薄板涂层结构镍镀层声学特性检测与弹性常数反演表征方法研究

针对表面涂层技术应用中薄板涂层结构材料弹性常数声学表征无损检测方法开展理论和试验研究。基于声学显微镜技术,利用自主研制的宽频线聚焦探头和非常规小尺寸材料超声无损检测系统,进行小步距(20μm)精确散焦测量和大数据量回波信号(601组)数据采集;采用V(f,z)分析方法获取薄板涂层结构材料的试验频散曲线;结合涂层结构材料声波传播特性分析及理论建模结果,改变纵波波速和横波波速获得不同的理论频散曲线,通过理论频散曲线与试验测量结果的曲线拟合,获取涂层材料声波波速,进而反演材料的弹性常数(如泊松比和弹性模量)。多厚度镍镀层试验测量结果与理论值相吻合,表明测量分析方法可行、结果可靠。该研究成果为涂层材料力学性能无损检测和质量评价奠定了基础。     

小试件材料弹性常数超声测量线聚焦PVDF探头的研制

本文针对小试件材料力学性能测试的特殊需求,利用PVDF压电薄膜设计制作了无透镜柱面线聚焦超声探头。文中介绍了探头材料的选择和结构参数的确定,对探头性能进行了数值模拟。该探头具有孔径角大、频带宽、中心频率高等特点。采用线聚焦PVDF探头的弹性常数超声测量系统对多种小试件材料进行了弹性常数测量,测量结果表明,本系统具有波形清晰,信噪比大。分辨率高,测量误差小,结果准确等特点,能够满足工程实验和科学研究的需要。由于线聚焦探头可以发射与聚焦线垂直的表面波,因此,基于线聚焦PVDF探头的小试件材料弹性常数超声精密测量系统,不仅适用于各向同性材料,而且适用于各向异性材料。     

小试件材料弹性常数超声测量系统的研制

本文针对小试件块体纳米材料力学性能测试的特殊需求，设计开发了一套小试件材料弹性常数超声精密测量系统。系统由线聚焦PVDF探头、四轴精密运动平台、NI PXI总线嵌入式控制器、超声脉冲产生／接收仪以及数字记忆示波器组成。系统基于声学显微镜技术，利用同时测定纵波和漏表面波波速来表征材料的弹性常数等，既适用于各向同性材料，又适用于各向异性材料。试验结果表明本测量系统工作良好，能够满足试验要求，为进一步评价小试件纳米材料制备工艺和表征纳米材料的力学性能奠定了基础。     

单晶硅多晶面表面波波速曲线超声测量方法

随着晶体材料在航空航天、交通、电子电气工程、能源和环保等领域的广泛应用,对材料特殊性能的研究和检测工作也提出了新的要求。基于声波在材料中传播特性与材料力学性能之间的本构关系,建立单晶硅弹性常数矩阵与表面波波速之间关系的声弹性理论模型,并利用晶面的转换矩阵得到不同晶面下,表面波波速随角度变化的理论曲线。基于线聚焦超声换能器、高精度散焦测量系统和V(f,z)分析法获得单晶硅三个晶面沿不同角度的表面波波速变化曲线,试验测量结果与理论曲线相吻合,表明超声显微镜技术在各向异性材料表面波波速测量方面具有很高的精确度和可靠性。同时,论文还研究了单晶硅的晶体结构与表面波波速之间内在对应关系,为单晶硅等各向异性材料的性能检测与评价奠定了理论与试验基础。     

超声lamb波在缺陷铝板中的有限元模拟

超声lamb波无损检测技术是薄板结构应用非常广泛的一种技术,本文通过对自由边界条件下铝板的频率特征方程进行求解,得出lamb波的频散曲线。根据频散曲线选择频厚积在1 MHz·mm对4mm厚铝板的缺陷检测,通过有限元仿真出的缺陷的位置并和实际位置相比较,以验证有限元分析的有效性。     

利用Lamb波检测垢层厚度的数值分析

针对锅炉垢层厚度检测的问题,提出一种通过Lamb波的频散特性检测垢层厚度的方法。首先,建立Lamb波在铝板-垢层双层弹性结构中的波动模型,利用半解析有限元法求解Lamb波的特征方程,绘制Lamb波的频散曲线。其次,建立铝板-垢层二维电磁超声仿真模型,通过电磁超声换能器在铝板中激发S0模态的Lamb波,得到不同采集点下的波形曲线。最后,通过对频散曲线和波形曲线的分析得知,随着垢层厚度的增加,低频S0模态Lamb波群速度变慢,高频S0模态Lamb波群速度变快,信号波群的幅值减小。结果表明,可利用S0模态Lamb波群速度变化及幅值变化进行锅炉垢层厚度检测。     

小尺寸材料弹性常数超声测量系统的研制及其应用

提出一种小尺寸材料弹性常数测量的新方法——利用线聚焦超声传感器和超声浸水技术同时测定纵波和漏表面波的波速，求得材料的弹性常数。基于PXI-8186嵌入式控制器构建了小尺寸材料弹性常数测控系统，利用LabVIEW软件平台开发了小尺寸材料弹性常数自动测量软件。实验结果表明，该方法可以实现小尺寸材料弹性常数的测量，测量结果具有很好的重复性。     

电磁弹性板中的Lamb波传播特性分析

用状态空间方法将电磁弹性材料中质点运动的广义位移和应力作为状态变量，结合本构方程和平衡方程，得到质点运动的状态方程；获得状态方程的通解后，利用Lamb波存在的边界条件，求出波传播的频散曲线及模态参数。所提方法推导过程简单直观，程序编制方便。以双层电磁弹性板为对象，计算了其频散曲线及模态，结果表明，电磁弹性耦合影响电势与磁势分布，而对频散特征和弹性位移影响很小。     

软包装热封缺陷的超声无损检测

软包装封口处的热封性能对产品的保质起决定性作用.将超声无损检测技术应用于软包装热封性能检测中,采用背散射回波包络积分成像技术,对塑料软包装封口处直径为50～150 μm的6种通道型缺陷进行实验研究.实验中,采用中心频率为22.66 MHz的液浸式点聚焦探头,对试样上2.98 mm×1.5 mm的矩形区进行扫描并进行超声成像.同时,理论分析了扫描步长小于探头横向分辨率时,探头横向分辨率对超声检测结果的影响,给出了不同尺寸范围内的缺陷尺寸与超声检测结果两者间的关系.实验结果表明:超声无损检测技术可应用于检测包装封口缺陷, 且由于受探头横向分辨率的影响,超声检测值大于缺陷实际尺寸,与理论分析相吻合.     

超声导波在圆管结构损伤定位中的应用

针对结构损伤会影响超声导波传播,提出基于超声导波无损检测的结构健康监测方法。以内径为174mm、外径为194mm、材料为20~#碳钢的圆管结构为例,根据频散方程利用数值法求解其纵向模态以及周向Lamb波频散曲线。同时考虑其频散曲线和波的结构,确定激励频率中心频率为80kHz。在此基础上进行有限元仿真,验证圆管中导波的传播机理及特征。针对此频率圆管纵向模态导波以及周向Lamb波的频散特性、波的结构比较接近,且都与板中的Lamb波相似,从而提出了单点激励、多点接收,并采用椭圆定位的方法,实现圆管结构损伤定位。通过仿真和实验验证该方法对切槽、圆孔等损伤的识别效果,并对损伤定位误差的影响因素进行了分析。     

The direct and inverse problems of an air-saturated porous cylinder submitted to acoustic radiation

Gas-saturated porous skeleton materials such as geomaterials, polymeric and metallic foams, or biomaterials are fundamental in a diverse range of applications, from structural materials to energy technologies. Most polymeric foams are used for noise control applications and knowledge of the manner in which the energy of sound waves is dissipated with respect to the intrinsic acoustic properties is important for the design of sound packages. Foams are often employed in the audible, low frequency range where modeling and measurement techniques for the recovery of physical parameters responsible for energy loss are still few. Accurate acoustic methods of characterization of porous media are based on the measurement of the transmitted and/or reflected acoustic waves by platelike specimens at ultrasonic frequencies. In this study we develop an acoustic method for the recovery of the material parameters of a rigid-frame, air-saturated polymeric foam cylinder. A dispersion relation for sound wave propagation in the porous medium is derived from the propagation equations and a model solution is sought based on plane-wave decomposition using orthogonal cylindrical functions. The explicit analytical solution equation of the scattered field shows that it is also dependent on the intrinsic acoustic parameters of the porous cylinder, namely, porosity, tortuosity, and flow resistivity (permeability). The inverse problem of the recovery of the flow resistivity and porosity is solved by seeking the minima of the objective functions consisting of the sum of squared residuals of the differences between the experimental and theoretical scattered field data.     

土壤声学特性的超声导波测量

土壤的声学特性对地埋管道中超声导波传播有重要的影响。在空气和地埋情况下,通过典型波导(细钢杆)的超声导波检测试验的方法来测量土壤声学特性。基于超声波的衰减特性,通过将试验获得的杆中L(0,1)模态导波的衰减曲线,与理论衰减曲线进行比对的方法,得到土壤的声学特性参数—纵波和横波波速。在该土壤声学特性条件下,研究土壤对管道中超声导波传播影响。研究发现,此种土壤介质对管道中超声导波传播有很大影响,在低频处产生了新的轴对称模态：a1和a2。     

基于正交距离回归齿面的齿轮误差评定

为了通过测量齿面拓扑轮廓来获取特征线误差,提出了一种基于正交距离回归齿面的误差计算方法。对该方法涉及的实际齿面与理论齿面匹配算法、拓扑轮廓误差的计算与分解及齿面特征线误差的评定算法进行了研究。首先,通过坐标测量方法获取的齿面拓扑数据,建立包含回归齿面参数的非线性方程。然后,求解非线性方程得到回归齿面参数的最优近似解,从而得到与实际齿面匹配的理论齿面,拓扑测量点相对理论齿面的正交距离即为齿面拓扑误差。最后,基于齿轮误差多自由度理论,对实际齿面进行局部自由度及全局自由度回归,进一步分解出齿面的齿廓误差和螺旋线误差。以一标准圆柱直齿轮的齿面拓扑测量点数据为例进行了误差计算,结果显示:计算的结果与直接进行特征线测量的结果差值小于0.5μm,表明提出的基于正交距离回归齿面进行齿轮误差评定的方法是有效的,可以应用于坐标类仪器检测齿轮误差。     

Measurement of elastic constants of limited-size piezoelectric ceramic sample by ultrasonic method

Measurement of material elastic constants for limited-size samples by ultrasonic method is described and validated. Based on acoustic microscope technology, the material elastic constants are determined by longitudinal wave and leak surface wave velocities simultaneously measured by developed ultrasonic system with a line-focus PVDF transducer. In this paper, the elastic constants of limited-size Cr₂O₃ doping on 0.2 PZN–0.8 PZT piezoelectric ceramic wafer sample are determined and the measurement errors are analyzed. The experimental results show this ultrasonic system can be used for measurement of material elastic constants for limited-size samples with high measurement precision, and the relative errors for Poisson’s ratio and Young’s module measurements are, respectively, less than 1% and 3%. It can satisfy the requirement of engineering and science research. Furthermore, it is suitable to measure elastic constants of both isotropic and anisotropic materials by ultrasonic method with help of developed ultrasonic system.     

基于红外锁相法的热波检测技术及缺陷深度测量-1

红外锁相法热波检测技术（Lock-in Thermography）是一种基于热波处理的主动式红外热成像检测技术,适用于复合材料及复杂结构构件的无损检测,已广泛应用于航天航空、汽车、机械、电力等领域。本文着重介绍了阐述了红外锁相法热波检测技术的原理、缺陷深度测量及在蜂窝夹层结构及焊接构件检测中的应用。采用有限差分法计算了强度按正弦规律变化热流引起试件表面温度变化历程,并采用锁相法提取了有缺陷与无缺陷处的稳态温度变化和计算二者相位差,与试验结果接近。建立了热波在试件中传导的热—电等效模型,利用该模型对红外锁相法热波检测技术进行了仿真研究,得到了缺陷深度和反射热波与入射热波相位差之间的关系,该模型计算结果与试验结果基本一致。采用红外锁相法热波检测技术对模拟缺陷的蜂窝夹层结构试件和实际的焊接构件进行了无损检测试验研究,结果表明,采用红外锁相法热波检测技术能够快速、准确的获得缺陷大小、位置等,该技术对具有复杂曲面结构的构件也十分优越。     

基于高频柱面超声导波的螺栓轴向应力测量

基于金属杆件中高频超声导波的传播特性,提出使用柱面导波高阶不同模态群速度比值的单探头螺栓轴向应力测量方法。使用数值方法求解考虑晶粒散射衰减的Pochhammer-Chree方程,得到了导波群速度衰减系数频散曲线,并分析了其在高频区的传播规律。结合非线性声学以及弹性力学理论,推出基于群速度比值的螺栓轴向应力测量方法。搭建超声应力测量平台,讨论了脉冲超声激励下的实测导波信号特点并提出使用经验小波算法对信号进行模态分解,有效获取了信号中特定模态的群速度。使用该方法以及传统的纵横波声时比法进行了螺栓轴向应力对比标定和测量实验,结果表明前者平均测量误差约为4%,其精度明显高于传统方法(平均测量误差6%)且具有更简便的测量流程。     

Calculation of the Acoustic Channel in Acoustic Emission Testing of Bottoms of Vertical Steel Tanks

On the basis of theoretical and experimental studies of the fundamental laws of Lamb wave propagation in plates, the acoustic channel is calculated for possible paths of propagation of acoustic-emission waves in the bottom of vertical steel tanks and losses in the acoustic channel are quantitatively estimated.     

Methods for Nondestructive Testing and Diagnostics of Durability of Articles Made of Polymer Composite Materials

Results of theoretical and experimental studies of the nondestructive testing of the strength properties of polymer composite materials (fiberglass) and articles produced thereof (cylindrical shells) are considered. Most attention has been paid to the ultrasonic propagation-time and acousticemission methods as well as an ultrasonic method based on measuring the velocities of longitudinal and transverse elastic waves in the tangential and axial directions of a cylindrical shell. Analytical and correlation equations have been derived that establish connection between destructive and nondestructive testing.     

钢轨缺陷无损检测与评估技术综述

钢轨缺陷的检测对于保障铁路安全具有重要的意义。在研究钢轨无损检测与评估技术的背景下,对国内外采用的钢轨缺陷检测方法进行了全面的综述,包括物理检测方法和机器视觉检测方法。阐述并分析了钢轨缺陷评估方法在机器视觉方面的应用情况,同时对所采用的钢轨无损检测与评估技术进行对比,论述和总结了包括射线检测在内的物理检测及包括图像处理在内的机器视觉检测两类检测方法的差异性。分析和研讨了现代无损检测与评估技术及其在发展中涉及的相关技术问题,并对钢轨缺陷无损检测与评估技术的未来发展给出设想。     

纵波回形变幅杆的研究

由于在回形变幅杆中,纵向振动通过中间圆盘耦合,传统纵振变幅杆的设计方法已经不能完全适用,根据回形变幅杆的结构特点和振动传播特性,分析了纵波在变幅杆圆盘中发生的模态形式变化。在圆盘部位振动以切向振动模态为主,类似于柱面波径向传插,耦合后又转换为纵波形式输出。基于波动方程建立了回形变幅杆的频率方程,并讨论了利用频率方程结合有限元进行变幅杆结构尺寸的设计方法。试验结果表明,回形变幅杆的频率和变幅比与理论计算结果基本一致,且机械阻抗较小。