弯折波导杆的超声斜入射方法

波导杆技术是一种有效的超声辅助检测方法,在提升高温关键承压设备安全运行方面具有重要作用。现有的波导换能器因直入式发射声波,常被用来在线监测壁厚的腐蚀进程,难以对指定方向的缺陷进行有效检测。为了解决这个难题,基于斯涅耳定理以及导波的频散特性提出了一种弯折结构的波导杆来实现超声斜入射。首先分析了弯折波导杆中水平剪切波的传播特性,探究了波导杆的厚度、弯折角度对杆中声波传播的影响规律;然后,进一步研究了弯折波导杆在半无限空间内的声束指向性;最后通过一对弯折波导杆在线检测结构内部缺陷的试验证明了波导超声斜入射的应用价值。研究结果为基于斜入射技术的波导超声在线监测提供了坚实的理论基础。

用于厚壁结构中激励低频SH导波的换能器

零阶水平剪切波(SH_(0)波)因其独特的非频散(即波速不随频率改变)特性在厚壁板壳结构的智能监测中具有可观的应用前景。然而,当前能够在厚壁板壳结构中激励单模态低频SH_(0)波的换能器十分匮乏。鉴于此,本研究设计了一种低频SH_(0)波压电换能器,该换能器由两个反对称布置的厚度剪切压电晶片和一个含有微结构的基底构成。有限元仿真和实验结果表明,该压电换能器可以在45~65 kHz频率范围内激励高信噪比的SH_(0)波,且能够将SH_(0)波的能量聚焦在两个相反的主方向。此外,基底中的微结构设计可以提高换能器激励的SH_(0)波的信噪比,基底有微结构的换能器所激励的SH_(0)波的信噪比比基底无微结构的换能器提高了277%。本研究所提出的压电换能器可为在厚壁板壳结构中激励单模态的低频SH_(0)波提供一个可行的途径。

水平剪切波在板表面附着物厚度检测中的应用

针对板表面附着物厚度检测的问题,提出一种基于水平剪切(Shear horizontal,SH)波的检测方法,该方法利用SH波的频散效应对板表面附着物厚度变化敏感的特性,实现对表面附着物的厚度进行无损检测。建立SH波在双层结构中的波动模型,并求解出双层弹性介质中SH波的波动方程。针对工业中出现的水垢等多种附着物厚度检测实例,绘制SH波群速度随附着物厚度变化的曲线,并进一步提出SH波检测板表面附着物厚度的具体实施方法。利用该检测方法,对钢板—石灰膏涂层模拟的锅炉水垢试样进行试验研究。结论表明,通过测定低频段和高频段的SH0模态的群速度,可以分别对较厚附着层和薄厚度附着层的厚度进行检测。

表面局域态对一维声子晶体中水平剪切波传输特性的影响

利用传递矩阵法,研究了一维声子晶体表面存在的表面局域态对水平剪切波传输特性的影响。由于表面局域态的存在,声波的透过率出现共振峰。共振峰的极值与入射角度和声子晶体层数有关,合适的入射角度和层数可以使声波完全透射。当入射角在一定范围内连续变化时,在较宽频率范围内均出现较大透过率。声子晶体的这一特性可以应用于高性能的阻抗匹配材料和声波滤波器中。

多重散射问题的改进算法以及双排非连续弹性屏障对水平向剪切波的隔离研究

与Aviles等学者的多重散射隔振理论相比较,采用更为完整的Fourier-Bessel函数系的级数展开表达式来研究弹性波入射下的多重散射问题。引入Graf加法定理,并结合位移和应力边界条件,推导了无限均匀弹性介质中任意分布的多个弹性圆柱体对于平面水平向剪切波(SH波)入射时散射系数的理论解析解。随后,取圆柱体分布于两条相互平行的直线上,则问题演变为双排弹性桩屏障对于弹性波的隔离问题。引入无量纲位移(屏障后土体总的位移与仅由入射平面水平向剪切波引起的位移的比值)和透射系数(屏障宽度范围内无量纲位移的几何平均值)的概念来研究屏障的隔振效果。重点讨论了双排桩间距h以及桩土的剪切模量比ξ对于屏障整体隔振效果的影响,阐述了双排桩屏障的隔振性状。特别地,当h=0时,该问题退化为常见的单排非连续屏障的隔振问题。

变厚度板中水平剪切波的传播特性分析

为研究超声导波在储罐壁板等变壁厚结构中的传播特性,建立了SH波在空间自由边界中的传播模型,基于各向同性弹性介质Navier-Stokes方程,推导了变厚度板中SH波的频散方程,分析了变厚度板中水平剪切波走时t与倾斜角θ间的相互作用关系;通过简谐点源的远场响应并引入板厚与传播位移的非线性关系,得出了变厚度板中SH波的远场响应方程。在此基础上,仿真分析和实验验证了水平剪切波在不同倾斜角变厚度板中的传播特性,结果表明:在变厚度板的薄端激励水平剪切波并沿结构表面传播时,无频散现象,且无波包分离现象;但随着变厚度板倾斜角θ增大,水平剪切波的走时和接收信号幅值均逐渐递减,且呈非线性关系。

变波长水平剪切波电磁超声换能器设计

针对大型常压储罐底板厚度在线测量需要,设计并制作了一种可变波长的低阶水平剪切波电磁超声换能器,该换能器主要由永磁铁阵列、可变间距机械夹具、PCB板、阻抗匹配模块、接口、保护层及外壳等组成。对研制的换能器进行了性能测试,结果表明:研制的电磁超声换能器可在一定波长变化范围内激励出单一的低阶水平剪切波,且信噪比较好。设计的可变波长电磁超声换能器为压力容器在线检测提供了可能的传感器手段。

含弱界面的复合材料层合板对水平剪切波的散射

对含有弱界面的复合材料层合板,采用弱连接界面的剪切弹簧模型,借助波函数法研究了水平剪切波入射时层合板对波的散射,得到了解析结果.数值计算结果表明,弱界面处在不同位置时,对以一定角度入射到复合材料层合板的水平剪切波,其反射和透射系数有明显变化;当层合板中弱界面的力学性能参数强弱不同时,以入射角为变量所得到的透射系数和反射系数曲线呈现出明显差异.证明了根据含弱界面复合材料层合板所得到的水平剪切波的散射规律,不仅能够确定反映弱界面力学性质的参数R的大小,而且还能够判明弱界面所在的位置,这将为复合材料层合板中弱界面的超声无损检测提供依据.

水平剪切声板波的液体黏度传感研究

黏度是液体的特征参数之一,在很多应用场合,需要对液体黏度进行测量。以黏性液体为研究对象,通过在液体的弹性张量中加上虚部引入液体黏度,并根据层状介质中声波的传播特性建立了负载黏性液体的水平剪切声板波理论模型。以压电陶瓷PZT-5H为基片材料,通过数值计算和实验分析,表明了水平剪切声板波在一定程度上用于液体黏度传感的有效性,为声板波液体黏度传感器的进一步研究提供了理论指导和应用依据。

流体饱和多孔弹性板中水平剪切波的弥散特性

研究多孔弹性板中水平剪切波的传播特性对该波在无损检测和声弹性技术范围内的工程应用有着重要的价值.在多孔介质理论的基础上,认为板为饱和多孔介质材料,由固相骨架和流相骨架组成,且固相骨架为弹性、不可压、各向同性、小变形,分析了多孔弹性板中水平剪切波的相速度、群速度随频率的变化规律,以及渗透系数对弥散特性的影响.

水平电流环激发的井外孔隙地层SH波模拟

通过求解完整的Pride声电耦合波方程组,并利用井壁处流体-孔隙介质交界面的场量连续性条件,推导出位于井轴的水平电流环激发的井内外电磁场和声场的解析表达式,模拟了水平电流环激发的电-声转换测井全波。由于水平电流环激发的TE波在孔隙地层中只与SH波耦合,诱导声波按地层横波速度传播,使得利用水平电流环激发的电-声测井在地层横波速度测量方面具有潜在的应用价值。

不同土体中单排弹性桩对水平向剪切波的隔离

采用Green函数法和"契合"思想研究不同土体中界面上单排弹性桩对SH波的隔离问题。首先构造适于本问题的位移Green函数,然后利用"契合"思想并结合界面上的应力和位移连续条件,将问题转化为一组第一类Fredholm积分方程,得到了弹性桩后位移和透射系数的解析表达式,并进行数值求解。最后作为算例,给出了等间距单排8个弹性圆柱桩对SH波的隔离效果图,分析了剪切弹性模量、桩间距等对桩后隔离效果的影响规律。通过分析曲线得出:隔振的最佳区域并不是弹性桩中心线后的近距离范围内,而是位于弹性桩后的一定距离上;当桩间距s/R<1时,桩后区域取得最佳隔振效果。

水平剪切声板波的激发机理及其特性研究

水平剪切声板波(SH-APM)是在板状固体结构中传播的一种声波,其质点振动垂直于传播方向和界面法线。针对SH-APM的激发机理和激发特性两个方面展开研究。首先通过分析压电介质的Christoffel方程组解耦情况来研究SH-APM的激发机理,推导出为了在压电板上激发出SH-APM,压电基片的材料常数所必须满足的条件;然后在此基础上,建立了SH-APM器件的理论分析模型,并以PZT-5H压电陶瓷为例,研究了SH-APM的激发特性,包括激发模态、传播速度、激发效率、振动位移等;最后,通过实验以及理论计算与相关文献对比,证明了理论模型的正确性及研究结果的有效性。

流中水平无旋浅水波与大圆柱相互作用

对于流中的水平无旋浅水波动 ,由三维的纳维 斯托克斯方程出发 ,导出了一组Boussinesq方程 .通过求解此方程组可得到一特定水深的水平速度及表面抬高 ,然后即可由解析表示式很容易地求出三维速度分布及压力分布 .用此方法讨论浅水波流绕射垂直穿剌水面大圆柱的波浪力 ,考虑了碎波影响 ,得到了较好的结果 .

线栅参数对双锥-平面线栅水平极化辐射波模拟器的影响

通过电磁仿真重点研究线栅天线金属拉线的疏密和线径对双锥-平面线栅结构的水平极化辐射波天线辐射特性的影响。采用三维电磁仿真软件建立双锥-平面线栅天线的模型,在脉冲源和激励等参数相同的情况下,设单侧线栅天线拉线根数分别为24根、48根、96根和192根,研究不同条件下辐射场的特性,分析不同疏密栅板天线的作用机理;令金属拉线的半径在1~40 mm之间变化,研究拉线线径对辐射场的影响;估计该型模拟器的实验区域。结果表明:双锥中心正下方测点基本不受线栅疏密程度和拉线线径的影响,其他位置上,线栅疏密主要影响电场水平极化分量的前沿和峰值,线栅越疏,前沿越小,峰值越低;对于给定测点,当拉线根数由24根增加到192根时,峰值变化率约5%,前沿变化率约10%,随着拉线根数增加,峰值变化率逐渐减小,根数超过96根后,峰值基本不变;拉线线径对辐射场的影响可以不计。天线样机实验证明,当单侧极板拉线根数为48根时,距地面4 m高水平面上模拟器实验区范围为12 m×16 m.

两种不同线栅结构的水平极化辐射波模拟器

比较了末端收拢和均匀拉线的双锥-平面线栅水平极化辐射波模拟器辐射场的分布规律,讨论了拉线根数和收拢组数对辐射场的影响。结果表明,双锥中心正下方测点辐射场基本不受线栅结构变化的影响。对于其他位置,两种结构的模拟器各有特点:拉线根数相同时,末端均匀拉线的模拟器可令辐射场强提高约5%~20%,但前沿会变慢10%左右;末端收拢的模拟器场强幅值相对较低,但具有较快的前沿,并且架设相对容易。增加拉线根数和收拢组数有利于提高辐射场强,但场强增加的幅度逐渐减小。拉线根数由24增加到96时前沿可加快约10%,半宽变化不大。增加收拢组数会使前沿变慢。综合辐射场变化规律及施工难易程度,可令末端均匀拉线模拟器的拉线根数取48,此时对收拢结构的天线,可令收拢组数取16。

覆冰CFRP板中水平剪切波的传播特性

针对超声导波技术在飞机结冰探测中的应用前景,结合航空复合材料的发展趋势,着重研究了水平剪切波在覆冰碳纤维增强复合材料板中的传播特性。提出了由独立工程常数获取材料刚度矩阵的方法,采用转移矩阵法建立了层状结构波导模型,克服了传统全局矩阵法求解过程复杂耗时的缺点。绘制了多种不同状态下的水平剪切波频散曲线,通过对比其差异,总结了有无冰层、冰层厚度和冰层类型对水平剪切波传播特性的影响及其规律,为结冰探测研究提供了理论基础。

基于同步提取变换的钢轨踏面裂纹电磁超声表面SH波B扫成像检测研究

钢轨踏面在车轮的重复载荷作用下,极易产生滚动接触疲劳裂纹,并从轨头向下扩展,甚至导致断轨等重大安全事故,因此开展钢轨踏面裂纹高效准确的无损检测方法研究具有重要意义。对于钢轨轨头有限截面非规则几何体,无法采用解析法求解其频散曲线,采用Floquet-Bloch边界的有限元特征频率法,求解钢轨轨头类水平剪切导波频散曲线,在频散曲线的基础上,分析并确定电磁超声表面水平剪切波换能器的最佳检测频率。建立表面水平剪切波在含踏面裂纹钢轨轨头的传播有限元模型,研究表面水平剪切波在不同角度、深度的踏面裂纹上的反射及透射规律。为实现快速的钢轨踏面裂纹B扫成像检测且得到高信噪比的检测结果,实验对比同步提取变换和同步压缩变换对钢轨踏面检测回波的噪声滤除能力。结果表明:对单次检测回波应用同步提取变换消噪处理后,信噪比提高13.73 dB,比单次采集信号经同步压缩变换处理后的信噪比高4 dB。将同步提取变换用于钢轨踏面导波B扫成像检测,可以减小同步平均次数以满足快速检测的要求。

基于SH波的埋地管道泄漏监测方法

埋地管道在服役过程中受到工作载荷波动、周围环境变化等复杂因素的影响,易发生泄漏等事故,建立一种泄漏定量在线监测技术是提升埋地管道运行安全性的有效手段。为此探索了黏性媒质对矩形横截面杆中SH波传播的影响规律,研究了SH波衰减与粘滞系数和波导杆结构的相互影响规律。研究发现粘滞系数和波导杆表面积分别与SH波衰减呈现单调对应关系,推导了波导杆中的SH波衰减粘滞阻尼方程,设计了一种基于SH波衰减的埋地管道泄漏在线监测湿度传感器,建立了基于SH波的埋地管道泄漏监测方法。搭建试验台,开展SH波湿度传感器监测埋地管道泄漏可行性试验。试验发现,当湿度传感器选定并且埋入深度固定时,SH波衰减公式可以定量地表征土壤的湿度,根据SH波衰减公式测量土壤湿度相对误差不大于8%,即基于湿度传感器建立的埋地管道泄漏监测方法能定量地判断管道泄漏情况。

水平弹性波探测隧道开挖面前方的地质

介绍了水平弹性波探测隧道开挖面前方地质的原理及一个应用实例。