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     

金属板疲劳损伤非线性兰姆波混频检测

针对金属板结构安全运行需要,开展了金属板结构疲劳损伤非线性兰姆波混频检测方法研究.通过数值仿真,研究了两列A0兰姆波与材料损伤间的非线性相互作用.结果 表明,两列共线A0兰姆波在结构材料损伤处产生单向传播的和频S0波,且和频波幅值随传播距离具有积累增长效应.对不同疲劳程度金属板试件进行了共线混频兰姆波检测实验,结果表明...     

基于赛利斯模型和分数阶微分的兰姆波信号消噪

为降低噪声对超声兰姆波检测信号的影响,提高信噪比和增加特征提取的精度,提出了一种赛利斯模型下分数阶微分方法用于超声兰姆波信号去噪.该方法对含噪声的兰姆波信号幅值谱进行各阶分数微分,用赛利斯分布作为待处幅值谱的模型,提出了幅值谱分数阶微分最大值和过零点与微分阶数的拟合三次关系式,建立了幅值谱特征参数的计算式来提取特征参数和重建原始信号的幅值谱,并结合相位谱重构去噪后的兰姆波信号.仿真结果表明,该方法可以有效地提高兰姆波信号甚至微弱兰姆波信号的信噪比,同时降低均方误差和平滑度.实验结果显示,与小波去噪和集合经验模态去噪方法相比,该方法在没有信号先验知识的情况下,可以更有效地去除兰姆波信号的噪声,同时更好地保留主信号的细节特征.因此,本文提出的方法可以有效地去除兰姆波检测信号中混入的噪声.     

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...     

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.     

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...     

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.     

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。      

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。     

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。     

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。      

兰姆波的非线性研究（Ⅱ）

当兰姆波相速等于板材纵波声速时,兰姆波的二次谐波表现出空间积累性质,本文绘出了该情形下兰姆波二次谐波的解析表达式,并对几个阶次的兰姆波二次谐波作了数值计算。对于S_0、A_0模式,二次谐波一定不具有空间积累性质。     

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。     

基于层状模型的功能梯度板中兰姆波传播研究

功能梯度板中的兰姆波的传播在实际工程中有着非常广泛的应用。采用层状模型研究了兰姆波在材料特性沿厚度方向连续变化的功能梯度板中的传播特性。通过数值计算获得了层状板中兰姆波的色散关系,并与已有结果进行了比较,获得了材料属性沿厚度方向呈指数变化和多项式变化时功能梯度板中兰姆波的波速和位移解。当材料属性连续变化时,兰姆波各阶模态的波速与位移都将发生变化。相比于兰姆波的高阶模态,低阶模态的波速变化更加明显。本文的研究可为功能梯度板的设计提供参考。     

兰姆波在搭接焊缝上的反射和透射

采用数值模拟方法和实验研究了兰姆波在搭接焊缝上的反射和透射。数值模拟了频率500 kHz的兰姆波S0与.A0模态,分别在2 mm厚不锈钢板上的不同宽度搭接焊缝模型上的反射和透射,并计算了相应的反射系数和透射系数。发现:当搭接焊缝宽度小于4 mm时,S0模态的反射系数和焊缝宽度具有近似的线性关系,而焊缝余高和两板之间的间隙对S0模态反射系数的影响很小。基于兰姆波S0模态反射系数与焊缝宽度的线性关系。提出了通过测量S0模态反射系数快速测量搭接焊缝宽度的方法。实验测得的2 mm厚不锈钢板上不同宽度搭接焊缝对500 kHz的入射兰姆波S0模态的反射系数,验证了上述线性关系,说明了可用兰姆波反射回波测量搭接焊缝宽度。      

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。     

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。     

利用扩散场信息的超声兰姆波全聚焦成像

利用兰姆波的扩散场信号,实现了距离传感器较近缺陷的全聚焦成像.通过两传感器接收的扩散场全矩阵信号进行互相关,恢复出两传感器之间的格林函数响应,重建新的全矩阵.该重建全矩阵削弱了直接耦合采集响应信号中存在的早期饱和非线性效应信号,恢复了被遮盖的近距离缺陷散射信号.在含缺陷的各向同性铝板中激发兰姆波,重建信号的早期信息与直接俘获信号的后期信息相结合形成混合全矩阵,结合全聚焦成像,优化成像效果.所提方法为薄板类结构中距离传感器较近缺陷的兰姆波无损检测提供了理论指导.     

板状材料上加强筋的几何形状对兰姆波透射特性的影响

为研究板状材料上加强筋结构对兰姆波透射特性的影响,通过有限元仿真和实验的方法,结合兰姆波频散曲线和二维傅里叶变换分析方法,研究了不同几何形状的加强筋结构对兰姆波垂直入射时的透射特性。仿真与实验的结果表明:加强筋结构会对兰姆波产生梳状滤波器效应,即同一几何形状的加强筋对不同频率的兰姆波透射程度不同;梳状滤波器的通带带宽和通带个数受到加强筋几何形状的影响;随着加强筋高度的增加,梳状滤波器的通带带宽变小且通带个数增加;随着加强筋厚度的增加,梳状滤波器的通带带宽和个数并不呈现单调变化;对于同一高厚比的加强筋,随着加强筋体积的变大,梳状滤波器的通带宽变小且通带个数增加。该研究结果可用于指导利用兰姆波对具有加强筋结构的板状材料进行结构健康监测和无损检测时兰姆波有效频率的选择,从而提高兰姆波能量的利用率和信号的信噪比。      

焊接薄板中S0兰姆波对槽型缺陷响应特性的数值研究*

采用数值仿真方法,就焊接薄板中S_0兰姆波对槽型缺陷的响应特性以及焊缝对S_0兰姆波槽型缺陷检测灵敏度的影响开展了数值研究。数值仿真结果表明,S_0_R信号(经槽型缺陷反射的S_0兰姆波回波信号)的反射比率随槽型缺陷深度的增大而单调增加;S_0_R信号的反射比率随槽型缺陷宽度的变化呈非单调变化关系,可将S_0_R信号的反射比率及其持续时间一并加以考虑,以评价槽型缺陷宽度的变化。随着焊缝余高的增加,S_0兰姆波对槽型缺陷的检测灵敏度将降低;随着焊缝宽度的增加,S_0兰姆波对槽型缺陷检测灵敏度的影响并不明显;相比之下,焊缝余高是影响S_0兰姆波槽型缺陷检测灵敏度的主要因素。研究结果表明,将S_0兰姆波用于检测隐藏于焊缝背后的槽型缺陷,是具有可行性的。所得结果对于发展焊接薄板的超声兰姆波无损检测技术,具有一定的理论指导意义和实际参考价值。