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。      

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。     

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。     

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。     

兰姆波非线性效应的实验观察

对兰姆波非线性效应进行了实验观察。首先,对实验所采用的Ritec系统进行了介绍,尤其对实验系统的声学部分进行了详细考虑,特别是对二次谐波的时域响应进行了简洁直观的分析。根据兰姆波具有强烈非线性效应的条件,采用斜劈换能器发射和接收兰姆波。改变发射与接收斜劈换能器的间距,对一定频率范围内的兰姆波及二次谐波在固体板表面的振幅进行了测量。在基频与二倍频兰姆波相速度相等所对应的频率附近,分析了二次谐波振幅随传播距离的定量关系,从实验上证实了二次谐波在传播过程中具有积累增长效应的结论。     

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。     

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。      

各向异性固体板中的非线性超声导波

将超声导波的非线性视为线性波动响应的一个二阶微扰,采用二阶微扰近似和导波的模式展开分析方法,从理论上研究了各向异性固体板中超声导波的二次谐波发生效应,给出了超声导波二次谐波声场的一般形式解.板材的各向异性可从多个方面对二次谐波发生效应产生影响,尤其是板材各向异性引起的导波模式相速度的改变,可显著地影响到构成导波二次谐波声场的二倍频导波模式随传播距离的积累增长程度.根据理论分析和数值计算结果可知,在不同传播方向上超声导波的非线性效应存在较显著的差异,伴随基频导波模式的传播所发生的二次谐波对固体板材的各向异性表现出更为敏感的性质,这一结果可为准确定征板材的弹性各向异性提供一种理论依据.     

二次谐波转换对激光脉宽影响的实验研究

 实验研究了KDP晶体二次谐波转换非线性效应对脉宽测量精度的影响。结果表明：在小信号近似下,长度为1～3cm的KDPⅡ类晶体,对于近高斯脉冲,其基频脉宽与倍频脉宽存在21/2的关系;对于非近高斯脉冲,基频脉冲半宽与倍频脉冲波形的1/4高宽相等;在输入功率密度和能量转换效率较高时,基频与倍频脉宽无固定关系。     

圆管结构中周向导波非线性效应的模式展开分析

在二阶微扰近似条件下, 采用导波模式展开分析方法研究了圆管结构中周向导波的非线性效应. 伴随基频周向导波传播所发生的二次谐波, 可视为由一系列二倍频周向导波模式叠加而成. 从动量定理出发, 结合柱坐标系下非线性应力张量及其散度的数学表达式, 针对圆管中某一基频周向导波模式, 推导出相应的二倍频应力张量及二倍频彻体驱动力的数学表达式, 建立了确定二倍频周向导波模式展开系数的控制方程, 得到了伴随基频周向导波传播所发生的二次谐波声场的形式解. 理论分析和数值计算表明, 当构成二次谐波声场的某一二倍频周向导波模式与基频周向导波的相速度匹配时, 该二倍频周向导波模式的位移振幅表现出随传播周向角积累增长的性质; 当两者的相速度失配时, 二倍频周向导波的振幅随传播周向角表现出“拍”效应.     

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.     

超声Lamb波二次谐波发生效率分析与模式选择

在导波模式展开分析方法的基础上,提出激发效率参量来定量表征超声Lamb波积累二次谐波的发生效率。以P92钢板为例,理论计算得到了与频散曲线对应的理论激发效率参量分布图谱,从图谱中选择理论激发效率参量大小不同的两种基频Lamb波模式:纵波型S1模式和交点型A2/S2模式,分别测量这两种基频Lamb波模式在钢板中传播时产生的二次谐波信号。理论计算和实验测量结果表明,这两种基频Lamb波模式的理论和实验激发效率参量的比值基本一致,且激发效率参量较大的纵波型S1模式能激发出效率更高的二次谐波信号。研究结果表明激发效率参量可以有效的用于Lamb波二次谐波发生效率的表征及模式选择。      

圆管结构中的非线性周向导波*

采用将二阶微扰近似与模式展开分析相结合的方法,可从理论上有效求解圆管结构中的非线性周向导波问题。通过数值计算和有限元仿真发现,基频与二倍频周向导波模式的相速度匹配程度,可显著影响二倍频周向导波模式随传播周向角的积累增长程度。针对基频与二倍频周向导波模式的相速度和群速度均相匹配的情形,通过实验研究发现,周向导波确可存在强烈的非线性效应,且周向导波的二次谐波发生效应可对圆管早期损伤状态做出敏感的响应。文中给出的有关结果,可为进一步开展非线性周向导波的研究工作奠定理论和实验基础。     

全固态腔内SHG/SFG多波长黄光激光器

报道了一种利用大功率激光二极管端面抽运Nd…YAG激光晶体产生基频光,并通过非线性晶体的腔内倍频(SHG)与和频(SFG),实现多个二次谐波同时连续输出的多波长黄光激光器。将Nd…YAG晶体的1112.1、1115.9、1122.7nm谱线作为基频光,利用LBO和BIBO进行非线性光学频率变换,同时获得了三个倍频光及三个和频光激光输出。从理论上对基频光同时受激跃迁和非线性频率变换相位匹配进行了分析。实验结果与理论分析表明,当基频光的性能相对接近时,合理地选择性能较好的非线性晶体对基频光同时进行倍频和和频是获得全固态多波长激光器的一种实用方法,合理地设计激光器谐振腔能够提高激光器的稳定性。     

复合圆管界面特性对周向超声导波二次谐波发生效应的影响分析

研究了复合圆管的管间界面特性对周向超声导波二次谐波发生效应所产生的影响.在二阶微扰近似条件下,将周向超声导波传播过程中的非线性效应视为其线性波动响应的一个二阶微扰.采用界面弹簧模型对复合圆管的管间界面特性进行描述.根据导波的模式展开分析方法,伴随基频周向超声导波传播所发生的二次谐波可视为由一系列二倍频周向导波模式叠加而成.管间界面特性的变化可从多个方面对二倍频周向导波模式的展开系数及声场产生影响,尤其是界面特性的变化所引起的周向超声导波相速度的改变,将显著地影响到二次谐波随传播周向角的积累增长程度.理论及数值分析结果表明,周向超声导波的二次谐波发生效应随管间界面特性的改变而发生非常敏感的变化,可将其用于准确定征复合圆管的管间界面性质.     

金属基复合结构粘接强度的非线性超声混频检测

采用非线性超声混频方法对金属基复合结构的粘接强度进行表征研究。以不同固化剂含量的铝合金丙烯酸酯粘接结构作为检测对象,基于非线性超声混频的共振条件及其作用机制,并结合粘接固化机理,开展了非线性超声混频实验。非线性超声混频模式选取两列横波生成和频纵波的方式,实验测量并计算不同基频周期数下的超声非线性参量。通过拉伸实验标定粘接结构的粘接强度,并采用扫描电镜分析拉伸断面微观结构,进而分析超声非线性参量与粘接强度的关系。从实验结果可以看出在不同周期的基频信号激励下,超声非线性参量随着粘接强度的增大均呈现出减小的趋势。研究表明非线性超声混频信号对金属基复合结构粘接强度的变化比较敏感,可以适用于类似结构件粘接强度状态弱化的表征。     

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。     

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.     

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.