层间光滑接触的双层厚壁圆筒中周向导波

通过对双层厚壁圆筒周向导波的频散现象的研究,以及与单层圆筒周向导波特性的比较,发现周向导波在双层厚壁圆筒中传播时,会发生明显的频散现象和模态干涉现象,其第1阶模态在高频时接近于无频散Rayleigh面波。在其高阶模态上,层间效应被弱化,因此,应将层间界面裂纹无损检测的频率激发范围,集中于低阶模态频率上。研究发现,第2阶模态,具有在层间界面上集中能量的特点,因此,可用于层间界面裂纹的周向导波无损检测技术中。     

正交各向异性空心圆柱体中的周向超声导波

周向导波适于大直径管道纵向缺陷的超声无损检测。基于三维弹性理论,采用一种正交多项式法研究正交各向异性无限长管道中的周向导波。为验证方法的正确性与适用性,首先计算了各向同性和横观各向同性管道中的周向导波并与已有数据相比较。其次,计算了单向复合材料中不同纤维增强强度下的频散曲线,论证了纤维增强强度变化对于频散曲线的影响。最后,求解了不同径厚比下正交各向异性管道的周向导波的频散曲线,论述了径厚比的变化对频散曲线的影响。     

钢轨垂直振动模态导波频散曲线、波结构及检测应用*

频散曲线和波结构是钢轨导波检测时设计检测方法和分析回波波形的基础。首先介绍了半解析有限元计算任意截面弹性波导中导波传播的频散曲线和波结构的基本方法。然后应用该方法求解了U60型钢轨中垂直振动模态的导波频散曲线和波结构,并讨论了频散曲线和波结构在钢轨轨头缺陷导波检测中的应用。最后采用模态力锤实验及时频联合分析的方法验证了频散曲线数值计算结果。钢轨轨头横向裂纹垂直振动模态导波检测的有限元数值模拟和实验表明该模式导波是检测钢轨轨头缺陷的有效检测模式波型。     

双层管结构中扭转模态传播特性的理论分析与实验研究

通过分析不同的应力和位移边界条件得到了三种不同双层管结构中扭转模态的频散方程。不同结构中频散方程的阶次也不相同。并进行数值求解,得到相应的频散曲线。对不同双层管结构中扭转模态尤其是T(0,1)模态的主要传播特性进行了分析。然后,利用厚度剪切压电陶瓷片分别在这三种不同的管结构中进行了激励接收扭转模态的实验。实验结果与理论分析较为吻合。结果表明,利用全局矩阵法可以得到不同双层管结构的扭转模态频散方程,并且其频散曲线可用作模态选取的理论指导,用于这些管结构的缺陷检测。     

非均匀复合材料板中剪切波传播的研究

基于弹性界层中弹性波干涉理论,采用有效介质法,研究了剪切波在非均匀、纤维随机分布复合材料板中的传播,得到了非均匀弹性介质内的有效波数。通过满足弹性有界层的上、下边界条件,得到了非均匀界层中的频散方程。作为特例,绘出了不同参数下板中的前四阶频散曲线。可以看出,非均匀弹性有界层中的频散曲线和均匀界层中的有很大不同。最后分析了纤维和基体特性比、纤维的体积份数以及板厚与纤维半径比对频散曲线的影响。     

水下带粘弹性层输油管道中纵向导波的传播特性

采用超声导波法对海底管道进行健康监测和缺陷检测,需要研究导波在深水环境下的海底管道结构中的传播特性。该文采用全局矩阵法计算纵向导波在水下带粘弹性层输油管道中的传播位移和应力,得到频散曲线和个别模态(如α 模态与L(0,4)模态)的波结构。通过对纵向导波频散曲线和波结构的详细分析,阐述了纵向导波在水下带粘弹性层输油管道中的传播规律。这既有益于加深对导波在深水环境下的海底管道结构中传播机理的理解,也可为设计采用纵向导波进行海底输油管道损伤检测系统提供技术支撑。     

液浸多层薄膜-基底结构中Scholte界面波特性研究

多层薄膜-基底结构在工业领域有广泛应用，其中薄膜的厚度与弹性参数等特性对结构与器件性能有显著影响。但对多层薄膜材料参数进行无损定征较为困难。考虑界面波对界面附近材料特性敏感的特点，以及分层薄膜导致液固界面Scholte波频散与分层材料速度分布密切相关等因素，文章首先利用全局矩阵理论分析了分层结构中的声传播，并给出界面上脉冲激励的声压表达式，据此对水浸双层薄膜-基底三层结构材料声速呈正梯度、负梯度、随机分布三种结构中液固界面Scholte波的频散曲线进行数值计算。进一步详细计算了法向脉冲线源激发的界面波瞬态信号随薄膜厚度的变化。结果显示，三种结构中两层薄膜厚度均对液-固界面波频散特性有显著影响，同时不同膜厚对不同频段的Scholte波的“捕获”作用(频率选择性)十分明显。该结果为进一步利用Scholte波频散特性进行多层薄膜厚度定征提供了理论依据。     

流-固多层结构中软层介质参数反演研究

建立了固体层内含软层介质的多层流-固界面模型。使用传递矩阵法,导出固体层内含软层介质的流-固界面波的频散方程。根据频散方程计算频散曲线,改变软层介质的深度、厚度及横波波速,观察频散曲线的变化。使用有限元软件建立仿真模型,引入遗传反向传播(Back Propagation, BP)神经网络,对模型参数进行了反演。反演结果表明,使用遗传BP神经网络,能有效地反演出软层介质的深度、厚度与横波波速参数。     

管结构导波频散曲线绘制与试验验证

从理论上分析了管道结构中三种模态簇导波的传播特性。根据推导出导波的频散方程,通过数值方法绘制出了导波的频散曲线。利用试验验证了所建立的频散曲线的有效性。在两种不同截面尺寸的管道中进行激励70kHz-200kHz范围内的纵向模态试验,结果表明L(0,2)在管结构中传播速度与理论值较吻合,对利用超声导波对管道进行无损检测具有一定实际指导意义。     

碳纤维增强复合材料层合板Lamb波衰减特性研究

为提取适用于碳纤维增强复合材料层合板声发射故障诊断的模态信号,利用三维弹性理论及传递矩阵法获得Lamb波的频散曲线。以碳纤维增强复合材料层合板为研究对象搭建实验平台,改变断铅激励位置从而获得不同声发射信号。对采集的声发射信号进行小波尺度谱分析,结合频散曲线分离出不同模式的Lamb波,分别研究其不同频率的幅度及能量衰减特性。实验结果表明,较其它信号,低频率S0波幅度信号衰减速度较低,对碳纤维增强复合材料层合板的声发射故障诊断研究具有较大优势。     

正交各向异性空心圆柱体的周向SH波

基于线性三维弹性理论,得到了正交各向异性管道中位移表示的周向波控制方程.波动方程中的轴向位移独立于其它两个方向.即波的传播可以分解为SH波和类Lamb波.通过贝塞尔函数求得了这个周向SH波频散方程.方程中决定周向SH波特性的弹性常数有两个,一个决定了波的频率,另一个决定了波速.最后分别讨论了两个弹性常数和波数变化对周向SH波位移模式的影响.     

Waveguide damage detection by the matching pursuit approach employing the dispersion-based chirp functions

If the wave mode used in guided wave non-destructive inspection is dispersive, reflected pulses from damaged parts may be significantly distorted due to wave dispersion. The main concern, in this case, is how to detect the reflected pulses in noisy signals, and to extract meaningful damage information from the detected pulses. However, current signal processing techniques used for guided wave inspection do not account for pulse dispersion, so the extracted information is often not so accurate. The objective of this study is to develop an efficient technique to deal with dispersed pulses for guided-wave nondestructive evaluation. Our idea is to model dispersed pulses by chirp functions of special form that can simulate up to quadratically varying group delay. To determine the parameters of the chirp functions approximating dispersed, reflected pulses, an adaptive matching pursuit algorithm is employed. Once the characterizing parameters are found, the damage location and extent can be estimated. The proposed method is tested with experimentally measured signals of longitudinal waves in a circular cylinder.     

粘性液体对管道中扭转导波传播特性的影响研究

对带有液体的圆柱/管中的波传播进行了研究。在流动为层流的假设下,研究了有粘性液体管道中扭转导波的位移模式和传播特性。分析了波的频散和衰减曲线,得到了粘性、密度等和第一阶扭转模态衰减的关系,确定了粘性液体对扭转导波的影响,为扭转导波在损伤检测中应用做了一些理论工作。数值计算结果与某文献中实验结果符合较好,一定程度上证明了液体中的层流假设,说明了第一阶扭转模态在损伤探测中的优势。     

悬索桥缆索钢丝损伤超声导波检测数值模拟

为了实现对大跨悬索桥缆索钢丝损伤的有效检测,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,对超声导波无损检测技术进行研究。通过理论求解钢丝中导波的频散曲线,分析频散特性和波结构,选取中心频率为200 kHz的L(0,1)模态进行钢丝断丝损伤检测;利用有限元软件,研究了钢丝中导波的频散特性和波结构,通过二维傅里叶变换技术对钢丝中的低阶导波模态进行识别,进一步分析了缺陷尺寸和角度对L(0,1)模态缺陷反射系数的影响;最后,对L(0,1)模态在两根钢丝和七根钢丝的断丝处的缺陷回波进行了数值模拟。数值模拟与理论分析结果相吻合,说明低频L(0,1)模态可以有效地对缆索钢丝断丝损伤进行远距离检测。     

Detecting lamb waves with broadband acousto-ultrasonic signals in composite structures

Lamb waves can be produced and detected in ceramic matrix composites (CMC) and metal matrix composites (MMC) plates using the acousto-ultrasonic configuration employing broadband transducers. Experimental dispersion curves of lowest symmetric and lowest antisymmetric modes behave in a manner analogous to the graphite/polymer theoretical curves. In this study a basis has been established for analyzing Lamb wave velocities for characterizing composite plates. Lamb wave dispersion curves and group velocities were correlated with variations in axial stiffness and shear stiffness in MMC and CMC. For CMCs, interfacial shear strength was also correlated with the first antisymmetric Lamb mode.     

Angular-profile tuning of guided waves in hollow cylinders using a circumferential phased array

Angular-profile tuning of guided waves in hollow cylinders is implemented by using partial loading of the elements in a circumferentially placed phased array. Each partial loading element generates nonaxisymmetric guided waves in a pipe. In earlier work, numerical calculations and experiments have shown that, for nonaxisymmetric guided waves, circumferential distribution of particle displacements (i.e., the angular profile) changes with propagation distance, frequency, and mode. To change the angular profile at a certain distance, either frequency or mode has to be changed for a single partial loading element. This is not the case, however, for a circumferential phased array. The total angular profile of a circumferential array is the superposition of contributions from all elements. If given the knowledge of the angular profile for a single element, the total guided wave angular profile can be controlled and thus focused at any specific circumferential location by a circumferentially placed phased array with adjustable voltage level and phase inputs. This angular profile tuning technique can be used for implementing a circumferential scan with focused, guided wave beams, which leads to the detection of smaller defects as a result of stronger focused beams. Algorithms and specific nondestructive evaluation (NDE) applications for pipe inspection using this technique are discussed.     

基于纵向超声导波管道非通透缺陷检测研究

管道经过长期服役后,由于磨损、腐蚀和意外损伤等原因,对管道正常运行产生危害。在实际工况中,小的腐蚀缺陷容易发展成腐蚀穿孔,浅层的小裂纹容易发展成穿透型裂纹,因此探究如何有效检测管道小宽度非通透缺陷是很有必要的。利用ANSYS有限元仿真软件模拟纵向模态导波对管道的周向和斜向非通透缺陷的检测,得到了周向非通透缺陷的反射系数曲线,并证实时间反转法可以显著提高导波对非通透斜裂纹的检测能力。还针对空管和充水管非通透斜裂纹的定位问题进行了研究,结果表明利用时间反转法可以得到缺陷较为精确的周向与轴向位置及大致形状。     

A rapid signal processing technique to remove the effect of dispersion from guided wave signals

Guided acoustic and ultrasonic waves have been utilized in various manners for non-destructive evaluation and testing. If a guided wave mode is dispersive, a pulse of energy will spread out in space and time as it propagates. For a long-range guided wave inspection application, this constrains the choice of operating point to regions on the dispersion curves where dispersion effects are small. A signal processing technique is presented that enables this constraint on operating point to be relaxed. The technique makes use of a priori knowledge of the dispersion characteristics of a guided wave mode to map signals from the time to distance domains. In the mapping process, dispersed signals are compressed to their original shape. The theoretical basis of the technique is described and an efficient numerical implementation is presented. The robustness of the technique to inaccuracies in the dispersion data is also addressed. The application of the technique to experimental data is shown and the resulting improvement in spatial resolution is demonstrated. The implications of using dispersion compensation in practical systems are briefly discussed.