粘接界面特性的超声检测与评价

粘接界面特性的超声检测与评价既是物理学的前沿问题,又是经济建设和国防安全亟需解决的应用问题。高波阻介质下多层低波阻介质界面脱粘检测、滑移界面检测和粘接强度定量评价是粘接质量检测中遇到的三大难题。本文综述了课题组十余年来在攻坚三大难题方面的研究工作：建立了共振匹配理论,发明了六项关键技术并实现了技术集成,研制出全新概念的超声检测设备,解决了第一个难题;成功研制出横波直探头,用纵横波综合判断方法解决了第二个难题;对第三个难题,建立了粘接界面非线性弹簧模型,为利用非线性声学参量评价粘接界面奠定了理论基础,并探索性地利用统计性方法对粘接强度进行了预测,取得较好效果。     

粘接质量超声检测研究

高波阻抗层下多层低波阻抗层间脱粘的超声检测问题是具有普遍意义又很难解决的检测问题，本文介绍了我们近年来在些方面的一些研究进展，首先从传播特性入手总结出几个有用的特征规律，并结合这些物理特征规律选取相应的信号处理手段，从方法上实现多层界面的脱粘检测，并作了多种技术集成，做出有实际应用价值的检测系统。     

循环温度疲劳作用下粘接界面损伤的非线性超声评价

材料损伤以及性能退化与超声波的非线性效应密切相关.为研究循环温度疲劳作用下粘接界面的损伤情况,本文采用超声波透射法,研究了6061型铝合金/改性丙烯酸酯胶粘接界面的声学非线性系数随高温、低温循环次数的变化情况.结果表明,在高温循环疲劳作用的初始阶段,试件的非线性系数变化不明显,但随着高温循环次数的不断增加,非线性系数随循环次数的变化十分明显;对于低温循环疲劳作用的初始阶段,试件的非线性系数迅速增大,随着循环次数的增加,其值增速减缓.在低温循环疲劳寿命的后期,试件的非线性系数随循环次数的增加而继续增大.进一步的讨论结果表明,胶层三阶弹性常数的变化是造成高温循环疲劳时非线性系数变化的主要原因,而对于低温循环疲劳,粘接界面拉伸刚度的变化是引起非线性系数变化的主要原因.     

超声在粘接界面的反射和透射

本文讨论了有关超声在两种固体粘接界面上的各种理论模型，介绍了这些模型所假设的界面边界条件以及由此而得到的超声在粘接界面上的反射系数和透射系数。     

层状粘接结构超声检测信号的同态解卷积脱粘界面定征

本文利用建立的多层粘接结构超声无损检测信号的卷积模型,推导出了检测信号的解析表达式,并用同态滤波解卷积方法有效地提取出粘接结构的系统响应,进而由其中界面多次反射响应的位置、幅度和包络等特征参数,实现了脱粘二界面（指空气脱粘）的定征和识别。仿真和实验数据的处理结果表明本文方法对脱粘检测的应用有积极的意义。     

基于超声相控阵的环焊缝缺陷检测方法研究

针对传统超声探头焦距固定,检测位置的改变就要更换相应焦距的探头而影响检测效率的问题,提出一种基于超声相控阵换能器的环焊缝缺陷检测方法。而超声相控阵具有电子偏转和电子聚焦特性,能在不移动的情况下发射偏转聚焦超声束,有效地解决了上述问题。首先基于超声相控线阵换能器的声场特点,采用数值分析方法,研究了影响声束偏转聚焦性能的几个主要参数。然后给出了与超声相控阵换能器相连接的多通道数据采集系统结构。介绍了单通道声信号的硬件结构及相应的信号处理方法,实现了对换能器中单个阵元的精确延时的控制。实验结果表明,优化设计的超声相控线阵换能器具有较高的检测精度和检测效率。     

超声导波管道缺陷定位方法研究

该文提出了一种基于多换能器的超声导波管道缺陷定位方法,利用两个环形换能器阵列分别接收与缺陷相关的反射信号和透射信号,实现管道缺陷轴向及周向定位。首先利用变分模态分解法对信号进行滤波,在滤除噪声的基础上对信号进行小波变换,获得缺陷反射的导波时频信息,根据反射波的渡越时间计算缺陷在管道轴向的位置。在缺陷的周向定位上,提出一种损伤指数迭代方法,根据透过缺陷后导波的损伤指数来计算缺陷的周向位置及周向长度。仿真和实验结果表明,该文所采用的方法能够较为准确地测量出管道上缺陷的位置及周向长度。     

车轮轮辋缺陷的超声相控阵检测系统研究*

针对火车车轮检测中常规超声波探伤存在的检测灵敏度低、声束灵活性差、信噪比低等问题,研究了超声相控阵在火车车轮轮辋检测中的应用。本文介绍了超声相控阵检测技术的原理,并从超声相控阵换能器、硬件系统和软件系统三个方面阐述了火车车轮轮辋缺陷的超声相控阵检测系统的研究过程。最后通过人工模拟缺陷的相控阵检测实验,测试了该检测系统的性能,验证了相控阵检测设备具有灵敏度高、声束可控性好和可靠性高等优点。     

铝制焊接容器超声导波成像检测

针对中厚板铝制焊接容器的安全评价需要,论文研究了超声导波成像检测技术。通过对铝制焊接容器中不同模态超声导波的频散曲线及波结构分析,选择激励频率为2 MHz的S1模态作为中厚板铝制焊接容器健康监测的导波模态,并研制了适合铝制容器检测的2 MHz/S1模态压电晶片换能器,建立了超声导波成像系统。实验结果表明,该方法仅需经过有限次的扫查,就可以得到容器全壁厚范围内健康信息的超声导波图像,从而清晰地识别容器内的缺陷。该研究为中厚板铝制焊接容器的健康监测提供可行的技术方案。     

Guided ultrasonic waves for non-destructive monitoring of the stress levels in prestressed steel strands

The safety of prestressed civil structures such as bridges, dams, nuclear power plants, etc. directly involves the security of both environment and users. Health monitoring of the tensioning components, such as strands, tendons, bars, anchorage bolts, etc. is an important research topic and a challenging task bringing together the non-destructive evaluation (NDE) and civil engineering communities. This paper deals with a guided ultrasonic wave procedure for monitoring the stress levels in seven-wire steel strands (15.7 mm in diameter). The mechanical and geometrical characteristics of the prestressed strands were taken into account for optimizing the measurement configuration and then the choice of the guided ultrasonic mode at a suitable frequency. Simplified acoustoelastic formulations were derived from the acoustoelasticity theory according to either calibration test or in situ measurement. The results from acoustoelastic measurements on the seven-wire steel strands are presented and discussed in the case of calibration tests and industrially prestressed strands. They show the potential and the suitability of the proposed guided wave method for evaluating the stress levels in the tested seven-wire steel strands.     

用于储罐底板缺陷检测的超声兰姆波模式研究

从超声兰姆波的声场方程出发,得到板材表面离面位移(法向位移)为零的条件,即当超声兰姆波的相速度等于板材介质的纵波声速时,在板材表面的离面位移为零。在给定适当频厚积的条件下,分别数值模拟了仅有切向位移而无离面位移的A1、S1、A2和S2兰姆波模式在有液体负载的单层钢板中的传播情形。结果表明:离面位移为零的S2模式频散较小且对板中缺陷更为敏感。     

Simulation of Lamb wave's interactions with transverse internal defects in an elastic plate

Lamb wave’s interactions with transverse internal defects in an elastic plate are investigated in this paper to help practical inspection work with guided wave. A 2D frequency domain hybrid boundary element method approach previously mainly used to study Lamb wave’s interactions with external defects in elastic plates is adopted in this work and extended to study the cases of internal defects. Simulation examples are presented to illustrate the reflection and transmission coefficients’ variations with various parameters including defect’s height, width, testing fd for internal symmetrical and non-symmetrical cracks, with symmetry defined with respect to the middle plane of the plate. This simulation could be a valuable tool for the research of Lamb wave’s applications in nondestructive testing (NDT) field, as the problem of internal defects could be difficult to study experimentally because of the inconvenience in machining internal defects in a real plate.     

掺杂和结构对光纤中去极化型声波导布里渊散射频移与散射效率的影响

利用全矢量有限元法研究了单模光纤及光子晶体光纤中掺杂材料及浓度、光纤结构对去极化型声波导布里渊散射频移和散射效率的影响.结果表明增大包层掺氟浓度或纤芯掺锗浓度均会减小光纤布里渊频移,也会增大单模光纤散射效率.光子晶体光纤中整体掺氟浓度不变时,空气孔层数的增加会减小布里渊频移;而纤芯掺锗浓度不变时,随空气孔层数的增加TR2,3模式的布里渊频移增大,而TR2,7模式的布里渊频移减小.