SH0导波在粘接结构中传播时的相位变化1）

对粘接结构进行超声导波无损检测与评估是一个有挑战性的前沿性课题.针对此问题,研究了SH₀导波在界面为理想连接的三层板状粘接结构中传播时的相位变化情况.首先基于波传播的控制方程,建立了粘接结构中反射和透射SH₀导波相对于入射SH₀导波的相位差解析模型.然后利用数值模拟计算了铝/环氧树脂/铝粘接结构中反射和透射SH₀导波的相位差曲线.最后分析了入射角度和频厚积的变化对反射和透射SH₀导波相位差的影响.结果表明,对于具体的粘接结构,反射和透射SH₀导波在其中传播时的相位差变化主要依赖于入射角度、频率等参数.在特定的频厚积下,当声波水平入射时,反射和入射SH₀导波同相位.无论入射角度为多大,随着频厚积的增大,反射SH₀导波的相位差曲线均会产生周期性谐振.对于透射SH₀导波,当声波垂直入射时,其相位差曲线的改变无规律可循;但是随着入射角度逐渐增大,透射SH₀导波的相位差曲线逐渐变规则.所得结果可为实验时研究板状粘接结构中SH₀导波的传播特性以及提取SH₀导波回波中的有用信息和定位提供一定的理论指导.     

“三明治”结构强度弱化的反射特性研究

针对铝-胶层-铝结构强度弱化的超声检测问题,采用改进全局矩阵法推导了多层粘接结构中超声传播方程,通过降低胶层的剪切波波速来模拟粘接强度弱化,对不同频率、不同入射角情况下超声纵波入射“三明治”结构时的反射系数与粘接强度的关系进行了仿真计算.仿真结果为:超声纵波以0.5MHz入射,在入射角为65°~73°区域内进行扫描检测,通过角度分辨的方式对强度弱化区域进行定位.第一层与胶层之间的界面出现强度弱化时,检测条件为0.5MHz、65.9°的超声纵波;胶层与第三层之间的界面出现强度弱化时,检测条件为1.0MHz、62.9°的超声纵波.结果表明:在特定的频率和入射角进行组合情况下,采用超声纵波斜入射方法可实现对粘接结构界面的强度弱化区域的定位和粘接强度的定量检测.     

基于弱粘接结构中谐振频率的研究

利用弹簧模型方法研究了铝-粘接剂-铝结构中波的反射和透射系数。首先利用粘接层界面的一次反射导出切向和法向刚度比表达式;其次,推导了粘接层界面存在多次反射和透射时刚度比、谐振频率及反射系数之间的关系,得到了弱粘接结构的反射系数随着不同刚度比的变化规律;最后求解了弱粘接层厚度的变化对谐振频率的影响。理论分析和数值计算的结果表明：反射系数取极大值时粘接层厚度与谐振频率的积成奇数倍的关系,反射系数极小值时粘接层厚度与谐振频率的积成整数倍的关系;随着刚度比的增加,谐振频率向高频方向漂移,随刚度比的减小,反射系数逐渐的趋近与1。     

波由单相弹性介质向横观各向同性液体饱和多孔介质传播时的反射与透射

研究了弹性波从单相各向同性弹性介质向双相各向异性液体饱和介质的传播问题。基于Biot的孔隙介质理论，并考虑动态渗透率，对以任意角度，任意频率入射的弹性波，解析地导出了在界面上的透射角，透射波波速和衰减系数，给出了各波在界面上的能量分配，数值计算了反射，透射系数与入射角，孔隙度等的关系曲线。     

弹性波斜入射声子晶体的传输特性

引入四维波矢的概念,推导出弹性波斜入射到多层介质系统的转移矩阵以及透射系数和反射系数公式.利用这些公式计算了横波和纵波斜入射一维声子晶体时横渡和纵波的透射系数,得出横波斜入射,透射波中的横波和纵波在一定频率范围内都会出现禁带,纵波斜入射时也有类似的结果.透射波中横波与纵波的相互转型随着入射角的增大而越加明显.     

基于导波技术的螺柱轴力无损检测

根据弹性动力学理论,采用纵向导波与弯曲导波相结合的方法对螺柱所受轴向应力进行无损检测。计算了M22螺柱中纵向导波和弯曲导波的群速度频散曲线。根据频散曲线,确定了采用导波对螺柱轴向应力进行无损检测的最优检测信号频率范围(50~80 kHz),此频率范围的纵向导波与弯曲导波模态单一,并且频散性较低。分别计算了不同轴向应力σ作用下,多种频率的纵向导波和和弯曲导波在螺柱中传播的群速度值cgσrL和cgσrF。结果表明,随着轴向应力的增大,同频率纵向导波和弯曲导波的群速度皆呈线性递减趋势。利用纵向导波和弯曲导波群速度与轴向应力的线性关系及纵向导波和弯曲导波在轴向应力作用螺柱端面的反射时间tLσ和tσF,可以迅速确定螺柱所受轴向应力值。     

空气耦合层状复合材料的声传播研究

本文研究了空气耦合层状复合材料的声传播。从基本波动方程出发,由气固边界条件,利用势函数法求解声波任意角入射层状复合材料的声传播,并通过数值计算得到其透声系数幅度和相位随频率变化的规律。基于MATLAB建立了测量任一入射角透声系数的实验平台,并对复合材料试样进行了实验,得到的透声系数幅度与理论计算结果吻合,说明了所建立的声传播理论和实验检测方法的有效性。     

层状粘接复合结构界面力学参数声导波定征方法

在推导层状粘接复合结构良好粘接及存在弱界面、滑移界面和脱层等几种不同界面条件下声导波的广义频散方程的基础上,分析了界面径向与轴向力学参数对声导波传播特性的影响,进一步提出以频散特性为基础的超声导波定征方法和在最小二乘意义下的反向算法对粘接复合结构层间界面力学参数进行了估计,分析了影响估计准确性的各种因素,研究了超声导波定征方法对粘接复合结构层间力学参数的灵敏度及其在误差传递中的意义。     

高频纵向导波在钢杆中传播特性的研究

计算了钢杆中纵向轴对称导波模态的衰减频散曲线和群 速度频散曲线. 分析了1~3MHz范围内高频纵向轴对称超声导波在钢杆中的传播特 性. 理论分析表明,各高阶纵向模态都存在一个衰减最小值,在此衰减最小值所对应频率下 的高阶模态能传播较远距离,可用于钢杆导波检测. 建立实验系统,采用轴对称同端激 励接收的方法,根据第1次端面回波做出群速度和端面回波幅值随频率变化曲线,实验结 果与理论分析基本吻合. 表明考虑材料衰减特性的钢杆频散曲线可以作为实验指导依据.     

多层圆柱体锚固结构中超声导波频散特征的研究

超声导波无损检测技术因其高效和快捷的优点成为检测锚杆锚固质量的有效方法。但锚固锚杆结构中超声导波的多模态性、频散性与能量泄露导致完整的锚杆底端反射信号的获得具有不确定性。应用弹性动力学理论并采用全局矩阵法建立超声导波在多层圆柱体锚固结构中的频散方程的通用表达式,然后通过非线性外推法和二分法两步算法求解频散方程的精确解,解决了频散曲线的分类和相交等难题,获得了具有自主知识产权的求解多层圆柱体锚固结构频散曲线的程序。利用该程序计算了不同锚固锚杆结构的频散曲线,并与商用软件Disperse计算的结果吻合较好。同时用本程序计算了实验室有限锚固结构中的频散曲线,验证了低频导波在有限与无限结构中的巨大差异,而这一结构特征的频散特性Disperse并未给出相关算例。     

三层流体中斜入射波作用下半无限板的水弹性响应

解析地研究了在三层流体中斜入射波浪与半无限弹性板的相互作用引起的波散射和板的水弹性响应. 三层流体在界面处的密度发生阶跃, 各层为一常数. 假设流体不可压缩、无黏、流体运动无旋. 在线性势流理论框架下, 使用本征函数展开法和内积式给出波板相互作用的半解析解. 根据色散关系分析, 得到了表面波模态和界面波模态入射时的临界入射角. 随着物理参数的变化, 临界角将随之发生变化. 临界角决定了当由开阔水域向板覆盖水域传播的表面波或界面波的存在性: (1)板覆盖水域入射界面上, 透射波能否存在; (2)入射界面之上界面中, 板覆盖水域中的透射波以及开阔水域中的反射波能否存在. 当下界面波入射时并且入射角足够大时, 开阔水域中的下界面波模态是整个流体域中唯一存在的模态.      

三层流体中斜入射波作用下半无限板的水弹性响应

解析地研究了在三层流体中斜入射波浪与半无限弹性板的相互作用引起的波散射和板的水弹性响应.三层流体在界面处的密度发生阶跃,各层为一常数.假设流体不可压缩、无黏、流体运动无旋.在线性势流理论框架下,使用本征函数展开法和内积式给出波板相互作用的半解析解.根据色散关系分析,得到了表面波模态和界面波模态入射时的临界入射角.随着物理参数的变化,临界角将随之发生变化.临界角决定了当由开阔水域向板覆盖水域传播的表面波或界面波的存在性:(1)板覆盖水域入射界面上,透射波能否存在;(2)入射界面之上界面中,板覆盖水域中的透射波以及开阔水域中的反射波能否存在.当下界面波入射时并且入射角足够大时,开阔水域中的下界面波模态是整个流体域中唯一存在的模态.     

弹性波在准饱和土和弹性土界面的反射与透射

考虑土颗粒和孔隙流体的压缩性,根据准饱和土体的变形连续条件和平衡条件,推导了P1波(快压缩波)、P2波(慢压缩波)和S波的计算公式．根据Snell定理,研究了平面P1波从准饱和土体入射到弹性土层时在界面上的反射和透射,并绘制了反射系数、透射系数和界面应力、位移随入射角的变化曲线,结果表明:饱和度是影响界面效应的一个重要因素,当饱和度低于99％时,反射和透射系数以及应力和位移基本相等,变化不大,但当饱和度为100％时,虽然饱和度比99％提高了1％,但反射和透射系数以及应力和位移值比饱和度为99％时明显降低．     

基于超声导波技术对板表面缺陷的无损检测研究

本文通过数值计算与实验,研究了薄钢板内导波的传播及其频散、多模态特征以及被激励模态与斜探头入射角的关系.利用所建立的实验系统,对钢板表面的人工缺陷进行了检测.结果表明,对特定频率,选择A1模态的超声导波检测钢板表面缺陷是可行的.     

非线性变形节理中纵波传播特性的理论研究

基于波前动量守恒理论和位移不连续方法所提出的时域分析新方法,引入岩石非线性法向本构关系,对弹性纵波在岩石非线性节理中的传播特性进行了理论分析。采用节理变形的双曲线模型(BB模型),获得纵波P波斜入射非线性节理的传播波动方程,并通过参数研究分析了在岩石节理中节理非线性系数、节理初始刚度、应力波入射角和入射波幅值等因素对纵波传播规律的影响。结果表明:所推导的应力波传播方程在考虑多种非线性问题时,通过迭代计算即可方便求出透射波和反射波的数值解,避免了复杂的数学运算;当波斜入射节理面时,产生了波型转换,节理变形的非线性对透射波和反射波有较大影响,透射系数和反射系数并非随着非线性参数的变化而单调变化。时域内所推导的波传播方程更有益于波斜入射时非线性参数的广泛研究,为开展该方面的理论研究工作提供了借鉴。     

圆弧形超表面对透射声波的可调控制与功能转换

基于"螺丝?螺母"的工作原理,设计了可调的透射型三通道螺旋单元,通过调节螺丝的旋拧深度来改变声通道的长度,从而实现对透射声波相位的调节.利用有限元方法计算了单元的透射波相位差和透射系数随频率和旋拧深度的变化规律.在平面广义Snell定律基础上推导了适用于圆弧形曲面的广义Snell定律.设计了圆弧形超表面,包括弧状和圆环...     

有限周期微穿孔波纹板吸声体吸声性能研究

为了推动微穿孔吸声体(MPA)在工程中的实际应用,本文采用数值仿真方法,研究了有限尺寸的微穿孔波纹板吸声体的吸声性能.首先,基于微穿孔板阻抗理论,并将平面波谱法和有限元分析方法耦合起来,构造了微穿孔波纹板吸声体(CMPA)的三维仿真模型,给出了在声波垂直入射和斜入射工况下,吸声体声学性能的计算列式;然后,应用有限元软件COMSOL,模拟了有限周期CMPA的吸声性能,分析了波纹深度和波纹间距与吸声性能之间的关系,以及声波入射方向对吸声性能的影响;最后,为改善吸声体对声波方向的敏感性,设计了双向波纹状微穿孔板吸声体.结果表明,在声波垂直入射和斜入射的工况下,相对于传统的平直微穿孔板吸声体,波纹板吸声体具有更好的吸声性能,包括更高的吸声系数和更宽的有效吸声频带;双向波纹板吸声体能显著改善单向波纹板对声波入射方向的敏感性,实现在更大声波入射角范围内的有效吸声,如当入射声波方位角任意且入射角在0°～45°范围内时,双向波纹板吸声体,在500～2500 Hz范围内的吸声系数都大于0.7,表现出了优良的吸声性能.     

钢轨轨底垂直振动模式导波检测技术的实验研究

现有铁路钢轨超声探伤车技术无法检测线路钢轨轨底缺陷,给铁路运输安全带来很大隐患.本文开展了钢轨轨底超声导波传播特性和垂直振动模式导波检测技术研究,采用半解析有限元方法分析了我国60型钢轨轨底的各振动模态导波频散曲线和波结构.应用模态锤技术对自由状态钢轨轨底垂直振动模态导波传播特性进行了实验测量,结果表明,在0～100kHz频率范围内,钢轨轨底垂直振动模态优势模式与厚度为14 mm板中的A0模式兰姆波具有等效性.进一步研究了激励频率、激励脉冲周数、传播距离对轨底垂直振动模态导波传播的影响,设计了导波斜探头,选择合适的参数在钢轨轨底激励出垂直振动模态导波并检测出了轨底的人工缺陷.本文的研究结果为线路钢轨轨底的导波检测技术奠定了一定的基础.     

注浆锚杆中扭转导波的传播特性

理论研究了扭转导波在注浆锚杆中的传播特性。首先建立了注浆锚杆两层复合结构中的扭转导波的频散方程,之后数值计算得到了扭转导波的能量速度、衰减频散曲线及导波在注浆锚杆中的位移分布情况。结果表明,(1)500kHz范围内,注浆锚杆中具有三种扭转导波模态T(0,1)~T(0,3),三种模态均具有频散性。随着频率逐渐增大,导波的能量速度逐渐增大,而衰减值逐渐减小。(2)50kHz和200kHz的T(0,1)模态扭转导波在锚杆体内的周向位移值较大,所以对锚杆体表面的轴向缺陷敏感,而导波在锚杆与注浆体接触面上的周向位移较大,从锚杆泄漏至注浆体中的能量较大,导波衰减较严重。(3)频率高于100kHz,锚杆直径的变化对T(0,1)模态的能量速度几乎无影响,而频率低于100kHz,注浆体弹性模量越大,T(0,1)模态的能量速度越小。     

正负折射率的一维圆形受限光子晶体特性研究

对正负折射率材料构成的一维光子晶体,在横向圆形受限的条件下,推出了光波在其中传播时模式所满足的条件,并利用特征矩阵法研究了正负折射率绝对值相同时,光波在不同模式和不同介质厚度可见光能实现透射波和零反射。正负折射率绝对值不等时,得出介质厚度为半波长时透射波出现在中心波长处;随着模式数即入射角增大,透射波曲线向短波方向移动;介质折射率差的绝对值越大、周期数增加都使透射波谱宽度变窄。