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。     

低频多模式超声兰姆波超薄层状横观各向同性复合材料定征方法:理论与实验

研究使用低频多模式超声兰姆波估计超薄层状横观各向同性复合材料的弹性常数、密度和厚度等参数的方法。这里“超薄”的概念是指材料厚度远小于材料中的声波波长,导致在时域上材料前后界面的各次回波信号相互混迭。文章分析了沿平行和垂直于纤维两种方向上,在超薄层状横观各向同性复合材料中传播的低频兰姆波的色散特性,提出在最小二乘意义下以材料多模式兰姆波色散曲线为基础的反向算法对材料进行了参数估计．文中分析了影响估计准确性的各种因素,研究了方法对材料各参数的灵敏度及其在误差传递中的意义,建立了评判反演材料参数准确度的理论依据。结合超声泄漏兰姆波频域分析方法并使用超声耦合剂耦合方式和一对中心频率为 ２ＭＨｚ的宽带纵波换能器,实验结果证实该方法能够准确估计的单向玻璃纤维增强聚醚砜（ＰＥＳ）的材料参数．     

多层介质中隐含层的太赫兹无损检测

在工业应用中,大多数情况下的复合结构介质仅有一面可以被检测,因此需要研究反射模式下检测介质内部参数的太赫兹无损检测方法.推导了反射模式下太赫兹波在三层结构介质中的传输模型,通过遗传算法共同反演估计得到中间分层的厚度,以及它的折射率,从而获得中间隐藏层的具体信息.制备了具有200μm的隐藏分层的三层结构样品,利用太赫兹时域光谱系统对其进行了测量,将理论模型与实测数据进行对比,利用遗传算法估计得到隐藏层的厚度和折射率,将厚度估计值与测厚仪测量结果对比,误差保持在4%以内,折射率估计值与实际值相比,误差范围波动较大,平均误差为6%左右,最后对误差来源进行了分析,为多层复合材料内部缺陷、中间层材料的介电参数估计提供了理论和实验依据.研究表明该系统作为一种无损评价方法可以广泛应用于层状结构的可靠性评价.     

多层介质中隐含层的太赫兹无损检测（英文）

在工业应用中,大多数情况下的复合结构介质仅有一面可以被检测,因此需要研究反射模式下检测介质内部参数的太赫兹无损检测方法 .推导了反射模式下太赫兹波在三层结构介质中的传输模型,通过遗传算法共同反演估计得到中间分层的厚度,以及它的折射率,从而获得中间隐藏层的具体信息.制备了具有200μm的隐藏分层的三层结构样品,利用太赫兹时域光谱系统对其进行了测量,将理论模型与实测数据进行对比,利用遗传算法估计得到隐藏层的厚度和折射率,将厚度估计值与测厚仪测量结果对比,误差保持在4%以内,折射率估计值与实际值相比,误差范围波动较大,平均误差为6%左右,最后对误差来源进行了分析,为多层复合材料内部缺陷、中间层材料的介电参数估计提供了理论和实验依据.研究表明该系统作为一种无损评价方法可以广泛应用于层状结构的可靠性评价.     

有限元仿真兰姆波评价胶接接头界面弹性模量的研究

金属薄板检测中,声-超声检测方法可激发多模式的兰姆波,兰姆波能够评价金属胶接后结构质量,正确认识兰姆波传播特性与胶接接头弹性模量的关系是有效应用该技术的基础。本文采用有限元仿真法分析这种关系,得出随着胶层弹性模量的降低,各模式兰姆波通过胶接接头后能量有不同程度的衰减,频率为0.5 MHz和1 MHz时,兰姆波主要模式A₀、S₀能量值与接头弹性模量具有一定的线性关系。实验结果表明,低频时随着胶接接头的人工老化,接头中主要模式兰姆波能量均发生一定程度的衰减,其能量变化曲线与有限元仿真结果趋势一致。本方法能为实验研究、实际检测提供有效参考依据。     

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。     

基底上覆分层薄膜超声Scholte波特性与薄膜定征

分层薄膜-基底结构广泛应用于微电子器件等诸多领域,但薄膜材料参数超声测量尤其是横波速度的定征是一个困难的问题。本文对液固界面Scholte界面波的频散特性和脉冲激励的声压响应进行了理论分析。结果表明,液固界面Scholte波频散与分层膜-基底结构的速度分布密切相关。薄膜材料各层的厚度和横波速度对界面波频散特性有显著影响。基于Scholte界面波的频散特性,提出了一种多层膜的多参数反演定征方法。首先针对理论信号进行薄膜参数反演,验证了该方法的可行性。后续对不同类型的多层膜材料样品进行了液固界面波激发与采集实验,实验信号的薄膜参数反演结果进一步验证了该方法的可行性和有效性。     

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。     

兰姆波各模式声速与板材疲劳关系研究

为了研究由于材料疲劳造成的材料弹性系数变化对兰姆波各模式相速度的影响,对兰姆波传播特性进行了理论计算与实验测量.研究表明高阶模式兰姆波相速度对于弹性系数的变化要比零阶模式敏感.对于LY-12-CZ合金铝板,A3模式由于材料疲劳产生的相速度相对变化量要比A0模式约高4倍.因此采用高阶模式兰姆波进行无损检测,其灵敏度要远优...     

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。      

2005黄海实验混响垂直相关统计反演海底参数

处理并分析了2005黄海混响实验数据.在单层海底假设下利用300～800 Hz频段混响垂直相关数据反演了海底参数,并分析了参数反演结果的不确定性.结果发现:单频独立反演的声速值随频率增加而减小.类似的结果以前也有报道,导致难以有效地确定海底的平均声速.为了解决这一问题,本文假设海底具有两层分层结构,并提出了一种基于遗传算法的多频联合海底参数反演方法.同一海域声传播数据的简正波分离结果以及混响垂直相干实验值与基于反演参数计算的理论值吻合良好,验证了分层海底假设及参数反演结果的有效性.     

台阶板中兰姆波A0模式传播特性的光弹研究

为了研究变壁厚结构中兰姆波的传播特性，以K9玻璃制成的台阶板为波导，运用动态光弹法实现了兰姆波在阶梯板中传播过程的可视化。使用MATLAB对兰姆波的理论应力分布进行了仿真，将仿真结果与光弹图像相对比以进行模式识别。此外，根据兰姆波的动态光弹图像计算了特定模式的相速度，并与相速度频散曲线相对比，以支持模式识别的结果。对4mm-3mm和4mm-2mm厚度差台阶板进行了对比分析。研究发现在激励目标模式的兰姆波时，可能会出现非目标模式，并且兰姆波的模态转换与频散程度与台阶处的厚度差有关。本文的结果可对具有相同性质类似结构材料的无损检测提供参考。     

舰船辐射噪声贝叶斯方法反演浅海底层结构及地声参数EI北大核心CSCD

针对以舰船辐射噪声为参考声源的浅海海底分层结构及地声参数反演问题,研究了一种基于贝叶斯理论的浅海多层海底地声参数反演方法。反演中以舰船辐射噪声的线谱成分为研究对象,进而采用非线性贝叶斯反演方法反演浅海底层结构、层中声速、声速衰减和密度,并对反演结果的不确定性进行分析。反演结果的最大后验概率估计值和边缘概率分布分别通过拨正模拟退火算法和Metropolis-Hastings采样法在各参数先验区间内计算获得,并根据贝叶斯信息准则确定最佳海底分层结构。海上实验表明:根据该方法反演获得海底分层结构及地声参数,计算得到的声压场与实测舰船辐射噪声传播损失误差不超过10%,反演结果能够准确表征实验海区海底特征。反演结果不确定性分析表明:海底纵波声速、横波声速以及密度的不确定性更小,对声压场变化更加敏感,反演结果更有效、准确。     

采用单个压电传感器的单模式兰姆波激发频率的选择

考虑了压电传感器(PZT)与板之间的耦合作用,从理论上研究了单个压电传感器激发时产生单模式兰姆波的频率调节方法,实验给出了模式选择在兰姆波结构健康监测中的应用. 在板材、板厚以及PZT尺寸一定的情况下,从理论上能够预测到作为频率函数的各兰姆波模式的幅值变化. 根据某特定兰姆波模式的幅值最大而其他模式幅值相对最小时所对应的频率,即可识别出该兰姆波模式优化的激发频率. 数值仿真验证了理论的有效性以及单模式兰姆波选择的可能性. 在不同的激发频率下,分别激发了优化的A0 模式,优化的S0模式以及共存的A0和S0模 关键词： 兰姆波 压电传感器 激发频率 结构健康监测     

单向纤维增强复合板弹性常数的反演方法研究

利用小波变换和人工神经网络技术,对激光激发单向纤维增强复合板产生的兰姆波信号进行分析,进而反演出单向纤维增强复合板的弹性常数。对小波变换和神经网络算法加以优化以提高反演结果的准确性,并分别对纤维方向和垂直于纤维方向的实验波形进行弹性常数的反演,两个方向的反演结果十分吻合。研究表明,利用该方法可直接从激光激发兰姆波的瞬态实验波形中反演出复合板的弹性常数,既不用事先知道兰姆波各模式传播的群速度,也不必采用传统的最小二乘法拟合色散曲线来反演弹性常数。     

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。     

复合兰姆波声子晶体中超宽部分禁带

兰姆波在声子晶体薄板中的传播特性因其在无损检测、 减振技术和传感器件等领域的潜在应用价值而受到越来越多的关注. 本文采用超原胞平面波展开法和有限元法系统地研究了复合对称结构声子晶体薄板中的兰姆波超宽部分禁带. 结果表明: 对于在薄板侧面对称地嵌入双层矩形空气柱构成的复杂系统, 低阶兰姆波部分带隙结构极为丰富. 将晶格常数(L)和板厚(H) 比值具有匹配关系的兰姆波声子晶体衔接构成复合结构, 低阶兰姆波部分禁带宽度因各组分结构的部分禁带交叠而得到显著拓宽, 可在低频超宽频带内实现对特定低阶兰姆波模式良好的模式选择功能. 该研究结果对兰姆波缺陷无损检测中模式优化选择及兰姆波单向导通器件设计等方面具有重要意义.     

基于小波变换的超声多模式兰姆波参量时延估计

提出了采用小波瞬时参数法和小波变换模极大值法分别对高频窄带和低频宽带超声多模式（Ａ０模式和Ｓ０模式）兰姆波进行时延估计,与希尔伯特瞬时参数法比较,它们的估计精度明显的高于希尔伯特瞬时参数法,其中小波变换的模极大值法对时延估计的精度最高,小波瞬时参数法次之,希尔伯特瞬时参数法不能很好的估计多模式时延。同时提出了基于小波变换模极大值重建对超声兰姆波多模式估计衰减系数的方法,对金属铝薄板的实验结果表明此方法是可行的。     

电磁超声换能器激发超声兰姆波的模式展开分析

提出一种用于研究电磁超声换能器(EM.AT)激发超声兰姆波的模式展开分析方法。从EMAT曲折线圈的电流分布出发,推导出铝板表面洛伦兹切向应力的形式解;对其进行空间傅里叶变换,得到激发超声兰姆波的表面驱动应力之波数谱密度。在此基础上采用导波激发的模式展开分析方法,推导出与EMAT线圈的几何参数密切相关的兰姆波模式展开系数的数学表达式,为严格分析EMAT的兰姆波激发问题奠定了理论基础。数值分析结果表明,通过改变EMAT线圈的几何参数,可对兰姆波的模式展开系数进行适当调整,从而实现有效抑制不需要兰姆波模式的目的,这一结果为采用EMAT激发纯度高的单一兰姆波模式提供了理论依据。      

时频域独立元分析方法实现超声兰姆波的多模式分离

为方便兰姆波信号分析与模式定征,提出一种将短时傅里叶变换(Short-Time Fourier Transform,STFT)与独立元分析(Independent Component Analysis,ICA)相结合的多模式超声兰姆波识别方法。首先通过STFT将兰姆波时域信号投影至时频域,基于各模式信号在时频域相对独立的特点,利用ICA实现混叠模式分离。根据分离模式时频能量脊提取各模式群速度曲线,进而估计板厚。将方法运用于时域有限差分(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)法仿真与钢板实验,分离得到A0、A1和S0三种模式。仿真与实验中平均群速度估计误差约为1.5%和2.0%,板厚估计误差约为0.3%和2.0%。仿真结果表明,在信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)不小于0 dB的情况下,时频域独立元分析方法均可实现兰姆波多模式分离、群速度曲线提取及板厚估计。