斜入射激光超声体波声场的实验研究

为研究微烧蚀状态下圆形光斑斜入射时激光超声声场的指向性,使用脉冲激光辐照半圆柱形铝质工件表面,并使用压电探头和电磁超声探头分别接收纵波和横波信号。根据速度参数确定了超声信号的类型,提取了信号的峰-峰值,并绘制出声场指向性曲线。通过分析获得以下结论:激光斜入射角度在0~60°范围内变化时,纵波声场的声束轴线方向保持不变,且与工件内法线平行;另外,横波声场的峰-峰值仍然在±35°的方向上取最大值,但是横波指向图形的主瓣易受激光入射方向的影响,当倾斜角度大于等于45°时,横波主瓣的范围变得较宽。     

斜入射激光支持燃烧波时纵波声场的指向性

利用理论推导及实验验证的方法研究了激光倾斜入射支持燃烧波时纵波声场的指向性。根据激光超声的产生机理, 在喷溅物质垂直作用于工件表面的前提条件下, 推导了椭圆形声源作用时远场质点的法向位移。获得了纵波声场的指向性函数, 分析了影响纵波声场指向性的因素, 并进行了实验验证。利用功率密度低于爆轰波点燃阈值的激光烧蚀工件, 使用峰值频率为5 MHz压电探头接收纵波, 进而获得纵波声场的指向性实验数据, 结果表明, 实验数据与理论数据能够较好地进行吻合。在光斑短轴长度恒定时, 与激光垂直入射相比, 各倾斜入射角度下纵波声场的声束轴线指向均保持不变, 并且指向性图形随倾斜角度的增加而变得细窄, 纵波声场的能量也更加集中。     

光弹法测量超声换能器声场

超声换能器声场的测试对于超声检测具有基础性作用,而传统的超声换能器声场测试方法具有一些局限性。本文介绍了搭建的动态激光光弹实验平台,并利用动态光弹法测量了纵波换能器和横波换能器辐射声场的特征,由瞬态声场图像获得了传声介质的声波速度及超声换能器的中心频率;由稳态声场图像获得了声场的近场长度、指向性和扩散角等参数;分析了光弹实验系统和测量方法可能引起测量误差。本文结果表明动态光弹法是一种有效的定量测量超声换能器声场的方法。     

声波在固体板中的多径传播及其时间反转声场

采用无穷长条形阵元在固体板自由表面激发,研究了固体板中声波(纵波和横波)传播的多径效应,在射线近似下深入分析了柱面纵波和横波在固体板中的多次反射及波型转换特性,给出了简明解析表达式;将时间反转法应用于固体板中声波的传播,在理论和实验上分析了时间反转声场规律,证明了从不同阵元发出的沿不同路径传播的声波时间反转后同时同相到达原接收点,表明时间反转法能自动补偿固体板中由于多径效应造成的波形畸变;还通过聚焦增益和主副瓣比定量地分析了时间反转声场的自适应聚焦过程,考查了焦点位置和换能器阵列孔径对聚焦效果的影响,得到了理论和实验相符的结果。     

固体中激光热弹超声的光穿透效应

本文从热弹性基本方程出发，理论上研究了非金属固体材料受激光热弹激励超声时，光穿透效应对所产生声波的影响。在一维模型中，通过求解热扩散方程和热弹性位移方程，得到弹性位移的一般表达式，分析了材料的光叩收性质与声波位移振幅的关系。在二维模型中，对于轴对称分布的情况，忽略热扩散的影响，采用积分变换法求解热弹性运动方程，推导出远场区中的位移解析表达式。给出了纵波和横波的指向性图案，讨论了光穿透效应对声源指向性的影响。     

宽带相控线阵声源在套管井外地层辐射声场的指向性

套管井中的声传播涉及到波在柱状多层介质中的传播问题。通过数值计算对比了宽带相控线阵声源在套管井外均匀地层中产生的纵横波声场的指向性。结果表明,在任意胶结状况下,均可实现向套管井外地层定向辐射纵横波的技术;与地层中纵波的传播特征不同的是在主瓣偏转角方向横波幅度随着偏转角的增大逐渐增加,且在主瓣辐射方向的横波幅度受套管井胶结状况的影响较纵波小;采用玻璃钢套管代替钢套管,会进一步减弱地层声场受胶结状况的影响,这有利于实现在套管井外地层较大范围内的精确定向辐射声波的技术。     

多层奥氏体钢中超声相控阵辐射声场分析

针对一维线性超声相控阵透过楔块,在多层不同晶轴取向的奥氏体钢中的声场辐射问题,结合高斯声束等效点源模型以及基于时间最小原理的射线追踪法,给出了各层介质中透射声场的计算方法。将奥氏体钢近似为横向各向同性介质,计算了相控阵透过楔块,在晶轴取向为0°的奥氏体钢中的无延时纵波声场,计算结果与COMSOL仿真结果相吻合,从而验证了所用方法的正确性。通过加入不同的延迟法则,仿真计算了三层含有不同晶轴取向(0°,30°,100°)的奥氏体钢中的纵波声场,实现了相控阵声场的偏转与聚焦,分析了偏转声场与聚焦声场的传播特性。仿真结果表明,不同的晶轴取向将导致不同的声束偏转以及聚焦效果。通过延迟激励各阵元,虽然可以控制声束偏转或聚焦到预定位置,但是晶轴取向仍会对声束宽度以及幅值产生一定的影响。      

锗酸铋晶体的超声特性

本文采用超声脉冲回波法在4.2K—300K温区内测试了锗酸铋晶体[110]和[111]晶向的超声纵波衰减与温度的关系,结果在50K附近均出现由于激活弛豫过程所引起的大的异常衰减峰;本文还用脉冲回波重合法精密测定了[100],[110]和[111]晶向的超声纵波和横波的声速,并由此计算出弹性常数C_(11),C_(44)和C_(12)。     

跑道线圈换能器在铁路重载货车探伤中的应用*

针对在线车轮超声探伤系统的工程应用,研究了跑道线圈电磁超声换能器由洛伦兹力换能机制在钢中产生的辐射声场。根据外磁场和线圈配置,将表面力源近似为非均匀的水平剪切力源,数值计算得到了此力源的辐射声场指向性图,并与实验结果进行比对,结果表明辐射的水平偏振横波具有中间强两侧弱的指向性,对理解跑道形电磁线圈超声换能器的辐射声场和在重载货车车轮辋裂缺陷探伤中的工程应用具有一定的指导意义。     

时域有限差分法的混凝土超声波损伤分析*

混凝土质量的好坏直接影响到建筑物的安全性,选用方便实用的方法对其内部裂纹进行检测具有显著意义。该文首先借助时域有限差分法,建立了混凝土声场数学模型。之后对不同内部缺陷尺寸的混凝土模型进行了超声波数值模拟,分别从时域和频域对接收到的超声信号进行了分析。结果发现,当内部存在缺陷时,接收信号时域幅值明显变小,接收信号的幅值与缺陷尺寸大小呈指数关系,且接收信号传播时间与缺陷宽度呈线性关系。最后以初次到达信号的频域能量为特征指标,得出其与混凝土内部开裂缺陷尺寸呈指数关系。该方法为混凝土超声无损检测建立合适的数学模型提供了参考。     

在线超声检测系统中螺旋线圈换能器的应用*

针对在线车轮超声检测系统的工程应用,研究了圆形螺旋线圈电磁超声换能器由洛伦兹力换能机制在钢中产生的辐射声场。给出了涡流、等效表面力源和辐射声场的计算方法,分析了圆形螺旋线圈换能器在钢试块上的辐射指向性。结果表明,辐射的圆周径向偏振横波为两边瓣中空指向性,对理解圆形螺旋线圈换能器的辐射声场和在重载货车车轮轮辋在线辋裂缺陷检测中的工程应用具有一定的指导意义。     

阵元固体指向性补偿对超声全聚焦成像的 优化研究*

超声全聚焦成像中,声波的传播受到阵元指向性的影响,位于阵元不同方位的缺陷成像幅度不同。缺陷相对阵列中心偏角越大,回波幅度越低,容易造成漏检。为提高超声全聚焦算法对固体中大偏角缺陷的成像能力,该文引入了矩形阵元固体指向性函数,建立了基于固体指向性补偿的超声全聚焦优化算法,利用指向性系数对不同角度区域的成像进行幅值补偿。实验结果表明,相对于基本超声全聚焦和传统指向性补偿的超声全聚焦算法,该文固体指向性优化算法对大偏角缺陷的成像幅度补偿效果更好,检测灵敏度更高,有效避免了缺陷漏检,扩展了超声全聚焦算法检测范围。     

高能超声制备碳纳米管增强AZ91D复合材料的声场模拟

建立了高能超声制备碳纳米管增强AZ91D复合材料的声场计算模型, 并采用有限元方法计算了20 kHz超声直接作用下AZ91D熔体的声场分布, 熔体声场呈辐射状分布, 距离声源越远, 声压幅值越低. 采用超声作用下单一气泡变化模型描述超声作用下AZ91D 熔体中的空化效应, 通过对Rayleigh-Plesset方程的求解, 得到了不同声压作用下气泡的变化规律, 获得了声压幅值与熔体空化效应的关系, 声压幅值越大, 气泡溃灭半径阈值越小, 熔体发生空化效应越容易. 计算了固定坩埚尺寸、不同超声探头没入熔体深度情况下的声场, 得到了超声探头最优没入深度为30 mm左右. 将声场计算结果以及AZ91D熔体中空化效应的发生规律进行综合分析, 得到了超声功率对有效空化区域的影响规律, 超声功率较大时, 有效空化区域体积随超声功率近似成线性增大. 最后, 通过甘油水溶液超声处理实验, 验证了模拟计算的准确性.     

电磁声换能器的辐射声场研究

分析了一种圆环形螺线圈、垂直偏置磁场结构的电磁声探头在非铁磁性介质铝中的辐射声场特性。首先根据电磁感应原理对探头进行了物理和数学建模,将表面力源近似成水平和竖直分布的两种,且水平分量远大于竖直分量,推导出该种力源产生的声场的理论解析解。分别数值计算出了横波和纵波的切向和法向指向性,并和实验结果进行对比。实验结果和理论计算符合较好,为此种结构的电磁声换能器的实际工程应用提供了理论依据。      

海底沉积物参数对浅海中低频声传播的影响

推导出了考虑海底沉积物中声衰减和横波后浅海中点声源激发声场的积分表达式,并用实轴积分法和快速傅里叶交换（ＦＦＴ）数值计算模拟了爆炸声源在浅海中激发的全波列波形。考察了海底沉积物参数、声源激发主频等对低频声传播的影响。研究表明：在远场接收到的波群为声源主频处的模式波。最后讨论了通过几个不同声源激发主频处的某一模式波的群速度的测量值用最小平方和估计法来反演海底沉积物的纵波速度和横波速度的可能性。     

套管井中相控线阵声源激发的声场研究

利用相控线阵声源的动态声束偏转技术可大大增强套管井孔中有用模式波的幅度。通过实轴积分方法计算了相控线阵声源在多种胶结状况下的充液套管井中的声场,计算结果表明在Ⅰ、Ⅱ界面均胶结良好时随着相控线阵阵元间激励延迟时间的增加,地层滑行纵波和滑行横波的幅度逐渐增强,当相控线阵声源的声束偏转角先后等于地层第一临界角和第二临界角时可使滑行纵波和滑行横波幅度分别加强到最大;在Ⅰ(或Ⅱ)界面存在微环时,单个点声源激发的套管井全波波形中观测不到地层信息,当采用相控线阵声源做发射器时,通过选择相邻阵元间合适的激励延迟时间,可有效地增强地层滑行纵横波的幅度,同时还可较好的抑制套管波的能量。     

固-固界面退化特性的超声反射评价方法

提出了一种基于有限宽超声束反射的固-固界面退化特性评价方法,从理论和数值仿真角度进行了分析和计算。将两固体界面间的薄层简化为界面弹簧模型,以界面法向和切向劲度系数表征界面的退化程度。通过数值计算求得有限宽超声纵波束在不同入射角和界面不同退化程度下的反射横波、反射纵波的镜面反射系数。进一步地,通过建立二维有限元模型,仿真研究了有限宽超声纵波束在给定入射角及界面不同退化程度下镜面反射系数的变化规律。结果表明,反射纵波和反射横波的镜面反射系数随有限宽超声纵波束的入射角及界面劲度系数的改变而变化,且存在镜面反射系数随界面劲度系数单调且敏感变化的入射角,据此可准确评价界面的退化程度。     

螺旋型电磁超声辐射声场对缺陷检测影响的 计算机模拟*

电磁超声(EMAT)作为一种非接触超声检测技术，已得到了普遍的关注和研究。然而，EMAT目前只得到了一些有限的应用，尤其在缺陷探伤应用方面还不能替代压电超声，深入探究其原因并加以改进，对推动EMAT在缺陷检测方面的应用具有重要意义。利用有限元方法建立了螺旋型EMAT模型，分析了其辐射声场和声场特征；通过将有限元计算所得到的洛伦兹力分布简化为门函数，并结合格林函数法，得到了螺旋型EMAT辐射声场的简化解析结果。这些方法可用于计算螺旋型EMAT辐射声场指向性以及在缺陷检测中比较关心的一些特征参数，如扩散角、偏离角等参数。通过螺旋型EMAT辐射声场实验，验证了理论分析结果。通过与压电超声检测理论与实验的对比，研究认为：螺旋型EMAT辐射声场的具有横波和纵波等多种波模及多种模态转换的特点，以及相对复杂的异型声场几何分布等复杂特性，使其在缺陷检测应用方面受到局限。这些研究方法对改进EMAT设计，优化控制EMAT辐射声场，拓展EMAT在缺陷检测方面的应用具有参考价值。     

超声纵波在孔隙砂岩中的传播特性实验*

为了深入研究不同入射频率下超声波纵波在砂岩中的传播特性,以灰、红、褐砂岩为研究对象,开展了基于50 k Hz、100 kHz、200 kHz、500 kHz和1000 kHz入射频率的超声波纵波测试。提取纵波波速、幅值衰减系数、主频幅值、波形能量这些声学参数,结合入射频率和砂岩孔隙率进行传播特性的相关性分析。结果表明,在3种砂岩中,纵波波速随入射频率增大呈非线性增长趋势,砂岩种类不同,波速增长规律也不同;波形能量和主频幅值随入射频率呈指数关系降低;灰、红砂岩纵波波速随孔隙率越大,下降速率越大,褐砂岩在同级孔隙率下波速差异性明显。建立了基于3种砂岩的入射频率和幅值衰减系数的回归方程;基于200 kHz的入射频率,建立了砂岩孔隙率于波形能量的回归方程,实际测试中建议采用200 kHz作为入射频率,可较好兼顾检测的灵敏度和探测距离。研究成果为建立声学参数与砂岩抗压强度之间的内在联系提供了更多数据支撑,为实际物探测试中超声波入射频率的选择提供参考。     

声表面波检测铝板表面微缺陷深度实验研究

为了探究声表面波与不同深度微裂纹缺陷相互作用的关系,将脉冲激光作用于一系列不同缺陷的试件铝板上进行线光源激励,激发激光超声波。用超声传感器接收在铝板中传播的激光超声信号,通过数字荧光示波器采集激光超声在铝板中的传播数据。对采集到的反射波数据进行分离谱分离过程得到的铝板中激光超声的时域分布和透射波数据进行频域分析。实验发现:缺陷深度影响着反射回波两峰值特征点到达时间差,两者之间近似线性关系,也影响着透射波的截止频率且二者呈现递减关系。