固固界面剪切分层的超声波耦合共振机理

针对结构表面吸积层去除问题,提出了两种分层模型,研究了超声波激励下固固界面的剪切分层问题,揭示了固固界面剪切分层的超声波耦合共振机理。利用傅里叶积分变换方法,通过严格推导,获得了超声波激励下吸积层结构中的位移场与应力场,进一步获得了固固界面剪切应力场。通过数值积分方法,计算了铝与石膏界面的剪切应力幅值,研究了激励频率与吸积层厚度对界面剪切应力幅值的影响。在固固界面剪切分层条件的基础上,提出了超声波分层频率的选择方法。依据两种分层模型,分别建立了超声波分层实验系统,完成了铝和石膏的分层实验。通过理论分析可知,激励幅值与界面剪切应力幅值存在线性正相关性,界面剪切应力幅值存在共振特性。对于水平剪切(SH)波分层模型,界面剪切应力幅值在第2模态的截止频率处发生了耦合共振。3.5 mm厚的石膏层粘附于3 mm厚的铝板的耦合共振频率是86 kHz。对于Love波分层模型,界面剪切应力幅值在第1模态群速度最小的频率处发生了耦合共振。3.5 mm厚的石膏层粘附于半无限大铝基体的耦合共振频率是88 kHz。吸积层厚度增大,界面剪切应力幅值的耦合共振频率向低频移动。相同激励下,在耦合共振厚度范围内,吸积层厚度越大,界面剪切应力幅值越大。在耦合共振频率附近产生超声波分层频带。通过改变超声波换能器的输出功率调节激励幅值,实验验证了越厚的石膏层分层所需的输出功率越小的结论。随着超声波换能器输出功率的增大,粘附于铝板上的4 mm厚的石膏层首先掉落,接着2.5 mm厚的石膏层掉落,但是1 mm厚的石膏层未掉落;粘附于铝块上的4 mm厚石膏层首先掉落,接着1.5 mm厚的石膏层掉落。研究结果对超声波分层技术在航空航天、风电及空调等领域的推广具有重要价值。