激光激发粘弹表面波特性分析

研究了粘弹Rayleigh波的传播特性。基于基本粘弹理论,推导出了粘弹Rayleigh波频散方程及位移表述式,探讨了粘弹模量对波频散特性及衰减特性的影响。发现在小粘滞的情况下,粘弹对相速度的影响不大,波的衰减和粘滞模量近似成正比,同样量级的体变粘滞引起的频散及衰减比切变粘滞要小很多。数值上还计算了粘弹Rayleigh瞬态波形,计算结果与理论预言一致。     

利用激光超声研究功能梯度材料中声表面波的传播特性

利用有限元的方法建立了脉冲激光在功能材料中激发声表面波的理论模型,根据该理论模型分别分析了脉冲激光在不同空间调制下所激发的声表面波(SAWs)在功能梯度材料表面的传播特性,以及不同力学参量变化对所激发的声表面波传播特性的影响。模拟结果表明:线源激发的宽带声表面波在功能梯度材料表面传播时,声表面波会出现明显的色散效应;当使用光栅调制的脉冲激光在功能梯度材料上激发声表面波时,与均匀材料中所激发的声信号相比,激发频率发生相应的频移现象。该模型为功能梯度材料的非接触表征提供了理论基础。     

激光热弹激发涂层/基底系统中声表面波的有限元数值模拟

激光激发声表面波提供了评价涂层或薄膜的弹性性质的有效手段。考虑激光作用过程中材料热物理参数随温度变化的实际情况,在研究网格大小和时间步长这二个重要参数和求解稳定性的基础上,建立了优化的有限元模型数值模拟两种典型涂层基底系统中声表面波的激光热弹激发和传播过程。数值模拟结果表明:除了掠面纵波外,在快基底慢涂层系统中得到了正常的色散表面波,而在慢基底快涂层系统中得到了反常色散表面波。进一步,采取减小激发激光光斑的办法,使激发出来的声表面波频率高于慢基底快涂层系统中的截止频率时,在慢基底快涂层系统中得到了伪表面波。     

固体中脉冲激光激发声表面波的理论研究

本文运用本征函数展开的方法对固体材料中脉冲激光激发的声表面波进行了理论研究，在考虑热弹激发的条件下，利用三维的轴对称模型，得到了脉冲激光光源的脉冲宽度以及聚焦半径对固体材料中声表面波信号的时域及频域的影响，对进行超短脉冲激光激发超声的研究具有指导意义。     

激光热弹激发超声脉冲的特性研究

由一维的热传导方程和Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程，对半无限媒质表面受脉宽为ｔ０的矩形激光脉冲激励时所形成的热弹超声应力脉冲作了理论研究。在媒质是强或弱吸收，表面是钳紧或自由的情况下所得到的超声应力脉冲表达式以及对强吸收试样的实验结果，都表明对于自由表面激光脉冲所激发的超声应力脉冲是双极性的，而在钳紧表面时则是单极性的。     

近表面弹性性质连续变化材料中激光声表面波的理论研究

基于金属材料近表面层弹性性质（杨氏模量）的连续变化,建立了一种激光在基底上的梯度材料中激发声表面波的理论模型,并用有限元方法模拟了脉冲激光作用于材料上表面激发出的超声波及其传播过程.讨论了表面层厚度的变化以及表面层弹性性质的变化对热弹条件下产生的声表面波波形特征的影响,并分别计算了两种情况下的声表面波的相速度色散,得到了两种情况下声表面波的变化规律.     

研究激光激发的声表面波与材料近表面缺陷的振荡效应

根据激光激发声表面波的热弹运动方程及热传导方程, 采取有限元技术对方程进行求解, 得到声表面波传播波形图. 当声表面波经过近表面缺陷时, 声表面波与近表面缺陷之间产生一种振荡效应, 通过近表面缺陷的振荡波形幅值存在一个逐渐增加后又逐渐减小的过程. 当声表面波经过不同深度的近表面缺陷时, 振荡信号中心频率存在一定的变化规律. 数值仿真结果表明: 当近表面缺陷深度从0.1 mm到0.5 mm变化时, 振荡效应产生的振荡信号中心频率从0.4 MHz到0.76 MHz变化, 振荡信号中心频率与近表面缺陷深度呈近似线性关系, 这为近表面缺陷的定量检测提供了一种理论基础.     

深海表面层声速剖面变化对声传播的影响

在我国部分海域，表面声速常常在较短的时间内从弱正梯度变为弱负梯度，这将对表面附近的声传播产生巨大影响。本文通过数值模拟的方法，讨论了表面层声速梯度变化对声传播的影响，同时解释了某次海上实验出现的异常现象：在同一地点同一航向，前后两天海况相同，水文相差不大，第一天的实验可以在50km之外接收到信号，而第二天只能在30km处才能收到信号。     

激光激发声表面波在缺陷板材中散射过程的有限元分析

利用有限元法模拟了金属板材中激光激发的声表面波经过缺陷位置时发生散射的瞬态过程,采用线状激光源作为超声导波的激发源.针对三种不同深度的表面缺陷以及三种亚表面缺陷的模型进行了对比计算,结果显示缺陷的深度及位置对声表面波的时域特征存在显著的影响.表面缺陷深度越深将产生较大幅度的表面反射回波,亚表面缺陷的影响将取决于缺陷上顶面距离板材上表面的距离.因此,数值模拟结果表明通过分析激光产生的表面波形可以判定近表面缺陷的尺寸和所处的位置.     

激光在近表面弹性性质梯度变化的材料中激发超声波的数值分析

激光激发超声波为评价材料近表面弹性性质提供了有效的手段. 考虑到由于冲击硬化、表面热处理、表面氧化等引起的金属材料近表面层弹性性质的变化，建立了一种激光在基底上的梯度材料中激发超声波的理论模型. 用有限元方法模拟了热弹条件下脉冲激光作用于材料上表面激发出的超声波及其传播过程，研究了近表面层离散的层数对超声波的产生和传播的影响，并分别讨论了表面层“变硬”和“变软”两种情况下声表面波的模式变化及用二维傅里叶变换得到各模式的色散曲线. 为进一步研究近表面层的弹性性质建立合理的计算模型及材料性质的反演提供了理论依 关键词： 超声波 有限元法 近表面弹性性质 色散     

ZnO/Diamond/Si结构中声表面波传播特性分析

基于递归刚度矩阵方法, 建立了多层结构声表面波表面有效介电常数模型, 计算出了ZnO/Si结构声表面波的相速度频散特性, 与实验结果符合较好, 表明本文所建模型的准确性和有效性. 进一步计算得到了三层结构(ZnO/Diamond/Si)声表面波的相速度和机电耦合系数的频散规律, 获得此结构最优的高波速和高机电耦合系数组合及达到最优组合所需控制的变量, 为高频高性能声表面波器件设计和优化提供了有益参考. 关键词： 声表面波 多层结构 递归刚度矩阵 表面有效介电常数     

含有孔隙的层状材料中声表面波传播特性的理论研究

研究含有孔隙的层状材料中Rayleigh波的传播特性。采用本征函数展开法,并利用孔隙率与材料的弹性常数和密度之间的关系,模拟了不同孔隙率情况下铁基氧化铝层状材料中Rayleigh波的相速度色散曲线,分析了孔隙率对铁基氧化铝层状材料中Rayleigh波相速度的影响。Rayleigh波色散曲线的变化规律能同时反映层状材料中弹性模量、泊松比、密度和孔隙率的信息,为含有孔隙的层状材料参数的反演提供了理论依据。     

SH型声表面波在栅阵中传播特性的变分原理研究

提出了一个研究SH型声表面波在金属短路栅中传播时频散特性的理论方法,即根据陈东培和H.A.Haus理论,利用压电晶体中的变分原理和SH型表面波COM模型分析了栅阵中SH型声表面波的传播特性。该方法的最大优点是不需要使用复杂的Green’s function,其理论分析结果与Hashimoto有限元程序运算结果相一致。Hashimoto的程序在计算ST-90°X石英等一些晶体切向上短路栅的频散关系时是无解的。而这个新方法能很好的计算这些晶体上短路栅的频散关系。     

球形复合柱表面波声子晶体的带隙特性仿真

设计了一种由镍球与环氧树脂垫层组成的复合柱沉积在铌酸锂基体上构成的表面波声子晶体结构,采用有限元法计算了其能带结构和位移矢量场.结果表明:与具有相同晶格常数的倒圆锥形表面波声子晶体结构相比,研究结构可以在更低的频率范围打开更宽的声表面波完全带隙,且随着复合柱半径增大,镍球体与压电基体的硬边界之间形成限制腔模,相邻高阶带隙间存在能量的耦合以及振动模式的继承;此外,温度场的引入可以实现带隙的主动调控,带隙频率范围随着温度升高向低频移动;通过增加复合柱体的层数,多振子结构与行波发生多极共振耦合,可在高阶能带间打开完全带隙.本文的研究结果为微米级表面波声子晶体结构在100 MHz以下频率范围的带隙特性优化提供了理论支持.     

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。     

亚磷酸铝中温度补偿取向的声表面波特性研究

美国Allied公司(AC)对该公司生长的高质量亚磷酸铝(AlPO_4)单晶的五种切割测量了声表面波速度(v)、电声耦合系数(△v/v)和频率/温度特性(△f/f).理论预测的五种切割取向为:三种单转动切割——球体x轴80.4°、柱体x轴18.5°和x切19.1°;两种双转动切割——双转动A切和双转动B切.取向对应的欧拉角见表Ⅰ.     

粘弹模量对金属基底-胶粘涂层结构中类Rayleigh波传播特性的影响

为了解粘接结构中胶粘涂层的粘弹特性,进而评价粘接质量,对半无限金属基底-胶粘涂层结构涂层中的类Rayleigh波传播特性进行了研究。从粘弹的基本理论出发,通过Laplace-Henkel变换技术建立起类Rayleigh波的频率方程,将粘接涂层视为Kelvin体计算并分析了其粘弹模量对波的频散及衰减关系的影响。理论计算发现粘弹体的粘滞项对频散低阶模式影响不大,但随着粘滞的增大对高阶模式可产生影响。同时粘滞还影响各阶模式波的衰减,特别是Sezawa模式对衰减较Saw模式更为敏感,在某些结构中还会出现局部的极小值现象,结果表明:对粘涂层结构涂层中类Rayleigh波传播特性的研究可为粘弹模量的定量评估及粘接质量的评价提供一定的理论方法。     

黏弹性胶粘涂层-基底结构中激光激发类瑞利波的传播特性

研究黏弹性胶粘涂层/基底结构中激光激发类瑞利波的传播特性。考虑涂层及基底的黏弹性,在频域中建立环氧树脂涂层/铝基底、环氧树脂涂层/铜基底、环氧树脂涂层/泡沫基底等结构中激光激发类瑞利波的有限元数值模型,研究类瑞利波的波形及传播特性,并分析环氧树脂涂层的透明性、厚度、黏性与基底的黏性对类瑞利波传播特性的影响,在此基础上,结合理论计算的色散与衰减曲线进行验证。研究结果表明,涂层的黏性引起类瑞利波高频成分的衰减,而对低频成分没有影响;基底的黏性对类瑞利波的高频与低频成分的衰减均有影响,其中对低频成分影响较大,此外,类瑞利波的模式及频散特性与基底材料密切相关。本研究为反演黏弹性胶粘涂层/基底结构的力学参数及评估结构的粘接质量提供理论指导。     

声表面波单电子输运器件中量子线的电学特性研究

通过在Al_xGa_1-xAs/GaAs异质结表面制作一对分裂门,获得了用于实现声表面波单电子输运的准一维量子线.实验研究了0.3K时电子沿该量子线的输运性质.通过自洽求解二维薛定谔方程和泊松方程,分析了该量子线的导带能量和电子浓度的分布,并讨论了量子线宽度对分裂门方向形成限制势的影响.特别是对其线性电子浓度随温度及分裂门电压的变化关系进行了数值模拟,所得到的钳断电压与实验测量值符合较好. 关键词： 量子线 分裂门 线性电子浓度 钳断电压     

黏弹性胶粘涂层-基底结构中激光激发类瑞利波的传播特性

研究黏弹性胶粘涂层/基底结构中激光激发类瑞利波的传播特性。考虑涂层及基底的黏弹性,在频域中建立环氧树脂涂层/铝基底、环氧树脂涂层/铜基底、环氧树脂涂层/泡沫基底等结构中激光激发类瑞利波的有限元数值模型,研究类瑞利波的波形及传播特性,并分析环氧树脂涂层的透明性、厚度、黏性与基底的黏性对类瑞利波传播特性的影响,在此基础上,结合理论计算的色散与衰减曲线进行验证。研究结果表明,涂层的黏性引起类瑞利波高频成分的衰减,而对低频成分没有影响;基底的黏性对类瑞利波的高频与低频成分的衰减均有影响,其中对低频成分影响较大,此外,类瑞利波的模式及频散特性与基底材料密切相关。本研究为反演黏弹性胶粘涂层/基底结构的力学参数及评估结构的粘接质量提供理论指导。