兰姆波非线性效应的实验观察(Ⅱ)

基于Ritec-SNAP系统对固体板中传播的兰姆波的非线性效应进行了实验观察。根据导波的模式展开分析方法和兰姆波的频散曲线,简述了兰姆波的积累二次谐波发生条件。采用一定倾角的斜劈换能器在固体板表面激发和接收兰姆波的基波和二次谐波时域信号,阐述了兰姆波的基波、二次谐波时域脉冲包络的积分振幅的物理意义,在固体板表面分别测量了不同传播距离的兰姆波的基波、二次谐波的幅频曲线。在兰姆波具有非线性效应的频率值附近,分析了兰姆波的二次谐波振幅随传播距离的变化关系。实验结果进一步证明了兰姆波在一定条件下具有强烈的非线性效应,其二次谐波表现出随传播距离积累增长的性质。     

固体板中SH板波非线性效应的实验观察

采用微扰近似和导波的模式展开分析方法,从理论上简要分析了SH板波的二次谐波发生效应;尽管在无限大固体介质中单个切变波的二次谐波发生效应非常微弱,但在一定条件下由两个切变波构成的SH板波可具有强烈的非线性效应;本文的主要工作就是对此结论加以实验验证。试制了激发SH板波的切变波斜劈换能器和接收二次谐波信号的液体斜劈换能器,建立了非线性SH板波的实验研究系统;通过详细的理论分析和对比实验研究,阐明了在一定条件下实验观察到的显著二次谐波信号来源于SH板波传播过程中的强烈非线性效应。此外,针对不同的SH板波传播距离,在远场条件下分别测量了相应的二次谐波幅频曲线;在基频SH板波与二倍频对称兰姆波相速度相等所对应的频率值附近,分析了二次谐波的振幅随传播距离的变化关系,结果证明在一定条件下SH板波的二次谐波振幅可随传播距离积累增长,即SH板波可具有强烈的非线性效应。      

基于群速度失配的超声兰姆波二次谐波的时域测量方法

考虑到发射和接收换能器对超声兰姆波时域二次谐波信号所带来的不可避免的影响,提出一种基于基频与二倍频兰姆波群速度失配的超声兰姆波二次谐波的时域测量方法。当基频与二倍频超声兰姆波的相速度匹配而群速度失配时,在超声兰姆波传播过程中所发生的二次谐波信号,在时域上可与源于斜劈换能器的二次谐波信号相分离。采用仅源自于基频兰姆波的时域二次谐波的积分振幅,定量描述兰姆波二次谐波的发生效率。以铝板中传播的兰姆波为例,给出了时域二次谐波的具体测量过程。本文提出的测量方法放宽了超声兰姆波二次谐波的测量条件,且扣除了换能器对二次谐波信号所带来的影响,所测得的二次谐波信号完全来自于基频兰姆波时域信号的二次谐波发生效应。      

PVDF梳状换能器接收非线性兰姆波的实验研究*

该文基于PVDF压电薄膜对梳状换能器进行设计制作,并将该换能器应用于接收非线性兰姆波信号实验研究。首先通过输出矢量和方法分析PVDF梳状换能器的工作特性,然后将设计制作的PVDF梳状换能器应用于铝板中非线性兰姆波信号的接收,并与传统压电陶瓷换能器经斜劈接收的非线性兰姆波信号进行比较分析。实验结果表明,两种换能器所接收到的信号幅值随传播距离的变化趋势相近,线性增长的积累效应表征结果相似,且PVDF梳状换能器可以对基波和二次谐波信号同时响应。除此之外,PVDF梳状换能器用于接收非线性兰姆波信号更加稳定。因此,PVDF梳状换能器有望应用于复杂构件的在线检测与监测研究。     

一种定征复合板材粘接层性质的非线性超声兰姆波方法

借助于兰姆波频散曲线及导波激发的模式展开分析方法,对基频兰姆波时域信号及二次谐波时域信号的发生过程进行了直观的论述。结合Ritec-SNAP系统的测量功能,详细分析了二次谐波时域脉冲包络积分表达式的物理意义;该积分表达式可表征基频兰姆波时域脉冲传播过程中的二次谐波发生效率,以及基频与二倍频兰姆波模式之间的频散程度。在基频与二倍频兰姆波相速度相等(或近似相等)的频率附近,实验观察到显著的且无模式混叠的二次谐波信号,显示出在兰姆波的传播过程中的确可存在强烈的非线性效应。对于三种不同粘接情形的复合板材,实验结果表明,采用本文引入的非线性兰姆波应力波因子,结合二次谐波幅频曲线峰值所对应的频率值,可有效地对板材粘接层性质进行表征。     

一种评价固体板材表面性质的非线性超声兰姆波方法

在基频与二倍频兰姆波相速度匹配但群速度失配的条件下, 通过选择适当的兰姆波二次谐波时域信号的测量起止时间, 可完全扣除换能器对二次谐波积分振幅测量所带来的影响。本文提出采用兰姆波二次谐波的积分振幅作为评价参量, 以实现对板材表面性质的准确评价。当板材表面性质发生改变时, 原本在理想表面条件下成立的基频与二倍频兰姆波相速度匹配的条件不再严格满足, 这将显著地影响到兰姆波的二次谐波发生效率, 相应的二次谐波积分振幅随表面性质的改变也将发生非常敏感的单调变化。实验结果表明,利用扣除换能器影响之后所测得的兰姆波二次谐波的积分振幅,可对板材表面性质的变化情况进行准确评价。     

非线性兰姆波在厚度缓慢变化和衰减下的特性分析*

该文运用解析的方式推导了考虑声波衰减时兰姆波二次谐波的累积和传播规律,并用半解析方式将该理论推广到缓慢变厚度板的情况。由于色散特性,兰姆波二次谐波和基频波相速度不匹配,传播通常会产生拍频效应,使得二次谐波的振幅沿着传播距离周期性的归零。当考虑声波衰减或板的厚度缓慢变化的情况时,拍频效应将不再严格地被满足。二次谐波的振幅依然会沿着传播距离而振荡,但不会归零。该研究可以用于分析如何高效地激发和接收兰姆波的二次谐波,表征和评估不同厚度变化的结构中的微观结构损伤。     

无损评价固体板材疲劳损伤的非线性超声兰姆波方法

从理论上分析了采用非线性超声兰姆波方法准确评价固体板材疲劳损伤的可行性.对于未承受周期性载荷作用的航空铝板,采用已建立的超声兰姆波实验系统测量了在其中传播的超声兰姆波的基波和二次谐波的幅频曲线,并对所测得结果给予了合理的物理解释.对两块给定的航空铝板试件施加拉-拉疲劳载荷作用,在超声兰姆波具有强烈非线性效应的条件下,对于不同的载荷循环次数,分别对两试件中超声兰姆波的基波和二次谐波的幅频曲线进行了测量.结果表明,在板材疲劳损伤的初期,超声兰姆波基波的应力波因子随循环次数的改变并不明显,且与循环次数的对应关系也不确定;然而,在周期性载荷作用的最初阶段,超声兰姆波二次谐波的应力波因子随循环次数的变化非常显著,并表现出明显的单调对应关系,表明超声兰姆波的非线性效应及相应的超声兰姆波二次谐波的应力波因子,可望能为固体板材早期疲劳损伤的准确评价提供一条有效途径.     

分层结构中兰姆波二次谐波发生的模式展开分析

采用二阶微扰近似和模式展开方法,对分层结构中兰姆波的二次谐波发生问题进行了深入研究,得到了二次谐波声场的一般表达式。兰姆波在分层结构中传播时,固体板材的体弹性非线性效应导致在各固体层的内部及表面出现二倍频的体驱动力及面驱动应力,其作用是在分层结构中激发出一系列二倍频兰姆波的简正模式,这些简正模式的叠加即构成分层结构中兰姆波的二次谐波声场。当构成二次谐波声场的某一二倍频兰姆波简正模式的相速度等于基频兰姆波的相速度时,该二倍频兰姆波简正模式分量表现出随传播距离积累增长的性质。本文还就铝板-环氧粘接层-铝板结构中兰姆波的二次谐波声场进行了数值分析,结果显示,软粘接层性质对二次谐波声场的影响很大。     

弱界面分层结构中的非线性兰姆波

对弱界面分层结构中兰姆波的非线性效应进行了研究。在二阶微扰近似条件下,将兰姆波传播过程中的非线性效应处理成兰姆波线性波动响应的一个二阶微扰。采用界面弹簧模型对分层结构的弱界面性质进行描述。根据模式展开分析方法,伴随基频兰姆波传播所发生的二次谐波可视为由一系列二倍频兰姆波模式叠加而成。弱界面性质的变化将从多个方面对二倍频兰姆波模式的展开系数产生影响,尤其是弱界面性质变化导致的兰姆波相速度的改变可显著地影响到二倍频兰姆波模式随传播距离的积累增长程度。分析结果表明,兰姆波的非线性效应可有效地表征分层结构的弱界面特性。     

圆形平面换能器产生的二次谐波声场及对非线性声参量成像的影响

在利用二次谐波进行非线性声参量B／A层析成像中,发射换能器的声场特性,尤其是在近场区域的特性对成像结果的定性及定量分析极其重要。本文从理论及实验上分析了圆形平面活塞换能器在传播介质中产生的二次谐波声场,就其对非线性声参量成像的影响进行了分析和讨论．研究结果有助于在非线性声参量成像中降低重建误差,提高分辨灵敏度．     

生物组织成像中用反相位脉冲技术提高二次谐波信噪比的研究

本文基于有限振幅声波在介质中的非线性传播理论,分析了反相位脉冲技术对生物组织中二次谐波增强的原理.实验中利用反相位脉冲激发超声换能器,对生物组织中传播的非线性信号相加分析.结果表明反相位脉冲技术可有效抑制基波及奇次谐波信号,而可增强偶次谐波信号6dB.与滤波器滤波法相比,反相位脉冲技术在抑制基波信号的同时,可有效地提高二次谐波的信噪比,因而在生物组织的二次谐波成像中具有广阔的应用前景.     

管道结构中的类兰姆波层析成像

理论和实验上研究了层析成像在管道结构导波检测中的适用性。在管的两个圆周带上分别布置发射和接收换能器,形成多点发射-多点接收的几何结构。将管中绕管道沿最短路径的螺旋方向到达接收换能器的模式作为感兴趣的模式,它们看起来像在弯曲的板中传播,称之为类兰姆波模式。给出了类兰姆波各射线路径走时的理论计算方法,并采用联合迭代重建技术(SIRT)对走时数据进行慢度图像重建。数值模拟和实验研究了管中横穿孔缺陷层析成像的输出并对健康管和缺陷管中类兰姆波的走时数据进行比较,发现穿过缺陷区域的类兰姆波因为绕过缺陷传播而呈现出更长的走时。文中也给出了两缺陷管道类兰姆波层析成像的数值模拟和实验结果,相比单缺陷的情况,射线较少穿过区域缺陷的重建图像质量下降。研究结果为采用类兰姆波模式进行管道缺陷无损评价提供了理论依据。      

利用复合换能器测量反射的二次谐波及介质的非线性参量

计算了有限振幅声波在层状媒质中的传播和反射,研究了用二次谐波反射模式的非线性声参量测量方法,设计制作了用于反射法测量非线性声参量的复合结构超声换能器,利用该换能器及有限振幅插入取代法建立了脉冲反射式测量非线性声参量Ｂ／Ａ的实验系统,对若干流体和生物样品进行了非线性声参量的测量,其结果与现有文献上的值吻合的很好。     

反射式非线性声参量层析成像的研究

非线性声参量Ｂ／Ａ描述了有限振幅波在媒质中传播的非线性特性，有可能成为生物组织定征的新参量。本文提出了利用复合式换能器进行反射式的非线性参量Ｂ／Ａ层析成像的新方法。利用反射二次谐波的传播理论及有限振幅波插入取代法给出了计算机重建Ｂ／Ａ层析像的理论方法。对部分流体及生物组织进行了计算机模拟成像及实验研究，取得了较为满意的结果。     

非线性兰姆波在阶梯板中传播的有限元仿真

在非线性兰姆波检测中,累积二次谐波是重要的检测信号.该文利用有限元法仿真了非线性兰姆波在阶梯板中的产生和传播过程,通过二维离散傅里叶变换分析了兰姆波的传播模态和各个模态通过波导横截面的能流大小,给出了各个模态在阶梯板中的反射、透射系数,总结了其随阶梯板厚度的变化规律.研究发现,随着台阶增高,散射效应使得兰姆波更难入射波...     

二维矩形波导管中的非线性声传播

本文采用部分波和二阶微扰理论对二维矩形波导管内声波的非线性传播问题进行了研究。由二次谐波的边界条件和初始条件，可得到物理图象清晰、便于计算的二次谐波声场解析式。结果表明，不同基波传播模式间的相互作用不存在二阶非线性，管内任意振幅分布的稳态激发源产生的二次谐波为各个模式二次谐波之和，且二次谐波声场分布具有对称性。     

薄板声-超声检测超声传播模式的实验研究

在声－超声检测中,人们用纵波换能器在被测板材表面的某一位置向试件中发射宽带超声波,接收换能器则设置在试件同一表面的另一位置,因此,正确认识这种检测形式下的超声波传播特性是有效应用该技术的基础。本文通过实验研究证实,薄板在声－超声检测形式下激发出的超声波的主要成分是多模式的兰姆波。文中用声－超声方法在两种厚度的铝板中激发并接收到了宽带的兰姆波。     

声学消息

声学学报2005年度优秀论文奖颁奖根据声学学报最佳论文评选办法,经声学学报编委3轮评审推荐,在推荐结果基础上根据推荐意见和得票情况,认为：邓明晰、D．C．Price、D．A．Scott等“兰姆波非线性效应的实验研究”一文(2005年30卷1期)及其相关工作,在一系列理论和实验研究的基础上,基于兰姆波声学特性的考虑,构建了一套实验观测系统,首次从实验上证明了兰姆波二次谐波     

各向同性薄板中横穿孔缺陷的超声兰姆波层析成像

本文将地球物理中的跨孔层析重建技术用于兰姆波的定量无损评价。综合射线追踪与代数重建技术(ART),发展了横穿孔缺陷的超声兰姆波层析成像方法。基于Snell定律和费马原理,采用射线追踪方法寻求发射和接收换能器之间超声兰姆波的实际传播路径并计算走时,然后采用ART算法对走时数据进行速度图像重建。给出了具有人工横穿孔缺陷铝板的数值模拟和实验数据的直射线和弯曲射线重建图像。结果表明,弯曲射线ART方法比直射线ART方法重建的缺陷尺寸更接近于缺陷的真实尺寸,并且当考虑射线弯曲时,重建图像的赝象也有所降低。