孔隙内填充单一固体的固-固孔隙介质中的声波传播

连通孔隙空间被有别于骨架固体的另一种固相介质充填而形成的双组分连通固体孔隙介质,简称固-固孔隙介质.推导出了固-固孔隙介质的声波动力学方程和本构关系,利用平面波分析的方法研究了各种波的频散和衰减特性.在此基础上,提出了基于一阶速度-应力方程的时间分裂的高阶交错网格有限差分算法,对其中的声场演化特点进行了模拟计算,分析了各种波的产生机制和能量分布,并详细讨论了两种固体间的摩擦系数和声源频率对各种波传播特性的影响.数值模拟表明:固-固孔隙介质中存在两种纵波(P1和P2)和两种横波(S1和S2),其中P1和S1波能量主要在骨架固体中传播;P2和S2波是骨架固体和孔隙固体之间相对运动产生的慢波,能量主要在孔隙固体中传播.固体骨架和孔隙固体之间的摩擦主要影响慢波(P2和S2)的衰减,且低频时衰减大于高频.     

时间反转和逆时偏移混合法用于层状介质中目标的声学检测和定位

一般超声回波检测、时间反转和逆时偏移技术,都不能将界面附近的目标(缺陷)检测出来。这是因为目标反射波和界面(或底面)反射波相重叠的缘故。虽然改进的时间反转法(即换元的时间反转法)能够区别目标和界面(或底面),但还是不能定位。本文提出一种时间反转和逆时偏移混合方法。分析和仿真结果表明该方法不但能够鉴别出层状介质中的目标,而且可以定位。对于多个目标,也能给出其位置分布图。特别地,本文方法对于分层介质中的缺陷和浅海海底下的目标检测和定位具有重要的潜在价值。      

SBS相位共轭补偿现象的实验研究与图示化分析

通过实验观察了受激布里渊散射相位共轭波前补偿现象,分析了单横模激光、波前弱畸变及强畸变激光受激布里渊散射现象的差异.由于工作介质中强烈的热畸变所引起的波前破碎效应,高功率固体激光器的输出光束一般都不是理想的高斯型单横模,而是具有弱畸变或强畸变波前结构的光束,其包含多个子光束.只有总能量足够大的激光束被聚焦到布里渊介质中时,其包含的所有子光束才能各自按单横模受激布里渊散射规律产生后向散射光,再合并而实现完全的相位共轭波前反转,否则就只能实现部分相位共轭波前反转,即部分相位共轭补偿.     

时间反转和逆时偏移混合法用于层状介质中目标检测和定位的声场分析

基于时间反转和逆时偏移混合方法用于分层介质中目标的声学检测和定位的原理,本文对分层介质中目标检测和定位的声场进行了数值分析。首先给出了声场分布数值仿真的方法和步骤,进一步采用单发多收和多发多收两种方式对单个目标和多个目标计算出其声场分布。数值仿真结果表明可以较好地实现对目标的检测和定位。比较发现,单发单收方式和多发多收方式都得到较好的结果,但多发多收方式计算耗时过多,因此不宜采用。另外,对多个目标的探测提出了改进方法。      

流体-镀层基底界面波的传播特性

理论分析了脉冲激光激发的流体-分层固体结构声场,在此基础上数值计算了流体-慢层快底固体和流体-快层慢底固体结构液-固界面Scholte波的频散特性与瞬态响应.数值结果显示,对于流体-慢层快底结构,Scholte界面波呈现出正常频散特性;而对于流体-快层慢底结构,Scholte波在较小的频厚积范围呈反常频散特性.理论瞬态信号也显示了同样的特性.采用脉冲激光激励,用水听器接收的方式进行了Scholte界面波的实验测量.实验测量和分析结果与理论结果有很好的一致性.此工作可为水浸检测条件下镀层与薄膜材料参数的超声无损表征、海底沉积物参数反演等应用提供理论基础.     

液面位置对流-固交界面上伪瑞利波幅度影响的数值模拟

研究了流体半空间中存在气-液交界面并且其位置发生改变时,流-固交界面上伪瑞利波的传播特性和幅度响应特征。借助有限差分的方法,实现了对不同气-液交界面位置时振动方向垂直于流-固交界面的脉冲面源所激发表面波声场的数值模拟,分别讨论了气-液交界面自身的散射作用与伪瑞利波传播过程中的能量泄漏对伪瑞利波幅度的影响。数值模拟结果表明:气-液交界面自身对伪瑞利波的散射作用对伪瑞利波幅度仅有极微小的影响,而能量泄漏才是引起伪瑞利波衰减的决定性因素;随着气-液交界面位置的升高,脉冲伪瑞利波幅度呈指数规律下降,与此同时主频向低频偏移。所得研究结果可以发展为一种利用伪瑞利波幅度进行液位检测的可靠方法。      

改性疏水固壁润湿性反转现象的格子Boltzmann方法模拟

基于疏水固壁改性会引起润湿性反转的特点,采用考虑固体与液体间分子力的格子Boltzmann方法,从壁面的线性和瞬时改性两方面对润湿性反转现象进行了数值模拟,并结合流体体积方法处理界面层质量.结果表明:壁面线性改性的过程中润湿性反转变化平稳,润湿所需时间大幅减少,所得到的接触角与固液吸引力系数的关系与其他文献结果一致;壁面瞬时改性幅度越大说明固壁对液滴作用力越强,表现为润湿性变化越明显,瞬时改性后接触角随时间呈指数规律变化,这与现有结论相符合.研究发现:在改性条件下液膜铺展过程中伴随着振荡变化,线性改性的振动峰值与改性幅度相关;瞬时改性的液膜速度会在某一时刻突然增大,这种现象与夹带空气有关.     

基于模式分离的兰姆波逆时偏移成像

应用频率域逆时偏移方法实现各向同性和各向异性板中缺陷的兰姆波成像.由于缺陷引起的多模态散射信号会在重建图像中形成伪像,根据基本导波模式振动对称性的差别进行了模式分离预处理.基于多元阵列超声技术,开展了铝板和复合板内缺陷频率域逆时偏移超声成像方法的数值仿真研究.首先,建立有限元模型,采用环形传感器数值采集由缺陷引起的兰姆波散射信号,然后,将采集到的多模式散射信号进行模式分离处理,再将模式分离后的兰姆波散射信号经时间反转后并在相应的接收器处重新激励,在频域中运用格林函数反向传播兰姆波散射信号,获取监测区域的声场信息,与正向传播声场进行互相关,重建缺陷图像.首先对铝板中单缺陷以及复合材料板中相邻的两个相同缺陷进行数值仿真,对比有无模式分离处理的缺陷逆时偏移成像效果,体现出模式分离的重要性.在此基础上,采用逆时偏移方法对复合板材内位置邻近、深度不同的双缺陷进行识别.数值结果表明,模式分离预处理后的缺陷重建图像能够有效去除多模式干扰产生的伪像.文中提出的成像方法对各向同性板和各向异性板内缺陷的检测和成像具有很好的发展潜力,可以准确地探测多个缺陷的形状、尺寸和深度.     

层状介质时域有限差分方法斜入射平面波引入新方式

应用二维时域有限差分方法分析层状介质中的目标散射时,在总场-散射场边界斜入射平面波源用常规方法难以引入,因为在总场-散射场边界处设置的入射波实际上包含了入射脉冲以及各分层界面的反射和多次反射.为解决这个问题,提出了斜入射平面波的混合引入方式,即对总场-散射场的四个边界面采取不同的处理方式.对于总场-散射场的纵向侧边界,用含有斜入射角度的修正一维时域有限差分方法,只要在自由空间位置加入入射脉冲就会自行产生由各分层界面形成的反射波,包括多次反射.同时,把纵向总场-散射场侧边界向下延伸,使得总场-散射场下边界位于完全匹配层内,这样透射波和散射波均为外向行波而被吸收.对于总场-散射场的上边界,由于完全位于自由空间中,边界上各点的入射波将是总场-散射场纵向边界角点处入射波的带有时间延迟的复制.数值模拟结果表明了本文所提出方法的正确性和有效性. 关键词： 时域有限差分 层状介质 斜入射平面波 修正一维麦克斯韦方程     

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。     

Detection and Location of a Target in Layered Media without Prior Knowledge of Medium Parameters

Without prior knowledge of medium parameters, a method is proposed to detect and locate a target in layered media. Experiments were carried out for liquid/liquid and solid/liquid layered media, and the location of a target in them was obtained using three methods combined, i.e., the least-square method, the method of finding minimum dispersal degree of target distribution, and the snapshot time reversal and reverse time migration mixed method. The medium parameters, i.e., the acoustic velocities of upper and lower media as well as the thickness of the upper medium, were inversed simultaneously. The results show that the position of target is consistent with its actual position. Thus, the detection and location of a target in layered media are achieved without prior knowledge of medium parameters, and it overcomes the difficulty that the common time reversal method only detects the target, but cannot locate it.     

Detection and Location of a Target in Layered Media by Snapshot Time Reversal and Reverse Time Migration Mixed Method

A target in layered medium can be located by the ridge-like distribution time reversal and reverse time migration(TR-RTM) mixed method. However, this method cannot distinguish between acoustic field distributions of the interface and target for the wider acoustic pulse signals, which may result in inaccurate location of the target. A snapshot TR-RTM mixed method is proposed to solve this problem. The principle of snapshot TR-RTM mixed method is first given. Experiments are then carried out, and a mountain-like acoustic field distribution is obtained by processing experimental data. The results show that the location of the peak is that of the target, and the ratio of the scattered signal and interface reflection signal(signal-to-interference ratio) is improved by about four times after processing. Furthermore, this method can effectively suppress the interface reflection signal and enhance the target scattering signal. Therefore, it can achieve effective detection and location of a target in a layered medium.     

Acoustic field analysis of detection and location of targets in layered media by time reversal-reverse time migration mixed method

Using the time reversal(TR)-reverse time migration(RTM) mixed method, the numerical analysis towards the acoustic field for detection and location of targets in layered media is performed. First the approaches and steps of the numerical analysis and simulation for acoustic field are proposed, then, the acoustic field distribution of single target and multiple targets are further computed by using the approaches of single emission-multiple receiving and multiple emission-multiple receiving. The numerical simulation results indicate that target detection and location can be well realized. By comparison, good results are obtained from the both two approaches, but large time-consuming is observed in way of multiple emission-multiple receiving, and so would be unacceptable. Additionally, the improved way is also proposed for multiple target detection.     

纵向带状裂隙形貌的逆时偏移超声成像

传统的工业超声成像方法通常只能确定缺陷的位置与横向尺寸,无法获得缺陷的形貌信息.一些特殊的缺陷,如纵向裂纹,是典型的例子.基于多阵元技术,开展了固体介质缺陷逆时偏移超声成像方法的数值与实验研究.针对铝块平底纵裂纹及内部纵裂纹两种传统方法无法有效成像的缺陷,首先开展了单分量逆时偏移成像方法研究,给出了基于数值仿真的逆时偏移成像结果以及基于多阵元超声成像实验系统实验测试的逆时偏移成像结果.进一步开展了基于多分量位移检测与转换横波分离的逆时偏移成像方法研究,并提出了基于新型多分量激光干涉仪进行检测的思路.数值仿真结果证实了多分量逆时偏移图像重建结果可以克服单分量方式的缺点,得到明显优于单分量检测时的图像.     

Experimental investigation of the detection and location of a target in layered media by using the TR-RTM mixed method

Targets in layered media can be detected and located using a time reversal(TR)-reversed-time migration(RTM) mixed method.In this study, this single emission-multiple receiving method is tested experimentally by using two types of layered media and three types of targets. The signal reflected at the interface and the signal scattered by the target are measured by each receiver to obtain the travel time for several transmitter-receiver pairs. Thereafter, the amplitude ratio between the two measured signals is compared with the theoretical amplitude. The RTM process involves the convolution of the forward acoustic beam from the source with the backward acoustic beam from the receiver which adds an appropriate delay determined on the measured travel time data. By using this approach, the acoustic field distribution can be obtained, and the position of the target can be determined.Moreover, the measured positions of the target are compared with the actual position to validate the accuracy of this technique.     

时间反转和逆时偏移混合法中参数改变对目标检测和定位的影响*

时间反转和逆时偏移混合法能有效地抑制分层介质中界面或底面反射波的干扰,从而实现分层介质中目标的检测和定位。该文计算得到阵列阵元的疏密,目标在空间中不同位置,以及不同载波频率相应的声场图和声场等高线图,从而详细研究不同参数对目标检测和定位的影响。研究结果表明,接收阵元需要达到一定数目才能获得较好的聚焦效果;目标无论距阵列远近都可以被很好地定位,特别是离界面很近的目标也可以清晰地分辨出来;用调制载波信号可以得到在目标处更尖锐的声场分布,但周围的各处声场分布高低起伏,可能带来定位的不稳定。     

超声阵列方法在层状结构损伤检测中的应用*

层状钢筋混凝土结构常见的裂缝、层间离缝等损伤具有尺度小、隐蔽的特点,常规检测方法无法对其精确查明与定量评价。以高铁层状无砟轨道结构为研究对象,使用阵列式超声装备采集半矩阵数据,利用全聚焦算法对轨道内部结构及损伤成像,通过线性旅行时插值射线追踪算法计算超声波在层状介质中传播的最短到达时间代入全聚焦成像公式,具有深度准确、分辨率高、聚焦性好的特点。提出一种层间密实度评价方法,以表面超声直达波能量为基准分析反射波能量差异计算密实指数,可定量分析无砟轨道层间状态。文中层状介质的检测和层间损伤定量评价方法有效查明层状无砟轨道层内裂缝和层间离缝,对使用超声波检测层状结构及层间损伤具有借鉴意义。