical modes, not the intramolecular ones, are among those which maximize T_c independently of including vertex corrections or not. This result goes in the direction to understand why doped fullerides A₃C₆₀ are superconductors.     

0.3 THz TM10, 1, 0模同轴耦合腔链

通过本征方程研究了工作在太赫兹(THz)频段的高次模同轴谐振腔,讨论了TM_{m, 1, 0}模,TM_{m, 2.0}模与TM_{m, 1, 1}模的谐振频率与腔体的几何参数之间的关系,并给出了工作模式的选择依据。在此基础上,提出了一种新型的0.3 THz TM_{10, 1, 0}模同轴耦合腔链,使用等效电路模型和CST-MWS软件对耦合腔链的色散特性、特征阻抗和电场分布等冷腔特性进行了分析和仿真,并着重分析和总结了耦合腔链的几何参数对色散特性和特征阻抗的影响。研究结果表明:对于工作在THz频段的高次模同轴耦合腔链,采用TM_{10, 1, 0}模为工作模式是合理的选择; 工作于2π腔模的0.3 THz TM_{10, 1, 0}模同轴耦合腔链具有较大的特征阻抗,但模式间隔较小,因此可将其应用于窄带太赫兹扩展互作用器件; 增大高次模耦合腔链的耦合槽张角是增大模式间隔的最佳途径。     

准一维Cr基超导体RbCr3As3的超导能隙

RbCr₃As₃是具有[（Cr₃As₃）^-]_∞线性链的准一维超导体,超导转变温度约为6.6 K.对RbCr₃As₃单晶进行了电输运和极低温热输运性质的研究.低温下,拟合了RbCr₃As₃正常态电阻率随温度的变化,发现其满足费米液体行为.通过拟合超导转变温度随磁场的关系,得到RbCr₃As₃单晶的上临界场约为25.6 T.对RbCr₃As₃进行了零场下的极低温热导率测量,得到其剩余线性项为7.5 μW·K^-2·cm^-1,占正常态热导率值的24%.测量不同磁场下RbCr₃As₃的热导率,发现与单带s波超导体相比较,RbCr₃As₃剩余线性项随磁场增加相对较快.这些结果表明RbCr₃As₃单晶很可能是有节点的非常规超导体.     

金属板疲劳损伤非线性兰姆波混频检测

针对金属板结构安全运行需要,开展了金属板结构疲劳损伤非线性兰姆波混频检测方法研究.通过数值仿真,研究了两列A0兰姆波与材料损伤间的非线性相互作用.结果 表明,两列共线A0兰姆波在结构材料损伤处产生单向传播的和频S0波,且和频波幅值随传播距离具有积累增长效应.对不同疲劳程度金属板试件进行了共线混频兰姆波检测实验,结果表明...     

三层介质超声谐振模式随材料和界面粘接性能变化的演变规律

在用超声波谐振对粘接材料的粘接强度进行无损评估时, 不同模式对粘接强度的敏感程度受到众多因素和参数的影响, 对检测结果的可靠性至关重要. 基于多层介质中声传播和界面弱粘接边界条件的理论模型, 将一个上下非对称的金属-粘接剂-金属三层结构的平面波反射系数函数中的谐振模式看作是上下铝金属层各自的Lamb波频散模式通过夹心粘接剂层相互耦合后叠加组成. 改变影响结构粘接强度的因素, 即粘接剂的性能参数(声阻抗、密度、厚度)和界面切向劲度系数k_t来分析三层结构谐振模式耦合方式的变化,得出结论: 粘接结构粘接性能的变化基本上不改变与被粘铝层相关的固有部分的Lamb波模式, 而它们的耦合模式则在谐振频率上产生平移并会与固有模式进行交换和替代; 不同参数的变化引起的模式演变有各自的规律, 大多可彼此区分.     

长骨中振动声激发超声导波的方法

为了实现一定频段内任意低频下在长骨中激励导波信号,本文提出一种采用聚焦高频(5 MHz)超声换能器在长骨皮质骨中激发低频(150 kHz)超声导波的振动声方法.首先介绍了板状超声导波理论和双声束共聚焦法与单声束调幅法激发振动声的基本原理;进而采用三维有限元仿真方法分析振动声激发低频超声导波的基本现象,然后结合牛胫骨板离体实验,验证振动声激发低频超声导波的可行性.结果均表明,双声束共焦与单声束振动超声均可在骨板中激发低频超声导波.相关研究方法有助于提高空间域长骨中超声导波测量精度,以及在一定频段内实现任意频率激励等,对发展低频超声导波在体测量长骨皮质骨的新技术具有一定的指导意义.