基于激光超声临界频率的表面缺陷检测与评价

激光超声能够激发宽频带的表面波,可实现金属材料表面微缺陷的定位分析与深度检测。根据表面波在缺陷处的透射/反射阈值现象,提出了测量表面缺陷深度的临界频率法;基于光弹激发原理搭建了激光超声检测平台,得到了铝合金样品的B扫成像,实现了表面缺陷的定位;结合小波变换分析了表面缺陷的透射与反射波形能量分布,测得透射/反射阈值θ_0=1/4,进而采用临界频率法实现了表面微缺陷的深度估计。此外,还分析了激发点与探测点距离、待测样品材料对透射/反射阈值的影响。结果表明,基于激光超声临界频率法可以实现表面微缺陷的定位及深度检测,且透射/反射阈值大小与表面波传播距离、待测样品材质无关。     

激光超声检测带过渡圆角平板表面缺陷的数值研究

为了研究激光激发出的超声波在带过渡圆角的金属平板上的传播规律和检测表面缺陷的方法，采用有限元法模拟了该类平板中的激光超声现象，分析了表面波在圆角区域的传播规律和与表面缺陷的作用过程。数值结果表明:激光激发出纵波、横波和Rayleigh波等，其中Rayleigh波主要存在于表面mm量级，并且在过渡圆角处发生模式转换生成了直达波R′和模式转换波R_R等多种表面波；经过过渡区域后的声波在表面缺陷处发生了反射和透射现象，通过B扫图可以检测缺陷的位置。随着缺陷深度的增加，表面波的透射系数不断减小，且透射波R_t和R_st存在0.5 μs左右的到达时间差，该时间差与缺陷深度近似成线性正相关。数值结果为激光超声检测带过渡圆角的平板表面缺陷提供了有价值的参考。     

声表面波渡越时间法检测黏弹性介质表面凹痕深度的研究

研究声表面波渡越时间法检测黏弹性介质表面凹痕的深度.基于频域动力学平衡方程,采用有限元方法分别在有表面凹痕的弹性和黏弹性介质中,建立激光激发声表面波的数值模型.研究材料的黏性引起的声表面波波速和频散的变化,对表面凹痕检测的影响,在此基础上,根据反射和透射声表面波的传播路径及到达时间,利用渡越时间法检测黏弹性介质中的表面...     

基于金属圆弧孔阵列强透射的折射率传感特性

提出了一种由左右、上下对称的一大一小圆弧组成的金属圆弧孔阵列结构。利用该结构形成的法布里-珀罗腔来加强表面等离激元的耦合作用,以获得较好的强透射现象;同时研究了基于该现象的折射率传感特性。采用有限时域差分法研究了该孔阵列结构中大小圆弧孔的半径、两圆弧的圆心距和阵列周期对强透射现象的影响。研究发现,当大圆弧半径为95nm、小圆弧半径为70nm、两圆弧的圆心距为100nm、周期为425nm时,该结构具有较好的强透射现象,其灵敏度为279nm/RIU,为下一代高性能微纳米等离子体传感器的设计提供了理论参考。     

二维参与性介质中激光脉冲的瞬态辐射传输研究

本文采用蒙特卡洛法建立了二维参与性介质中超短脉冲激光的瞬态辐射传输概率模型,通过与相关文献计算数据的对比,验证了上述物理模型及数值算法的正确性。同时,讨论了介质侧面交界处反射特性、激光入射半径及脉冲宽度对不同探测位置处透射反射信号强度及时域分布的影响,探讨入射脉冲宽度和激光传输特征时间对透射反射信号时间展宽特性的关联性,为激光主动探测过程中摄像机选通门开启时刻及持续时间的选取提供参考借鉴。     

利用激光超声技术研究表面微裂纹缺陷材料的低通滤波效应

利用激光激发声表面波的理论模型,研究了被激发宽带声表面波在具有表面微裂纹缺陷金属材料上的传播特性.对具有不同形状的表面缺陷模型进行了数值分析.结果表明:表面微裂纹缺陷有明显的低通效应,缺陷深度越大高频截止频率就越低,缺陷深度与低通滤波的截止频率呈近似线性关系;缺陷的宽度增大对表面波透射能量有明显的衰减作用. 关键词： 激光超声 声表面波 有限元方法 低通滤波器     

表面垂直裂痕诱发瑞利波散射的数值分析

激光激发的声表面波为材料表面缺陷的检测提供了有力的工具.针对含缺陷材料在模型边界上的复杂性,建立了基于平面应变的有限元模型并选取了相同厚度但含有不同深度的表面裂痕的单层铝板进行了对比计算,得到了声表面波经过不同深度的表面裂痕时产生的反射及透射信号波形的时域特征.进而引入了基于Wigner-Ville分布理论的时-频分析方法计算裂痕前、后散射的瞬态表面波的能量在时间-频率平面内分布的情形.结果显示：声表面波接近中心频率的某一频率成分在经过深度小于其中心波长的表面缺陷时,随着裂痕深度的增加,对应于该频率的反射系数呈现单调递增的趋势;而透射系数呈现递减的特征,这一结果可以为激光超声检测表面缺陷提供一种定量的表征手段.     

基于圆弧谐振腔的金属-介质-金属波导滤波器的数值研究

设计了一个基于圆弧谐振腔的金属-介质-金属波导滤波器, 并应用时域有限差分算法数值研究了它的传播特性. 结果发现, 在透射光谱中出现了明显的透射峰. 分析表明, 该透射峰是由表面等离极化激元在圆弧腔中的谐振所导致. 我们还研究了圆弧谐振腔的结构参数及其弯曲方向对其传播特性的影响. 此外, 该结构还可以用作一种光分路器, 实现滤波与分路的双重功能.     

声表面波检测铝板表面微缺陷深度实验研究

为了探究声表面波与不同深度微裂纹缺陷相互作用的关系,将脉冲激光作用于一系列不同缺陷的试件铝板上进行线光源激励,激发激光超声波。用超声传感器接收在铝板中传播的激光超声信号,通过数字荧光示波器采集激光超声在铝板中的传播数据。对采集到的反射波数据进行分离谱分离过程得到的铝板中激光超声的时域分布和透射波数据进行频域分析。实验发现:缺陷深度影响着反射回波两峰值特征点到达时间差,两者之间近似线性关系,也影响着透射波的截止频率且二者呈现递减关系。     

TE激励下金属光栅电荷振荡的异常透射及其表面波分析

 利用时域有限差分法,对TE偏振光（电场平行狭缝方向）激励下,不同结构和参数的带电介质亚波长一维金属光栅的光场分布进行了数值模拟实验。根据金属表面电荷分布理论和表面波理论对此现象进行了物理机理分析,通过分析可以得出在金属狭缝处产生柱面表面波,这种表面波可以突破衍射极限,从而引起异常透射;并且根据Ag的表面电荷分布及其激发机理分析,得到了透射峰位置与介质覆层厚度变化的动态响应以及金属薄膜厚度改变时透射率与波长变化的动态关系,确定了柱面表面波是该异常透射现象产生的一个重要原因。理论分析与模拟实验结果一致,从而为TE偏振光激励下的异常透射机理深入研究和结构参数的选择提供了较好的理论依据。     

基于蜷曲空间结构的近零折射率声聚焦透镜

研究基于蜷曲空间结构的近零折射率声聚焦透镜.根据近零折射率材料的声波方向选择机理,采用蜷曲空间结构为基本单元进行排列,设计具有特定入射与出射界面的几何结构,对透射声波的出射方向进行调控,实现了平面声波与柱面声波的聚焦效应,并深入讨论了透镜内部刚性散射体对声聚焦性能的影响.在此基础上,改变近零折射率透镜的出射界面,可以精确调控声波阵面的形状与方向.该类型透镜具有单一的单元结构、高聚焦性能及高鲁棒性等优点.研究结果为设计新型近零折射率声聚焦透镜提供了理论指导与实验参考,同时也为研究声波阵面的调控提供了新思路.     

含少量气泡流体饱和孔隙介质中的弹性波

考虑孔隙流体中含有少量气泡,且气泡在声波作用下线性振动,研究声波在这种孔隙介质中的传播特性.本文先由流体质量守恒方程和孔隙度微分与流体压力微分的关系推导出了含有气泡形式的渗流连续性方程;在处理渗流连续性方程中的气体体积分数时间导数时,应用Commander气泡线性振动理论导出气体体积分数时间导数与流体压强时间导数的关系,进而得到了修正的Biot形式的渗流连续性方程;最后结合Biot动力学方程求得了含气泡形式的位移场方程,便可得到两类纵波及一类横波的声学特性.通过对快、慢纵波的频散、衰减及两类波引起的流体位移与固体位移关系的考察,发现少量气泡的存在对快纵波和慢纵波的传播特性影响较大.     

圆孔非线性声阻抗三维时域仿真与特性分析

为研究有限振幅声波作用下圆孔的非线性声学特性,提出了基于三维时域计算流体动力学(CFD)仿真的圆孔非线性声阻抗提取方法,通过求解层流方程来模拟声信号在圆孔及上下游的传播,以及采用横向周期性边界条件来考虑高穿孔率时圆孔之间相互作用的影响。研究了不同幅值声波作用下孔径、厚度和穿孔率对声阻抗的影响规律,通过对质点振速幅值、频率和板厚等组成的无量纲参量进行非线性回归分析,得到了圆孔非线性声阻抗的拟合公式,并将其转换为可考虑多频声波影响的时域模型。最后结合声阻抗时域模型和有限差分方法计算了直通穿孔管消声器在小振幅和有限振幅声波作用下的传递损失,通过与实验测量结果的比较,验证了拟合公式的准确性和实用性。     

Effect of acoustic field parameters on arc acoustic binding during ultrasonic wave-assisted arc welding

As a newly developed arc welding method, power ultrasound has been successfully introduced into arc and weld pool during ultrasonic wave-assisted arc welding process. The advanced process for molten metals can be realized by utilizing additional ultrasonic field. Under the action of the acoustic wave, the plasma arc as weld heat source is regulated and its characteristics make an obvious change. Compared with the conventional arc, the ultrasonic wave-assisted arc plasma is bound significantly and becomes brighter. To reveal the dependence of the acoustic binding force on acoustic field parameters, a two-dimensional acoustic field model for ultrasonic wave-assisted arc welding device is established. The influences of the radiator height, the central pore radius, the radiator radius, and curvature radius or depth of concave radiator surface are discussed using the boundary element method. Then the authors analyze the resonant mode by this relationship curve between acoustic radiation power and radiator height. Furthermore, the best acoustic binding ability is obtained by optimizing the geometric parameters of acoustic radiator. In addition, three concave radiator surfaces including spherical cap surface, paraboloid of revolution, and rotating single curved surface are investigated systematically. Finally, both the calculation and experiment suggest that, to obtain the best acoustic binding ability, the ultrasonic wave-assisted arc welding setup should be operated under the first resonant mode using a radiator with a spherical cap surface, a small central pore, a large section radius and an appropriate curvature radius.     

Experimental study of sound propagation in a chain of spherical beads

In this paper are described experimental observations which are concerned by the propagation of pulsed ultrasonic waves transmitted through a limited one dimensional periodic granular medium submitted to a static force. This study--which is limited to a time domain analysis--exhibits experimental results which depend on the polarization of the acoustic excitation. In the case of compressional excitation, spherical Rayleigh type surface waves propagate around the beads. In the case of shear excitation, the experimental recordings point out the existence of a very low signal, the frequency of which is equal to the cut-off frequency of the chain. Moreover it is established that the frequency value varies with the radius of the bead, the normal force applied to the beads, and the mechanical properties of the material.     

一维非线性声波传播特性

针对一维非线性声波的传播问题进行了有限元仿真和实验研究. 首先推导了一维非线性声波方程的有限元形式, 含有高阶矩阵的非线性项导致声波具有波形畸变、谐波滋生、基频信号能量向高次谐波传递等非线性特性. 编制有限元程序对一维非线性声波进行了计算并对仿真得到的畸变非线性声波信号进行处理, 分析其传播性质和物理意义. 为验证有限元计算结果, 开展了水中的非线性声波传播的实验研究, 得到了不同输入信号幅度激励下和不同传播距离的畸变非线性声波信号. 然后对基波和二次谐波的传播性质进行详细讨论, 分析了二次谐波幅度与传播距离和输入信号幅度的变化关系及其意义, 拟合出二次谐波幅度随传播距离变化的方程并阐述了拟合方程的物理意义. 结果表明, 数值仿真信号及其频谱均与实验结果有较好的一致性, 证实计算方法和结果的正确性, 并提出了具有一定物理意义的二次谐波随传播距离变化的简单数学关系. 最后还对固体中的非线性声波传播性质进行了初步探讨. 本研究工作可为流体介质中的非线性声传播问题提供理论和实验依据.     

Experimental and theoretical evidence for the existence of absolute acoustic band gaps in two-dimensional solid phononic crystals

Experimental measurements of acoustic transmission through a solid-solid two-dimensional binary-composite medium constituted of a triangular array of parallel circular steel cylinders in an epoxy matrix are reported. Attention is restricted to propagation of elastic waves perpendicular to the cylinders. Measured transmitted spectra demonstrate the existence of absolute stop bands, i.e., band gaps independent of the direction of propagation in the plane perpendicular to the cylinders. Theoretical calculations of the band structure and transmission spectra using the plane wave expansion and the finite difference time domain methods support unambiguously the absolute nature of the observed band gaps.     

On the formation of envelope solitons with tube ended by spherical beads

In this paper it is suggested the possibility of using a simple device to explore the propagation of short transverse perturbations in specimens of three linearly aligned elements (bead, tube and bead). By using time signal analysis and frequency spectroscopy some properties of the transmitted wave packets are experimentally analyzed in the acoustic domain. It is clearly demonstrated that the shape and the velocity of propagation of the waves do not change with distance. The amplitude may vary depending on the dissipation effect. These properties allow us to identify the wave packets as “envelope solitons”. The influence of the elasticity of these materials composing the beads and the tube on the generation of envelope solitons is also investigated.     

Mesoscopic phase statistics of diffuse ultrasound in dynamic matter

Temporal fluctuations in the phase of waves transmitted through a dynamic, strongly scattering, mesoscopic sample are investigated using ultrasonic waves, and compared with theoretical predictions based on circular Gaussian statistics. The fundamental role of phase in diffusing acoustic wave spectroscopy is revealed, and phase statistics are also shown to provide a sensitive and accurate way to probe scatterer motions at both short and long time scales.