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。     

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。     

多层粘接结构中脱粘界面的人工神经网络余弦变换谱特征识别

针对钢－橡胶多层粘接结构中界面脱粘的超声检测难题,利用余弦变换（ＤＣＴ）提取的表征检测信号的模式特征矢量,通过人工神经网络模式识别方法对不同界面脱粘时实验检测信号的正确识别,实现了脱粘一、二、三和四界面的检测。本文脱粘界面信号模式的人工神经网络识别系统对现代工业中ＮＤＴ＆ＮＤＥ的自动化有着积极的意义。     

子带自适应滤波在层状介质脱粘超声检测中的应用

高声阻抗下低声阻抗的脱粘检测一直是超声检测领域中的难题。文章针对钢层下橡胶层分层信号,互相关最大为准则,采用小波包子带分解自适应滤波方法提取橡胶层脱粘的二界面信号,给出了仿真信号和实验信号的处理结果,显示了该方法的有效性和可行性。     

多层结构中脱粘缺陷的超声检测方法

固体火箭发动机多层装药结构中的脱粘类型、位置和尺寸决定了其对整体安全性能构成的威胁程度。该文研究了多层结构中脱粘缺陷的超声检测方法,通过对不同脱粘缺陷超声脉冲回波的特征分析与统计,实现缺陷的定性、定位和定量。首先,采集含有多类脱粘缺陷的粘接结构的超声脉冲回波信号,分析信号中主能量波包所代表的声程,提取五种声程的波峰时刻和幅值作为特征值,组建已知脱粘类型训练样本并输入至BP神经网络,实现特征值域到类别域的非线性映射,即脱粘类型分类;其次,采用阈值法确定缺陷的界面位置;最后,提出分段线性插值-相关性定量法将待检测缺陷的定量结果缩小到±2 mm以内。该文利用COMSOL有限元仿真和实验操作验证了多层粘接结构中脱粘缺陷的定性、定位和定量方法的可行性和可靠性。     

量子相干表面等离子体谐振系统中古斯-汉欣位移的控制

当光束在两种介质的分界面上发生全反射时,反射光会产生横向的古斯-汉欣(GH)位移。在Kretschmann结构中引入原子介质,利用耦合光激发表面等离子体波,研究了表面等离激元辅助的干涉效应作用下探测光的反射GH位移。通过对比耦合光分别为行波和表面等离子体波时探测光的反射率和反射GH位移,发现当探测光入射角偏离谐振角时,反射率曲线会出现类似Fano共振的不对称性,反射GH位移关于探测光失谐量有一段线性变化区域,且可以在正负之间变化;当耦合光为表面等离子体波时,反射GH位移对探测光失谐量的变化更敏感。     

激光超声方法研究固-固界面波传播特性

对界面波的传播特性进行了理论及实验研究.首先探讨了界面波的求根问题，基于黎曼面分析，给出了求解界面波特征方程所有根的一般方法.理论上对三种常见的界面波——Stoneley波，Leaky Rayleigh及Leaky Interface波传播机理进行了分析，描述了三种界面波的波矢及位移势在两种介质中的状态.最后基于光弹效应原理, 利用全光学的激光超声手段对界面波进行了实验测量，实测结果与理论符合很好.     

固体滑移界面的超声评价

为评价固体滑移界面的特性,根据QSM界面模型和粘滞流体的本构方程导出了滑移界面的界面劲度系数及垂直入射到固体滑移界面的超声纵波和SH波的反射系数公式,其中纵波的反射系数与滑移界面层的绝热体积弹性模量、粘滞系数和入射声波的频率有关,而SH波的反射系数与界面层的绝热体积弹性模量和入射波的频率无关。因此,可以用SH波直接评价界面的不同粘滞状态,且不受检测频率的限制。要评价界面的绝热体积弹性模量,则必须增加纵波检测。利用蜂蜜和水模拟不同滑移界面层的声波反射实验验证了上述理论结果。     

测量介同波吸收的实验研究

利用微波分光仪测量介质板的微波吸收系数,考虑了接收器和介抽板对微波的反射影响,沿波传播方向移动介质板的位置来测量同波强度的极大值和极小值,以它们的平均值作为透射波的强度。还考虑了介质板两个界面的反射对入射波强度的影响。     

基于传输线模型的高阻表面反射相位分析

采用传输线模型对高阻表面表面阻抗进行建模,准确计算垂直入射条件下高阻表面的反射相位.在垂直入射条件下,过孔的影响可以忽略,将高阻表面等效为具有容性的贴片阵与具有感性的介质层的并联,利用传输线原理求得高阻表面的反射系数,再得到其反射相位.计算了不同参数的高阻表面反射相位,传输线模型计算反射相位与数值方法计算结果符合较好.制作了不同参数的高阻表面并测量其反射相位,实验结果表明传输线模型计算反射相位结果与测量结果基本符合,证明了传输线模型的正确性. 关键词： 高阻表面 反射相位 传输线模型     

测量介质微波吸收的实验研究

利用微波分光仪测量介质板的微波吸收系数,考虑了接收器和介质板对微波的反射影响.沿波传播方向移动介质板的位置来测量微波强度的极大值和极小值,以它们的平均值作为透射波的强度.还考虑了介质板两个界面的反射对入射波强度的影响.     

平面电磁波在任意方向运动的介质-介质界面上的反射和透射

研究平面电磁波从一种介质入射到另一种以任意方向运动的介质时,在介质界面上发生的反射和透射现象,从Maxwell方程组、运动界面的边值关系和运动介质的本构关系出发,得到了反射波和透射波电磁场矢量与入射波电磁场矢量的关系的表达式、反射和透射系数,讨论了反射波、透射波与入射波之间的能量关系,电磁波对运动介质作用力的性质,并得出一些新的结论． 关键词：     

冲击波在空气和熔石英元件界面传播的超快诊断

基于球面波在弹性介质界面上的反射和折射特性的基本理论,采用超快时间分辨的光学诊断技术,研究了532nm纳秒激光辐照熔石英元件表面产生的冲击波在空气和样品界面的传播特性,获得了冲击波在材料内部传输以及在空气与样品界面反射的时间分辨图像。结果表明:激光脉冲与材料作用在前后表面产生了向体内传输的冲击波,且产生的冲击波在玻璃与空气界面处反射为两个波,即反射波和反射剪切波;反射波和反射剪切波的强度与入射冲击波的入射角有关。     

介质运动时的电磁规律

静止时线性、均匀、各向同性的介质，当它运动时变得不再各向同性，其标志是光线和波法线分离，波面形状由球面变成椭球面．本文给出了非各向同性介质与介质运动速度间的定量关系，导出了电磁波在运动介质表面反射和折射的普遍规律．并且就介质的运动方向与介质表面垂直或平行两种特殊情形进行了较为详细的分析。     

超声与固体中含气泡层的相互作用

本文利用固体层状媒质声反射模型,给出了固体中含气泡层声反射和透射系数的表达式,并由此导出沿固体中含气泡薄层对称和反对称模式界面波的特征方程式。本文还介绍了含气泡固体有效弹性模量的估算方法,文中给出的数值计算具体说明了气泡体积浓度和气泡层厚度对声反射系数、声透射系数以及反对称模式界面波传播速度的影响,本文的研究为根据声反射系数和界面波的传播速度的测量反演固体间气泡层的力学性能提供了理论依据。 关键词：     

共享孔径人工电磁媒质设计及其在高增益低雷达散射截面天线中的应用

提出了一种具有部分反射特性和吸波特性的共享孔径人工电磁媒质(shared aperture metamaterial, SA-MTM).该媒质由上层斜十字金属图案加载集总电阻的吸波表面、下层开条带缝隙金属面的部分反射表面以及中间介质层构成, 吸波表面和部分反射表面在垂直维度上共享了一个物理孔径使该媒质同时实现了吸波特性和部分反射特性.将SA-MTM与天线一体化设计, 利用SA-MTM的部分反射表面和天线表面构成的法布里-珀罗(Fabry-Perot, F-P)谐振腔提升天线的增益, 利用SA-MTM的吸波表面吸收入射电磁波实现低雷达散射截面(radar section cross, RCS)天线的设计.仿真和实验结果表明, SA-MTM 的加载使天线的前向增益在5.57–5.94 GHz 的工作带宽范围内都提升了3 dB以上, 且天线的后向RCS在2–9 GHz范围内都有明显的减缩.该研究成果克服了天线辐射性能和散射性能无法兼顾的矛盾, 对高增益低RCS天线的设计具有重要的指导意义.     

超声液位检测频率选择的理论计算和实验研究

非介入式超声液位检测中,中间层介质对反射回波强度有着显著的影响,为得到较强的检测回波信号,发射频率的选择是非常必要的。本文采用传输矩阵方法,对非介入式超声液位检测中声波在多层介质中的传播进行了研究,给出了反射回波声强与入射声波频率之间的关系,从理论上计算得到了最佳入射声波频率。实验结果与理论计算一致,由此为非介入式超声液位检测的频率选择提供了一有效的技术途径。     

套管中泄漏弯曲型Lamb波的传播特征

低阻抗水泥固井质量检测是油气田生产亟需解决的问题。套管中传播的最低阶泄漏弯曲型Lamb波(以下简称为A0弯曲型Lamb波)对套管后介质尤其是低阻抗水泥的声学参数和胶结状况具有很高的敏感性。通过建立多层介质模型,从理论上计算了其频散和衰减与套管后介质属性及水泥环第Ⅰ界面胶结状况的关系,并数值模拟了有限尺寸定向辐射探头激发和接收的全波波形。结果表明,在套管后耦合慢速水泥时,A0弯曲型Lamb波的频散曲线存在断点,曲线分为两个分支;A0弯曲型Lamb波的衰减在套管后耦合慢速水泥时最大并且对水泥环第Ⅰ界面胶结差时流体环厚度有很高的灵敏度,利用其衰减可以实现对套管后介质类型、水泥环第Ⅰ界面胶结状况及窜槽厚度的有效判别。      

Scholte波与含泥沙两相流介质属性关系的分析及仿真验证

基于四种超声悬浮液模型Urick, Urick-Ament, HT, Mcclements分析了Scholte波在两相流体与多孔介质固体界面处的传播特性. 结合各模型的复波数表达式建立含泥沙流体-多孔介质固体界面波特征方程, 分析了Scholte波速与两相流体积含量、粒径等介质属性的关系. 通过仿真实验获得界面波信号, 运用时延估计获得Scholte波速与泥沙含量、粒径的关系, 发现所得的波速与Urick-Ament和HT理论有相对好的一致性. 关键词： Scholte波 两相流体 多孔介质 泥沙含量