振动声调制技术下微裂纹的非线性响应分析

采用非线性弹簧模型对振动声调制技术下微裂纹产生的非线性调制效应进行解释。从理论上分析了振动声调制技术下微裂纹产生非线性调制现象的原理,将微裂纹的开合状态等效为非线性弹簧。利用有限元软件构建并仿真微裂纹非线性弹簧模型,分别观察不同激励下裂纹界面的开合状态及混合声波的传播特性。结果表明,微裂纹界面随低频声波呈周期性开合,使得通过裂纹界面的高频声波与低频声波相互调制而产生非线性现象。在以上研究基础上,开展振动声调制实验研究。对比仿真结果,非线性调制系数R在实验条件下和仿真随低频激励幅值的变化趋势相同,证明了该模型的正确性。该模型为振动声调制技术应用于微裂纹的超声非线性检测提供了理论依据。      

金属材料疲劳损伤检测的非线性声学方法*

金属材料的疲劳损伤有前期、后期两个阶段,前期疲劳损伤主要来源于位错,而随着疲劳程度的不断加深,位错密度也不断的增加,这将导致疲劳后期微裂纹的产生。这两个阶段产生声学非线性效应的机理不同,分别用位错模型、微裂纹模型对其产生非线性效应的机理进行了阐述,并对不同阶段的疲劳试样进行了相关实验研究。实验结果表明:对于材料早期疲劳损伤,随着疲劳程度的增加,其接收声波信号中的非线性谐波成分越来越显著,并且随着激励电压的增加,非线性效应更加明显,因此可用接收信号中的谐波激发情况来评估材料的早期疲劳损伤程度。而对于材料疲劳后期出现微裂纹后,其产生的非线性与早期疲劳损伤相比,谐波成分更加丰富,并且随激励电压的增加谐波幅度增加明显,可据此来判断材料中的疲劳损伤阶段。     

声波在锥棒中非经典非线性传播及实验验证

弹性体材料在早期退化阶段会出现一些长度不同,且分布不均匀的介观尺度微裂纹,声波在这些裂纹聚集区(或裂纹群)传播会激发较强的非经典非线性。文中以缓变截面的锥棒为研究对象,在Preisach-Mayergoyz (PM)空间模型下研究了声波通过微裂纹聚集区激发的非经典非线性谐波传播特性,实验验证了三次谐波位移幅度与缺陷位置、宽度的反演关系。理论计算和实验结果表明:微裂纹群激发了较强的奇次谐波,引起非经典非线性传播;其谐波幅度与微裂纹聚集区域位置、宽度及非经典非线性参数紧密相关,利用三次或五次谐波位移幅度能够准确定位缺陷的区域。      

双稳态结构中的1/2次谐波共振及其对隔振特性的影响

以典型的双稳态系统——屈曲梁结构为例,基于等效模型,结合解析、数值和实验手段,研究了双稳态结构中的1/2次谐波共振特性、演化过程、参数调节规律及其对隔振特性的影响.研究发现,当非线性刚度系数或激励幅值增加到一定程度时,系统会在一定带宽下产生显著的1/2次谐波共振;随着激励幅值增加,阻尼系统的1/2次谐波遵循“产生-增强-衰退-消失”的过程,该过程对峰值频率和峰值传递率有重要影响;适当提高非线性强度能有效改善双稳态结构隔振特性.针对双稳态屈曲梁结构开展的实验验证了1/2次谐波特性和隔振特性变化规律.     

固体粗糙界面与超声的非线性相互作用研究

本文提出了一种随机弹性接触界面与超声的非线性相互作用理论. 首先建立了描述随机弹性接触界面的模型, 然后分别研究了界面间应力-应变关系在线性简化模型、指数模型、高斯模型下与超声的非线性相互作用. 数值仿真和实验研究结果均表明高斯模型更适合描述固体接触界面. 本文在介观结构上解释了固体界面与超声的相互作用, 对工业超声无损检测裂缝、缺陷及损伤有指导意义. 关键词： 超声无损检测 固体粗糙界面 非线性效应     

平衡衔铁受话器的非线性特性与失真仿真模型

平衡衔铁受话器(BAR)具有尺寸小、电声转换效率高和灵敏度高等特点。在大振幅振动时, BAR存在显著的非线性,并导致较严重的失真。利用磁路的集总参数模型(LPM)深入研究BAR的非线性,确立可表征其非线性特性的4个非线性参数,采用迭代计算方法研究平衡衔铁磁阻对非线性特性的重要影响。基于所提出的网格移动和旋转等效的有限元模型(FEM),考虑平衡衔铁磁阻的非线性,准确仿真计算得到非线性参数,再将它们代入到非线性LPM模型中,最终建立FEM与LPM相结合的失真仿真模型。实验结果表明,该失真仿真模型可比较准确地预测BAR在不同加载电压时的总谐波失真以及二次和三次谐波失真。     

聚焦超声波在层状生物媒质中的二次谐波声场的理论与实验研究

基于Khokhlov-Zabolotkaya-Kuznetsov(KZK)方程，在频域提出了聚焦超声波在层状生物媒质中传播的理论模型，该模型计及生物媒质的吸收、非线性和边界，同时考虑声源的衍射对声传播的影响.数值研究了聚焦超声波的基波和二次谐波在层状生物媒质中的声传播，并与实验结果相比较.研究结果表明，此方法可以有效地描述聚焦超声波在层状生物媒质中的二次谐波声场. 关键词： 聚焦超声波 层状生物媒质 二次谐波     

双层粘接板界面的超声非线性谐振特性分析

采用声-力-电类比建立粘接界面非线性力学行为的等效非线性振荡电路,以求解双层粘接板的超声非线性谐振频率。理论上导出非线性谐振频率方程,确定双层粘接板非线性谐振频率与激励幅度、三阶弹性劲度系数的解析关系。双层粘接铝板的超声实验发现:在不良粘接情形下,超声谐振频率发生偏移,其值大于粘接完好区,且激发了较强的三次谐波,但二次谐波幅度变化不大。实验结果表明三次谐波幅度上升,超声谐振频率也显著增大,与理论导出非线性谐振频率变化规律相吻合,且三次谐波与基波、二次谐波的比值反映了非线性谐振频率变化趋势,证实粘接层三阶劲度系数是产生非线性共振频率偏移的主要因素。      

基于时间反转的骨裂纹超声成像模拟研究

提出了一种结合超声非线性和时间反转技术进行长骨中裂纹成像的技术.骨裂纹的超声散射信号中包含非经典非线性成分.从时反阵列接收的探测信号中,经滤波得到三次谐波;然后利用时间反转技术来对裂纹区域进行聚焦成像.在计算机仿真实验中,基于Preisach-Mayergoyz(PM)模型模拟了单个及两个骨裂纹产生的非线性信号,实现了时间反转的非线性成像,并讨论了裂纹的深度位置对成像结果的影响.该方法为骨裂纹的超声无损检测提供了一种新技术.     

试样激励下轻敲模式原子力声显微镜的非线性动力学特性

利用Euler-Bernoulli梁理论和DMT针尖-样品作用力模型建立了试样激励下轻敲模式原子力声显微镜(AFAM)系统的动力学方程,并应用非线性动力学分析方法对AFAM微悬臂梁的振动特性进行研究。通过合理改变超声激励幅值、超声激励频率和针尖-样品初始间距等模型参数模拟得到微悬臂梁的超谐波、次谐波、准周期和混沌振动现象,采用时间序列、频谱、相空间、Poincare截面和Lyapunov指数等方法对不同非线性振动特性进行表征。通过分析不同模型参数条件下微悬臂梁针尖-样品作用力特性,探索了微悬臂梁不同非线性振动现象的产生机制。此外,研究了AFAM微悬臂梁运动的分岔特性,发现当超声激励幅值和针尖-样品初始间隙连续变化时,周期、准周期和混沌运动交替出现。研究结果对AFAM系统非线性动力学行为分析和混沌振动控制提供了理论参考。      

Modeling the propagation of ultrasonic waves in the interface region between two bonded elements

An important task in nondestructive materials evaluation is the development of techniques to characterize the bond quality of adherent joints. Binding forces are nonlinear and cause a nonlinear modulation of transmitted and reflected ultrasonic waves. As a consequence, the higher harmonics generated by an insonified monochromatic wave give information about the adhesive bonds. The local binding forces in thin bonded interfaces can be obtained by the amplitudes of the ultrasonic waves of the insonified frequency and its higher harmonics as transmitted through the interface. Additional phase measurements may enable one to obtain the evaluation of the full hysteretic cycle of the interaction force. In order to gain a deeper understanding of the interface region and to improve the technique, numerical simulations of the ultrasonic wave propagation through specimens of two bonded elements can be used. A simple model based on the local interaction simulation approach (LISA) is described in this contribution, and a comparison between the results of the simulations and the experimental data is presented. Besides its intrinsic relevance for NDE, the problem considered in this paper may be very useful to analyze and test models for the simulation of ultrasonic wave propagation in nonclassical nonlinear mesoscopic elastic materials.     

岩石等非线性介观弹性固体材料的谐波特性的超声研究

岩石、混凝土等非线性介观弹性固体材料显示出与经典的非线性声学不同的非经典非线性声学现象，比如滞后现象、离散记忆等。本文实验研究了超声波在岩石材料中产生的基波、二次、三次谐波随声源幅度的依赖关系，研究了岩石的超声衰减，与金属材料的进行了对比；并且将浸水后的混凝土与浸水前的混凝土的超声谐波特性进行了对比，对此实验现象作出了定性的解释。此研究有利于岩石等非线性介观弹性固体材料的无损检测的研究。     

超声非线性效应表征的动态小波指纹分析方法

针对结构早期损伤超声非线性检测中损伤表征问题,发展了一种基于动态小波指纹的超声信号分析方法,从超声信号的动态小波指纹分布中提取出一种可用于结构早期损伤表征的超声非线性特征参数。研究了小波基函数及分析尺度对超声非线性效应提取效果的影响,优选出对结构早期损伤敏感的小波基函数以及尺度范围。将提出的动态小波指纹分析方法应用于二次谐波及混频非线性超声检测信号分析,结果表明,动态小波指纹分析方法可有效提取出检测信号中的二次谐波及混频分量,基于小波指纹分布的非线性特征参数可用于板结构中微裂纹的定量表征.本文研究工作为结构早期损伤超声非线性检测中的弱非线性效应提取作了有益探索。      

Improved contrast to tissue ratio at higher harmonics

The challenge in ultrasound contrast imaging is a better discrimination between the perfused tissue and the contrast bubbles, which is usually expressed by contrast to tissue ratio (CTR). Imaging based on the second harmonic frequency showed a higher CTR than imaging at the fundamental frequency. However, because of nonlinear propagation of ultrasound waves, harmonic frequencies are generated. These harmonic frequencies will be linearly reflected by the tissue and therefore limit the CTR at the second harmonic frequency. In order to reduce the scattering of tissue at harmonic frequencies and by that increase the CTR, nonlinear distortion has to be reduced. We demonstrate in this study that the CTR increases with the harmonic number. The increase is substantial when transmitting at lower frequencies. To take advantage of the higher harmonics (third, fourth, fifth and the ultraharmonics and termed here super harmonics), we have developed a new phased array transducer with a wide frequency band. In-vitro measurements using the new probe show an increase of 40 dB of the CTR for super harmonic components over the conventional second harmonic system. The increase in CTR is in agreement with the calculations using existing models for the response of encapsulated bubbles and known theory of nonlinear propagation.     

金属杆内疲劳裂纹与振动/超声相互作用及其定量表征

根据同步解调的原理,考察振动声调制检测输出信号中的调制成分,对金属杆内振动/超声在裂纹面上的相互作用进行了分析.制作了含有不同尺寸裂纹的铝杆试样,以扫频激励的方式得到合适的高频激励参数,分析输出信号中的调制信息,发现工件中的高频超声可分为两部分:一部分声波通过裂纹面,受到低频振动信号的调制,另一部分则保持不变。在此基础上对非线性调制模型进行了修正,并提出了一种用于裂纹检测的定量方法。与超声C扫描检测结果对比表明,此定量方法可用于估计金属杆中疲劳裂纹尺寸。      

Interaction of fatigue crack with vibration and ultrasound in metallic rod and its use for quantitative characterization

According to the principle of synchronous demodulation,the modulation information in the output signal of vibro-acoustic modulation test was investigated and the nonlinear interaction of sound and vibration with the crack interface in a metallic rod was analyzed.A swept signal excitation was used to obtain a proper high frequency parameter in the test of aluminum rod samples with different sizes of cracks and the modulation information in the output signal was analyzed.It was found that the ultrasound wave in the structure can be separated into two parts.One is the wave which passes through the crack interface modulated by the low frequency vibration,and other wave has no any changes.The nonlinear modulation model was modified and a quantitative method for crack detection was proposed.It is demonstrated by comparing with the ultrasonic C-scanning that this method can be used to estimate the fatigue crack size in the metallic rod.     

结构微裂纹混频非线性超声检测方法研究

给出了一种基于混频效应的非线性超声微裂纹检测方法。首先,对结构损伤混频检测机理及信号特征提取方法进行了理论分析,之后,根据试件中差频分量及和频分量幅值分布随激励信号频率变化关系,优化确定出混频检测参数。最后,进行了异侧混频激励下无损检测试验研究,并分析了激励信号频率变化对混频检测效果的影响。结果表明,异侧激励混频检测模式不仅可以实现结构中疲劳微裂纹检测,而且可以实现缺陷的定位。且检测信号频率选择对混频检测信噪比有一定的影响。当检测信号中的混频分量幅值最大时,混频检测效果最佳。因此,在优化检测参数基础上,异侧混频激励检测模式可以很好实现结构微裂纹的检测与定位。      

多元高斯声束衍射修正下液体非线性系数检测方法

有效检测材料的非线性系数β是非线性超声评价材料力学性能及早期疲劳损伤等的前提和关键,针对当前的有限幅值法仅适用于有限孔径探头近场测量的现状,本论文研究了一种不受检测距离影响的测量方法。为抑制实际检测过程中声能的损失和声场扩散对测量结果的影响,对基波和二次谐波检测值进行衍射和衰减修正,其中利用多元高斯声束精确计算二次谐波衍射系数,在此基础上计算非线性系数β以消除其与理想的平面波推导结果间的差异,提高不同距离下测量值的精度。针对水的非线性系数β进行了仿真分析和实验验证,结果均显示本文方法相比于传统有限幅值法具有明显的精度优势,且表明该方法测量材料的β不受检测距离的影响,为放宽非线性超声检测的应用条件提供了理论依据。