固体间不同厚度界面层的超声反射

将固体间界面层模拟为固体或流体薄层，本文讨论了界面层对斜入射纵波和横波的反射和透射，测量了垂直入射纵波的反射系统随声波频率的两铜块之间水界面层厚度的变化。理论和实验结果基本符合。     

基于超声波水浸点聚焦探头测量材料弹性模量的方法

弹性模量是表征与评定材料力学性能的基础,本文基于超声波斜入射至异质界面时的波型转换原理,提出了测量材料弹性模量的方法.当超声纵波以小于第一临界角的角度入射至材料时,可在材料的底面和水的界面产生反射纵波与反射横波.通过计算材料表面回波与反射纵波、反射横波之间的声时差,并结合材料的厚度值可计算得到材料的纵波声速与横波声速,进而获得弹性模量与泊松比的数值.本文对厚度约2 mm的轧制铝和镍试样进行了超声测量,结果表明:弹性模量、泊松比的测量值与理论值之间的相对误差分别小于2%,6%.     

多孔媒质界面上声波的反射和折射

一、引言 利用地震波进行石油勘探和利用超声波检测多孔材料时,了解声波在流体饱和的多孔媒质界面上的反射和透射特性十分重要。与一般的各向同性固体不同,多孔媒质中可以有传播速度不同的三种波型(快纵波、慢纵波和切变波)[1,2],其界面上声波的反射和折射行为较为复杂。Stoll[3]曾研究过流体中传播的平面纵波入射到水饱和的沉积岩表面上的反射系数,但未具体计算在多孔媒质中的折射波的振幅,也未考虑在多孔煤质中传播的声波入射到流体(或固体)界面时的反射和折射特性。Hovem[4]在研究声波通过浸没在流体中的多孔媒质栩透射特性时,为简便地…     

粘滞固体滑移界面层的超声测量

超声纵波与横波分别垂直入射到固体间的Stokes流体滑移界面层时,其反射系数与界面层的特性(包括粘滞系数、体积弹性模量、厚度)或入射波的频率有关.通过对纵横波两种波型各自在粘滞流体界面层的反射特性的讨论,结合两种粘滞性不同的流体界面层试验测量结果,说明了使用纵横波测量滑移界面层粘滞性的不同特点.     

纵波及横波换能器在半无限固体介质中的辐射声场指向性

本文研究了圆形纵波及横波平面辐射器在半无限弹性固体介质中辐射声场的指向性，该指向性反映了半无限弹簧固体介质和辐射器有限尺寸对辐射声场的影响。用铝制的实验室模型分别测试了辐射声场的纵横波波形，实验结果与理论计算有较好的一致性。本文为固体换能器性能的测试提供了一种有效方法。     

混凝土表面开口裂缝对近表面声波影响

基于混凝土近表面不同波型的声速,分析开口裂缝对声波的影响。有限元仿真结果表明,激励源辐射的初始纵波P经裂缝端点衍射产生纵波P-P与横波P-T,P-T以一定的角度射向混凝土表面经模式转换产生纵波P-T-P;初始横波T在裂缝端点衍射产生纵波T-P与横波T-P;初始瑞利波R在裂缝端点衍射后除了产生纵波R-P与横波R-S外继续沿着固体表面传播(R-R)。在此基础上,基于变型波到达接收阵元的时刻定量检测裂缝的深度,检测结果较单面平测法具有更高的信噪比与检测精度,可辅助单面平测法更精确地定量检测混凝土开口裂缝的深度。     

光弹法研究固体圆柱横截面上的脉冲声场

为了研究超声脉冲波在钢、铁、铝等金属棒内的传播规律。检验已有的声学理论,采用和金属声速接近的光学玻璃为样品,当超声垂直于样品侧壁入射时,利用研制的动态光弹成像系统研究了玻璃园棒内超声脉冲纵波、横波、瑞利波声场的传播特性。自动记录了0—99．9μs时间内各种超声波声场在玻璃园棒横截面上的传播图像（时间间隔0．1μs）,由此来模拟超声脉冲波在金属棒横截面中的传播行为。     

饱和土体中多排桩屏障对压缩快波的隔离

假定桩的长度远大于直径, 将多排弹性桩组成的非连续屏障对平面压缩快波(简称P₁波)的隔离简化为弹性波多重散射的二维平面问题, 运用复变函数的保角映射方法和波场势函数展开法, 根据桩-土界面处应力和位移连续的边界条件, 得到散射波场势函数展开式中待定复系数的理论解。通过分析屏障后的位移比值(某点由入射和散射弹性波产生的总位移与入射弹性波单独产生的位移之比)的变化规律, 对比了单排、双排和三排桩屏障的隔离效果, 研究结果表明:1) 多排桩屏障对高频入射P₁波的隔离效果好于低频入射P₁波;2) 随着桩排数的增多, 多排桩屏障的隔离效果明显提高, 有效隔离区域明显增大;3) 当桩排数达到三排时, 屏障后一定范围内的隔离效果提高到了70%, 隔离效果比较理想。     

LiNbO3和LiTaO3晶体电子结构、平面声波和光折射特性

本研究基于密度泛函理论的第一性原理超软赝势平面方法计算了LiNbO₃和LiTaO₃的晶格参数、电子结构和弹性常数, 并利用Christoffel方程研究了二者平面声波特征。结果表明: 两者的理论计算晶格参数和弹性常数与实验值接近, 禁带宽度分别为3.78和3.98 eV, 导带底和价带顶主要由O-2p和Nb-4d(Ta-5d)态电子贡献。化学键理论揭示Li和Nb(Ta)与O原子之间有两种成键类型。 电荷布局分析结果显示有两种相应的重叠布居数, Nb(Ta)-O键呈现强共价键作用, 并且Nb-O(Ta-O)键长小于Li-O键长。LiNbO₃和LiTaO₃晶体平面声波有两支横波和一支纵波, 纵波速度大于横波速度, 在xy平面呈现六重对称性, 在xz和yz平面各向异性程度强于xy平面, 沿[001]、晶向上两支横波振动速度相等。最后利用模守恒赝势(Norm-conserving)计算了介电常数和静态折射率, 计算表明LiNbO₃晶体的折射性能和非寻常光(e光)离散程度均强于LiTaO₃晶体。     

多孔固体中声波波速的测量

一、引言 Biot指出[1,2],在流体饱和多孔固体中,可以存在三种体声波:对应于骨架与流体同相运动的第一类纵波(快纵波、快波)、切变波和对应于骨架与流体反相运动的第二类纵波(慢纵波、慢波)。在一般的测量中,慢波不易测得,只能测到快纵波和横波。1980年之后,T.J.Plona、R.Chandler等人在一些样品中首先观测到了包括慢波在内的三种体声波及低频条件下的慢纵波,[3,4,5,6,7]。本文介绍了我们建立的测量技术及对熔结玻璃微珠样品、多孔陶瓷样品中三种体波的测试结果,并与Biot理论预期结果进行了比较。 二、测试原理 如图1,将被水完全饱和的多…     

空气不耦合装药孔壁初始冲击压力的计算

为了求解空气不耦合装药时孔壁所受到的初始冲击压力,首先分析了空气不耦合装药爆轰后冲击波作用于孔壁的物理过程,然后建立了空气冲击波在炮孔内的衰减传播模型,探讨了爆轰扰动空气形成的空气冲击波在炮孔内的传播规律,并依据空气层与爆生气体在界面处的连续条件,推导了空气冲击波入射孔壁时参数的计算公式;最后基于入射空气冲击波与孔壁交界面两侧压力和速度相等的连续性条件,推导出了孔壁初始冲击波参数的计算方程组。用方程组计算的孔壁压力与常用公式计算值、数值模拟结果和实验结果进行比较,发现用方程组计算的孔壁压力与实验结果更吻合,相对误差较小。     

Cased Hole Flexural Modes in Anisotropic Formations

Based on the perturbation method, for flexural wave in cased hole in anisotropic formation, the alteration in the phase velocity caused by the differences in elastic constants between anisotropic formation of interest and a reference, or unperturbed isotropic formation is obtained. Assuming the cased hole is well bonded, the Thomson-Haskell transfer matrix method is applied to calculate the dispersion relation of flexural wave in cased hole in unperturbed isotropic formation. Both the cases of a fast and slow formation are considered where the symmetry axis of a transversely isotropic (TI) formation makes an angle with the cased hole axis, the dispersion of the phase velocity of the flexural mode in cased holes is studied. The corresponding dispersion curves of flexural wave in open hole are presented simultaneously for comparison. The computational results indicate that because of the influence of the casing, the flexural wave dispersion curves in cased hole in both fast and slow TI formations all almost tend toward an identical Stoneley wave velocity at higher frequency. The casing and the cement affect the form as well as the cut-off frequency of flexural wave dispersion curves more greatly in slow TI formation than in fast TI formation. At a frequency high enough, the flexural and the Stoneley waves reach the appropriate Scholte wave velocity in both the open hole and cased hole situation.     

基于拉伸振动精确化理论求解含孔厚板弹性波散射问题

针对采用弹性力学平面问题求解波动/振动时常产生较大误差的问题,基于厚板拉伸振动精确化方程,采用复变函数方法对含孔平板中弹性波散射与动应力集中问题进行了研究。利用正交函数展开的方法将待解的问题归结为对一组无穷代数方程组的求解。给出了含椭圆孔厚板拉压弹性波散射与动应力集中的数值结果。研究结果表明:动应力集中系数与分布取决于入射波数、平板厚度、椭圆偏心率等无量纲化参数。     

采用等效介质模型研究地应力场中套管井周波速的空间分布

在以往的工作中,利用弹性力学理论获得了地应力场中套管—水泥环—地层系统应力分布的解析表达式。在此基础之上,应用等效介质模型的速度—应力关系式,研究了地应力场中套管井周弹性波速的空间分布规律。分析结果表明,相对裸眼井,套管井应力集中的程度更加明显,由于套管和水泥环的存在,地层应力集中的范围明显缩小到井眼附近。应力集中将导致套管井周波速空间分布的各向异性,对应不同方位径向偏振的横波速度的交叉点明显向井孔附近移动,这意味着垂直偏振的两种弯曲波频散曲线的交点会向高频移动。这一结果表明,在高频情况下,在套管井中应用正交偶极子声测井检测应力导致的各向异性是可行的。     

应用Poisson板理论求解S0兰姆波在通孔缺陷的散射

为降低3D精确理论散射场求解的复杂性和计算成本,应用Poisson板理论描述面内波模式,给出了S0波在各向同性板中受通孔散射的近似模型。该理论利用波函数展开技术以及孔边缘的边界条件,得到了S0和SH0模式的散射远场。将Poisson板理论与3D精确理论进行比较,两者在低频情况下具有较好的一致性。考察了两个基本导波模式在不同尺寸孔的散射特性,发现它们的散射波幅值在某些散射方向随孔径呈线性变换,该结果为兰姆波无损评价提供了依据。     

不同聚能爆破模式应力波传播及裂纹扩展规律研究

为研究双向聚能拉伸爆破应力波传播及裂纹演化规律,采用理论分析、数值模拟等方法,研究单孔爆破、连孔爆破、间隔爆破爆炸应力波的传播形式和裂纹扩展规律。结果表明,连孔聚能爆破和间隔聚能爆破的裂纹扩展长度都在水平径向上达到了900 mm,而单孔聚能爆破仅600 mm,说明连孔聚能爆破时应力波的叠加使切向拉应力增大,聚能方向形成了与孔心连线相平行的裂纹,裂纹开裂延伸,直至贯通。间隔爆破时随着应力波的传播,裂纹尖端张拉应力区也不断向前推移,促使裂纹继续发展,直至贯通。该项研究在岩石成型爆破中提供了有效真实的参考依据,具有广阔的应用前景。     

爆炸载荷下空孔缺陷与爆生裂纹扩展行为研究

空孔在岩石巷道直眼掏槽爆破中具有重要作用,为研究空孔及其缺陷在爆炸荷载作用下的扩展行为和作用机理,以PMMA代替岩石材料,利用预制裂纹代替空孔缺陷,借助动态焦散线系统和理论分析为手段,研究不同间距下空孔、空孔处预制裂纹、爆生裂纹动态扩展规律及机理,分析不同"径距比"与掏槽效果的关系。研究结果表明:在装药量一定的情况下,随着炮孔与空孔距离的变化,爆生裂纹扩展距离呈现递增而预制裂纹扩展距离呈现递减的趋势,但都存在极值;当炮孔与空孔距离较小时,爆生裂纹和预制裂纹扩展及相互作用最复杂,爆生裂纹扩展经历由压缩应力波为主,表现为直线的前期扩展;由空孔处发射应力波和压缩应力波共同作用下,爆生裂纹偏离炮孔与空孔连心线的中期扩展,以及由空孔应力集中区作用使爆生裂纹向空孔方向偏移的后期阶段;预制裂纹扩展经历由空孔处应力集中作用下,表现为直线的前期扩展,以及由爆生裂纹处反射拉伸波作用使其向爆生裂纹发展的后期阶段;当炮孔与空孔距离较大时,反射应力波及应力集中效应对爆生裂纹和预制裂纹扩展在减弱,爆生裂纹与预制裂纹扩展行为仅有前期直线扩展阶段。"径距比"的大小对爆破效果影响较大,直眼掏槽爆破应以最优"径距比"作为掏槽爆破参数设计的依据。     

二维声学黑洞对弯曲波的能量聚集效应

声学黑洞(Acoustic Black Holes,ABH)效应是利用结构厚度以一定幂函数形式减小,致使弯曲波的相速度逐渐减小而实现能量逐渐聚集,理想情况下弯曲波波速减小为0从而无法传递到结构边缘,也就不会发生反射。声学黑洞效应使得结构产生高能量密度区域,因此能高效应用于能量回收和振动噪声控制。为了研究二维声学黑洞结构具有弯曲波能量聚集效应,运用有限元分析软件ABAQUS建立了二维声学黑洞模型,从时域上研究弯曲波在声学黑洞区域的传播过程,结合有限元数值结果与振动功率流的结果分析弯曲波能量聚集过程。最后通过激光超声实验系统对二维声学黑洞中弯曲波传播过程进行成像与分析,实验结果验证了二维声学黑洞结构对弯曲波能量的聚集效应。     

Quantitative use of Rayleigh waves to locate and size subsurface holes

An ultrasonic inspection method is used to obtain the circumference of a subsurface hole and the depth of the hole below the surface. A pitch-catch Rayleigh wave transducer set-up was used to launch a Rayleigh surface wave at the flaw and to capture and record the scattered waves. The frequency spectrum of the scattered waves can be used to obtain the depth of the hole. The ligament of material between the hole and the surface is sent into resonance, and this feature can be extracted from the scattered waves' frequency spectrum. The frequency is a function of the ligament length; thus the hole depth can be obtained. The circumference of the hole is found from a time of flight measurement. A Rayleigh wave is formed that travels around the hole's surface. The length of time required for the wave to travel around the hole is a measure of the circumference.     

周期声学黑洞结构弯曲波带隙与振动特性

作为一种被动型波操控结构,声学黑洞能对弯曲波起到较好聚集作用,再结合阻尼层能更好抑制结构振动波的传播。从声子晶体角度通过周期性排列构造一种声学黑洞结构与基体结合的一维声子晶体结构,选取合适的晶胞,采用有限元法对周期排列的声学黑洞结构弯曲波带隙特性进行研究,对比分析8周期声子晶体梁与等长度的恒定截面梁及周期楔形梁的振动位移传递函数,讨论黑洞区域材料变化对带隙的影响。结果表明:该声学黑洞结构具有较好弯曲波带隙,在对应带隙及附近频带区间振动位移响应出现较大衰减,表明其抑制振动效果明显;在黑洞区域选择合适的材料可以使带隙向低频移动,同时使得带隙区间增多。