Lamb波频域逆散射全聚焦成像方法研究

Lamb波因其传播距离远、衰减小常被用于板状结构的无损检测中,在基于Lamb波损伤检测的诸多成像技术中,全聚焦方法(Total Focus Method,TFM)方法因其成像分辨率高、信噪比高而受青睐。然而Lamb波的频散效应导致时域延时量不能被准确计算,进而影响传统TFM方法对损伤定位及成像的精度;此外,既有的TFM方法仅以回波幅值作为成像指标,忽略了Lamb波与损伤的相互作用,故而不能通过损伤表面的物理参数增强成像质量。针对这两个问题,本文首先在时域TFM基础上发展了频域TFM,在计算中纳入频散关系以规避频散的影响;其次以包含明确的损伤特征参数--反射率为成像指标,结合频域TFM方法建立损伤逆散射模型,以实现对损伤的准确成像。仿真和实验结果表明:频域逆散射TFM成像方法能够实现对铝板结构中的损伤检测,在工程实践中具有应用价值。     

一种用于计算板中缺陷兰姆波散射的混合边界元法

本文介绍了一种将传统边界元法和兰姆波的本征模式函数相结合的混合边界元法，用此方法解决兰姆波在板材中传播时遇到缺陷发生的散射问题，计算了兰姆波通过缺陷后的反射与透射系数。文中给出了若干兰姆波信号幅度与板中不同深度缺陷的相互关系。     

偏压电场对压电板中Lamb波相速度的影响

本文研究了偏压电场作用下,Lamb波在压电板中的传播行为，首先给出了偏压电场作用时压电板中的应力场及电位移场，然后通过求解含初应力及初电位移的小幅波动问题的耦合方程，分别给出了Lamb波的对称模态和反对称模态的相速度方程，以典型的PZT－5H压电陶瓷板为例进行了数值计算,并讨论了偏压电场对Lamb波相速度及频散曲线的影响，结果表明，偏压电场可以显著地改变Lamb波的传播速度，借此可使声波器件获得延时效果。     

Lamb波在复合材料板中传播的谱有限元模拟

众所周知Lamb波在复合材料中的传播呈各向异性的特点,经典有限元法模拟这类问题效率不高,所以,本文采用谱有限元法进行研究。先建立了一种新的谱有限板单元,该单元以Gauss-Lobatto-Legendre点作为节点,使质量矩阵是对角矩阵;另外,该单元采用了扩展的位移场,能够较好地模拟板结构的三维特性。然后,对复合材料板结构中Lamb波在对称模式与反对称模式下的传播速度进行了求解,将计算结果与Mindlin板谱单元的结果以及三维弹性理论的结果进行了比较,并讨论了Lamb波在反对称层合板中的传播特点。最后,模拟了Lamb波在含和不含损伤复合材料层合板中的传播,数值结果表明所建立的谱有限板单元可以较好地模拟出Lamb波在复合材料板结构中的传播特性。     

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。     

轨道板中超声兰姆波传播的有限元计算和实验*

该文针对我国高速铁路轨道板缺陷的非接触动态检测问题,研究了空气耦合超声兰姆波在轨道板中的传播规律。首先,给出了轨道板中超声兰姆波的相速度和群速度频散曲线,结果表明:随着频厚积的增加,频散现象越明显,并且A0相速度收敛于Rayleigh波的波速。然后,建立轨道板中波传播的有限元模型,计算得到兰姆波传播的群速度为2220 m/s,且二维傅里叶变换系数的较大值沿Rayleigh波的频散曲线分布。最后,在沪杭高铁嘉兴南站进行了现场测试,以8.8°倾斜角向轨道板激励产生超声兰姆波,激发产生的兰姆波模态群速度为2325 m/s,且二维傅里叶变换分析其系数的较大值沿Rayleigh波的频散曲线分布。有限元计算结果和实验结果均与理论计算结果一致。该研究为后续轨道板缺陷的非接触动态检测提供了理论依据和实验方法。     

Piezoelectric transducer parameter selection for exciting a single mode from multiple modes of Lamb waves

Excitation and propagation of Lamb waves by using rectangular and circular piezoelectric transducers surface-bonded to an isotropic plate are investigated in this work. Analytical stain wave solutions are derived for the two transducer shapes, giving the responses of these transducers in Lamb wave fields. The analytical study is supported by a numerical simulation using the finite element method. Symmetric and antisymmetric components in the wave propagation responses are inspected in detail with respect to test parameters such as the transducer geometry, the length and the excitation frequency. By placing only one piezoelectric transducer on the top or the bottom surface of the plate and weakening the strength of one mode while enhancing the strength of the other modes to find the centre frequency, with which the peak wave amplitude ratio between the S0 and A0 modes is maximum, a single mode excitation from the multiple modes of the Lamb waves can be achieved approximately. Experimental data are presented to show the validity of the analyses. The results are used to optimize the Lamb wave detection system.     

Ultra-broadband asymmetric acoustic transmission with single transmitted beam

We report both experimentally and numerically that ultra-broadband asymmetric acoustic transmission is realized by a brass plate and a right triangle reflector immersed in water. This exotic phenomenon arises from the asymmetric excitation of the leaky asymmetric zero-order Lamb mode in the brass plate induced by the incident angle of external bulk waves. The results show that the bandwidth of the asymmetric acoustic transmission could reach 2000 k Hz, and the positive transmitted wave is only a single acoustic beam. The device has the advantages of ultra-broadband, single transmitted beam,and simpler structure, which has great potential applications in ultrasonic devices.     

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.     

基于多通道时间反转Lamb波的铝板小缺陷检测

超声Lamb波具有传播距离远、衰减小等特点,广泛应用于板结构的无损检测。将Lamb波检测技术与时间反转理论相结合,能提高铝板中小缺陷的检测能力。采用多通道时间反转板中Lamb波聚焦方法对1mm厚的铝板中直径0.8mm通孔缺陷进行检测,检测结果显示多通道时间反转检测信号中形成了两处明显的聚焦,即直达波和缺陷回波聚焦,证明此方法有效提高了检测分辨铝板小缺陷的能力。最后通过直达波、缺陷回波两处聚焦的时间差和Lamb波S_0模态群速度,准确实现了铝板中小缺陷的定位。多通道时间反转Lamb波聚焦方法不仅得到了缺陷检测回波,而且准确实现了缺陷的定位,达到了提高铝板中小缺陷检测能力的目的。