窄板无损检测用水平剪切波电磁声传感器的研制

低阶水平剪切波具有的几个特点使得它特别适合应用于结构大范围无损检测。通过对换能器几何结构的设计,电磁声换能器能实现多种不同模态导波的激励,如板中的兰姆波和水平剪切波,但电磁声换能器的性能受其结构参数影响很大。为实现磁铁阵列式电磁声换能器的性能评价,开发一种用于换能器远场周向声场分布计算的线源分布模型,对具有不同几何参数的电磁声换能器的性能进行数值计算,如磁铁数量、磁铁周期、线圈的内外径等。这些参数对激励出的SHO波的指向性有很大影响,主要表现在主瓣及旁瓣的幅值及宽度方面。根据数值分析结果,为获得较好的指向性对换能器的结构参数进行优化设计。将优化设计研制出的换能器用于窄板结构无损检测,结果表明窄板的侧边界对SHO波的传播基本没有影响,可用于窄板结构的无损检测。提出可预测出磁铁阵列式电磁声换能器的声场分布并用于换能器参数优化的线源分布模型。     

瑞利型声板波的液体传感研究

以瑞利型声板波为例,在有限元软件COMSOL中建立了声板波二维模型,仿真分析了声板波在自由空间中和负载液体时的特征频率。仿真研究表明：无论基片背面为自由边界还是金属边界,负载液体时都会导致声板波A0和S0模态特征频率发生变化,从而可用于液体的特征参数检测;由于S0模态负载液体时会产生一定的衰减,因此声板波的A0模态比S0模态更适于液体传感。实际制作了两组声板波器件,采用网络分析仪测量了器件的幅频特性,实验结果与数值仿真结果基本一致,证明了理论模型的正确性和数值仿真的有效性。     

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。     

基于ANSYS的声表面波器件仿真研究

随着声表面波器件的发展,器件的制作也越来越复杂,随之就更好的性能和模型的预测也提出了越来越多的要求。用ANSYS完成了声表面波器件的模拟与仿真,并与具体的试验结果进行了比较,结果比较吻合。     

基于水平剪切波声弹特性的矩形管轴向应力检测方法与试验研究

矩形管作为一种非典型波导结构,导波在其中的传播特性较为复杂,不便于利用其特有的模态进行检测。为实现矩形管结构应力的在役检测,基于特征频率法计算了水平剪切波SH_0模态的声弹特性,搭建了矩形管轴向应力评估检测系统。针对试验加载条件,利用有限元法分析受轴向拉伸矩形管的应力分布情况,以合理布置SH_0模态EMAT传感器,并对矩形管在承受不同拉应力条件下的声弹常数进行了试验研究。试验结果表明:矩形管中SH_0模态的试验声弹常数与理论计算结果的比值为0.592 6,其声弹效应受材料织构效应影响较弱,通过应力评估误差结果可发现,SH_0模态在低应力区域误差较大,当应力低于100 MPa时,应力偏差普遍在20 MPa以上;而在高应力区域偏差可稳定在10 MPa左右,结果表明基于SH_0模态声弹效应可以预估矩形管结构应力是否超载。     

声表面波与声板波激发特性对比研究

通过沉积在压电基片表面的叉指换能器可在基片上激发出声波。以部分波理论为基础,引入表面有效介电常数方法来对比研究压电基片上激发的声表面波和声板波,并通过实验证明了理论分析方法的有效性。特定切向和传播方向的压电晶体只能激发出一种声表面波模式,而其声板波则具有多种模式,且各高阶模式只有当基片厚度与声波波长之比大于某一特定值时才会出现。随着基片厚度增大,声板波各高阶模式的传播速度和机电耦合系数减小,两种低阶模式的传播速度则趋近于声表面波相应值。受基片背面的电学边界条件影响,其中一种低阶模式的机电耦合系数随着基片厚度增大而趋近于声表面波相应值,另一种低阶模式的机电耦合系数则接近于零。根据上述研究结果可以确定叉指电极激发声表面波或声板波的条件及两种声波之间的关系。
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声板波密度传感器及系统设计

文中简要介绍了一种基于声板波（APM）的液体密度传感器基本工作原理。详细讨论了这种传感器在系统设计过程中的信号检测和数据处理技术。在系统设计中采用相关原理，利用软件方法实现相位差鉴别。并具体分析了A/D分辨率、噪声干扰、算法误差几个因素对系统精度的影响以及参数的设计方法。     

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。     

声表面波射频识别技术及其发展

声表面波（Surface Acoustic Wave,SAW）是沿物体表面传播的、能量集中于表面附近的一种弹性波。基于SAW技术实现的射频识别（Radio Frequency Identification,RFID）是应用现代电子学、声学、微电子工艺技术和雷达信号处理技术等的新成就,具有纯无源,阅读距离大,制造成本低,可在高温差、强电磁干扰等恶劣环境下工作等特点,可应用于交通运输、工农业生产制造及监测等各个领域。它是基于集成电路芯片RFID的重要技术补充,逐渐受到了业界的广泛关注。文中基于SAW-RFID的工作原理介绍了SAW-RFID的特点及优势,分析讨论了SAW标签的编码方式、发展状况及关键技术问题等。     

无线声表面波辨识标签的分析和设计

讨论了确定叉指换能器的孔径长度以及与利用串联谐振进行匹配时的方法。分析了金属化对辨识标签（ID-tage)频率响应的影响，对金属化厚度和叉指换能的周期的设计提供了依据，并有利于提高接收到的反射信号的信噪比，讨论了反射栅的反射系数大小控制以及为减小整体器件的尺寸，确定反射栅之间最小距离的方法，分析了如何有效降低插损和多次反射对ID－tag器件影响，最后利用耦合模理论，获得了器件的时域应，对指导器件制作具有重要意义。     

柔性声表面波器件的波模式分析

用反应磁控溅射法在柔性聚酰亚胺衬底上沉积了ZnO压电薄膜,并制备了基于ZnO压电薄膜的柔性声表面波(SAW)器件。制备的柔性SAW器件显示了良好的谐振性能,而且展现出两个波模式:模式0和模式1。当波长为32μm,ZnO厚度为4μm时,SAW器件的模式0和模式1的谐振频率分别为34.4MHz和158.5MHz,对应声速为1 100.8m/s和5 072m/s。模式0为已知的瑞利波,模式1为新的高频模式。沉积了不同厚度的ZnO薄膜制备柔性SAW器件,进一步分析了薄膜厚度对SAW器件和模式1的影响。分析认为该高频模式不是传统硬质衬底上SAW器件产生的Sezawa波,而是S_0兰姆波,并且是有衬底情况下的S_0兰姆波。文中还采用Comsol仿真分析了新的高频模式1的粒子振动位移,结果和S_0兰姆波粒子振动位移一致,从而验证了其为广义兰姆波的正确性。     

空间差分干涉的光纤分布式水下声波测量

为了实现大范围的水下微弱声波探测,提出了一种基于后向瑞利散射空间差分干涉的光纤分布式声波检测(DAS)技术。声波振动引起单模传感光纤中后向瑞利散射光的变化,将含有声波信息的后向瑞利散射光注入到非平衡迈克尔逊干涉仪,调节干涉仪的臂长差实现不同长度的相邻空间段的后向瑞利散射光干涉,然后采用3×3耦合器解调技术解调出相位信息,实现声波信号的测量。实验搭建了一套基于DAS技术的水下声波测量系统,该系统不仅能够实时准确定位两个声波位置,还能还原声波的幅值、频率、相位等信息,并且实现了1kHz情况下的-148.8dB(re rad/μPa)水下声压相位灵敏度,100~1 500Hz频率的频响平坦度在1.2dB之内。实验结果证实DAS技术能够实时快速地实现多个声波信息的定量测量。     

利用声表面波实现液体的二维驱动(英文)

报道了利用声表面波实现水滴二维驱动的实验.在127.8° Y切X向传播的铌酸锂衬底上制作了4个叉指换能器.每个叉指换能器由10对电极构成,其叉指周期为400 μm,宽度为100 μm,孔径为12 mm,整个器件的尺寸为26 mm×26 mm×0.45 mm.由于铌酸锂晶体的各向异性,叉指换能器沿Y、X方向的谐振频率不同,分别为9.3 MHz 和9.6 MHz.基于铜材料相对于铝材料的优点,选用了铜材料并采用剥离工艺制作了电极,得到了优化的工艺参数.最后,用了超长时间超声波辅助方法彻底去除残胶,实现了对水滴的二维驱动,输入功率为9 W,液滴运动的平均速率为5 mm/s.利用ANSYS软件分析了声表面波在铌酸锂衬底内的传播,内部振动的模拟结果与理论分析一致.实验表明,利用声表面波实现液体的二维驱动是可行的,该液体驱动原型可用于片上系统和μ-TAS.     

声表面波气体传感器化学敏感膜研究进展

化学吸附敏感膜是声表面波(SAW)气体传感器的关键组成部分.本文介绍膜材料对化学蒸气的吸附原理及SAW传感器响应的理论计算方法;对敏感膜材料的研究现状作了综述,包括有机聚合物、超分子化合物、无机物膜材料、分子液晶以及生物分子;展望了膜材料的发展前景.     

Numerical analysis of wave energy dissipation by damping treatments in a plate with acoustic black holes

The reduction of vibration by acoustic black holes (ABHs) with damping treatments can be achieved in two stages: energy focalization and energy dissipation. The energy focalization is mainly due to changes of the local thickness by slowing down the flexural wave speed and energy dissipation can be achieved by using viscoelastic damping materials. In structures with embedded ABHs, the damping effectiveness can depend significantly on the types of damping treatments. In this paper, 4 different damping treatments according to the types of attached region are considered in order to estimate the effectiveness of damping treatments as 1) a fully-covered unconstrained damping treatment, 2) a fully-covered constrained damping treatment, 3) a partially-covered unconstrained damping treatment and 4) a partially- covered constrained damping treatment as well as no damping treatment as reference data. In this study, the performance of damping treatments is explored using numerical simulations of three-dimensional thin plate embedded truncated ABH(s). The wave energy in the ABH, the normalized total energy and the focalization ratio are introduced to compare the effectiveness of the damping treatments. The numerical results show that the fully-covered constrained damping treatment provides the most effective configuration in terms of the wave energy in ABH and the normalized total energy.     

Thermodynamic second law analysis for a gravity-driven variable viscosity liquid film along an inclined heated plate with convective cooling

The inherent irreversibility and thermal stability in a gravity-driven temperature-dependent variable viscosity thin liquid film along an inclined heated plate with convective cooling is investigated. In this study, both the isothermal and isoflux heating of the plate are considered. The free surface of the liquid film is assumed to exchange heat with the surroundings following Newton’s cooling law and the fluid viscosity model varies as an inverse linear function of the temperature. Analytical solutions are constructed for the governing boundaryvalue problem, and important properties of velocity and temperature fields such as thermal stability criterion are obtained. Expressions for volumetric entropy generation numbers, irreversibility distribution ratio, and the Bejan number in the flow field are also obtained and discussed quantitatively.     

基于二维延时叠加的激光诱导声表面波成像研究

激光诱导声表面波损伤成像是激光超声无损检测的难点之一,存在成像分辨率低、成像效果差、设备要求高等问题.针对这些问题,提出采用二维延时叠加成像算法提高成像质量.首先通过实验和仿真手段对激光超声扫描过程中产生的多种信号进行系统的分析,以此为基础改进激光诱导声表面波的成像算法.本文设置具有深度梯度的矩形裂纹缺陷和圆形缺陷,通...     

微纳耦合光纤模态声发射传感特性优化研究

为了改善微纳耦合光纤传感器声发射模态识别的能力,立足于模态声发射理论,实验研究了微纳耦合光纤有效传感区结构、长度以及对称性对传感器模态识别能力的影响,分析了优化后传感器模态识别能力的定向性。实验结果表明,当有效传感区结构为包括分离区、锥区和腰区的"X"型结构时,传感器不能识别S_0模态,且识别的A_0模态完整性差;当有效传感区结构为包括腰区和全部锥区的"---"型结构时,传感器能够识别出S_0模态,并完整地识别A_0模态;当有效传感区对称时,所测信号模态完整性好;而当有效传感区不对称时,所测信号完整性较差;"X"型结构时,分离区会衰减声波的部分能量,传感器灵敏度随着有效传感区长度的减小而增大;"---"型结构时,由于锥区起到应变放大作用,传感器灵敏度会随着锥区长度的减小而降低;传感器的模态识别能力随着检测角度的减小而减弱,其有效检测角度范围为45°~135°。该研究对本传感器应用于模态声发射具有指导意义。     

SAW-CA传感器印迹敏感膜吸附机理的研究

选择间苯二酚杯[4]芳烃硫醚衍生物(CA)作为声表面波(SAW)化学传感器敏感膜材料,结合分子印迹技术(MIT),在传感器金延迟线上自组装(SA)制作了对有机膦化合物有选择性吸附能力的敏感膜.研究了SAW-CA传感器检测甲基膦酸二甲酯(DMMP)过程中敏感膜的吸附机理.     

Optimization of excitation frequency and guided wave mode in acoustic wavenumber spectroscopy for shallow wall-thinning defect detection

In plate-like structures, wall-thinning defects resulting from corrosion may not be accompanied by any indication of damage on the surface. Thus, inspections are required to ensure that wall-thinning defects are within allowable limits. However, conventional ultrasonic techniques require physical contact to the structure. Alternatively, acoustic wavenumber spectroscopy (AWS) may be used for detecting, locating, and characterizing defects. This paper describes the performance of AWS in the estimation of a wall-thinning defect size in thinplate structures using finite element analysis (FEA). Through a series of FEAs, the structure’s steady-state response to a single-tone ultrasonic excitation is simulated, and the wall-thinning defect-size effect on the wavenumber-estimation accuracy is investigated. In general, the A0 guided wave mode is widely used to visualize defects because of the nature of the wave speed variation in relation to the plate thickness. However, it is not appropriate for the detection of relatively shallow wall-thinning defects, because the rate of change in wave speed with the thickness decreases with increasing plate thickness. To overcome this limitation, we propose a method to optimize excitation frequency and effective guided wave mode instead of utilizing the A0 mode. The results can be used to determine the size of shallow wall-thinning defects in plate-like structures.