發(fā)布時(shí)間：2017-08-17 10:34

  本文關(guān)鍵詞：固體層狀介質(zhì)中的超聲波傳播特性研究

  更多相關(guān)文章： 超聲波 層狀介質(zhì) 聲波控制方程 頻散曲線 聲學(xué)參量

【摘要】：固體層狀結(jié)構(gòu)一般是指通過(guò)粘結(jié)、焊接或其它方法獲得的不同薄板類(lèi)材料(金屬或非金屬)聯(lián)接在一起的復(fù)合材料,形成兩層、三層甚至多層結(jié)構(gòu)。由于其具有抗疲勞、減震性能優(yōu)越、比強(qiáng)度、比模量高等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、軍工等重要領(lǐng)域的關(guān)鍵零部件,例如,飛機(jī)機(jī)翼擾流板和發(fā)動(dòng)機(jī)護(hù)罩板、飛機(jī)和汽車(chē)的蒙皮、固體發(fā)動(dòng)機(jī)外殼的隔熱板等。固體層中缺陷超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是新興的多學(xué)科交叉技術(shù),該技術(shù)對(duì)薄板材料生產(chǎn)領(lǐng)域及其深加工等多方面有著較高的應(yīng)用價(jià)值。本文圍繞固體層中介質(zhì)的超聲波傳播特性研究做了以下工作:(1)采用勢(shì)函數(shù)和傳遞法,結(jié)合聲波控制方程得到反映聲波在層狀介質(zhì)中的數(shù)學(xué)模型,通過(guò)層狀介質(zhì)中氣-固界面及固-固界面處應(yīng)力和位移連續(xù)性的邊界條件,建立聲波在固體分別單層、雙層、三層層狀介質(zhì)中的聲傳播數(shù)學(xué)模型,得到了聲波在固體層狀介質(zhì)中的聲傳播頻散曲線。同時(shí)研究了不同的層狀介質(zhì)物理參數(shù)變化對(duì)聲波頻散曲線影響。結(jié)果表明,在單層介質(zhì)中,任一頻厚積,必定存在二種或二種以上模態(tài),除A0和S0模式之外,所有其他模式都存在截止頻率。在雙層層狀介質(zhì)中,當(dāng)薄層厚度從1mm增加到3mm,頻散曲線整體往左移動(dòng),基體為鋼鐵的頻散曲線較基體為鋁的頻散曲線整體上往右移動(dòng),Lamb波對(duì)基體的密度變化敏感性較低;當(dāng)基體的厚度從1mm增加到3mm時(shí),頻散曲線整體上往左移動(dòng),A0模態(tài)和S0模態(tài)較為敏感。在三層層狀介質(zhì)中,基體為鋁材質(zhì)的頻散曲線較基體為鋼材質(zhì)整體上往右移動(dòng),S0模態(tài)在整個(gè)頻域內(nèi)都較為敏感。當(dāng)基體的厚度從1mm增加到3mm時(shí),基體厚度為3mm的頻散曲線整體上往右移動(dòng),A0模態(tài)和S0模態(tài)變化較為敏感。另外,0.5MHz S0模態(tài)聲波在介質(zhì)中的水平應(yīng)力在厚度方向上呈對(duì)稱(chēng)形式;而垂直應(yīng)力在厚度方向上呈反對(duì)稱(chēng)形式;聲波在介質(zhì)中的水平應(yīng)力在厚度方向上呈對(duì)稱(chēng)形式;而垂直應(yīng)力在厚度方向上呈反對(duì)稱(chēng)形式;為超聲在層狀介質(zhì)無(wú)損檢測(cè)及性能檢測(cè)提供理論依據(jù)。(2)建立了非接觸型超聲波在層狀介質(zhì)中的數(shù)學(xué)模型,采用數(shù)值分析的方法得到了空氣耦合超聲波傳播規(guī)律。結(jié)果表明,在空耦條件下頻散曲線的各個(gè)模態(tài)與存在耦合劑條件下的頻散曲線整體上向左移動(dòng),當(dāng)頻率小于1MHz時(shí)出現(xiàn)了四種模態(tài)曲線,有些模態(tài)的群速度在同一頻厚積處相當(dāng)接近。當(dāng)空氣耦合超聲波垂直入射層狀介質(zhì)中,板厚為半個(gè)波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí),透射系數(shù)為1;當(dāng)厚度不是半個(gè)波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí),透射系數(shù)在很寬的頻率范圍內(nèi)都很小,且空氣耦合超聲波只能在特定的頻厚積才能最大程度地穿過(guò)被測(cè)介質(zhì),頻厚積的值具有一定的周期性,其周期為被測(cè)介質(zhì)聲速與厚度乘積一半的整數(shù)倍。當(dāng)超聲波斜入射氮化硅陶瓷材料時(shí),產(chǎn)生的第一臨界角為3.7°,當(dāng)入射角超過(guò)3.7°時(shí),氮化硅陶瓷材料內(nèi)部只存在橫波;當(dāng)入射角達(dá)到第二臨界角6.4°時(shí),聲波將發(fā)生全反射;此外聲波的透射系數(shù)也呈現(xiàn)多模態(tài)形式,每一種模態(tài)下都存在著截止頻率。從理論(Snell定律)和仿真計(jì)算得到的空氣耦合超聲在氮化硅中第一、第二臨界角相吻合,誤差均在0.1°;由仿真結(jié)果得到的彈性模量為43.52GPa,與理論結(jié)果相比誤差為1.96%。由此可知,仿真計(jì)算方法精度較高。(3)最后,建立了接觸型和非接觸型超聲檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。在接觸型超聲檢測(cè)中,給出了中心頻率分別為1 MHz和2.5MHz,超聲換能器間距分別為80mm和100mm時(shí)的時(shí)域波形,該波形存在板中直達(dá)波和缺陷波兩種信號(hào)。結(jié)果表明,不同直徑缺陷的板中直達(dá)波和缺陷波幅值具有較大差異。缺陷直徑對(duì)板中直達(dá)波的幅值影響不大,缺陷波幅值隨著缺陷直徑的增大逐漸減小的趨勢(shì);非接觸型超聲檢測(cè)中,給出了中心頻率為400KHz,空耦換能器間距分別為48mm和68mm的時(shí)域波形。結(jié)果表明,缺陷直徑對(duì)板中直達(dá)波的幅值影響不大,缺陷波幅值隨著缺陷直徑增大逐漸減小的趨勢(shì)。另外,在接觸型和非接觸型超聲波檢測(cè)中,聲波以一定的入射角度激發(fā)單一模態(tài),在實(shí)驗(yàn)檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)接收到的回波信號(hào)均會(huì)產(chǎn)生了頻散現(xiàn)象。
【關(guān)鍵詞】：超聲波 層狀介質(zhì) 聲波控制方程 頻散曲線 聲學(xué)參量
【學(xué)位授予單位】：景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TB33;TB302.5
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 1 引言10-18
• 1.1 課題研究的目的和意義10-11
• 1.2 超聲檢測(cè)技術(shù)及其在層狀介質(zhì)中研究現(xiàn)狀11-13
• 1.2.1 超聲檢測(cè)技術(shù)11
• 1.2.2 超聲檢測(cè)技術(shù)在分層介質(zhì)中研究現(xiàn)狀11-13
• 1.3 層狀介質(zhì)超聲導(dǎo)波的基本理論13-16
• 1.3.1 超聲波的定義和分類(lèi)13-14
• 1.3.2 超聲檢測(cè)基本方法14-15
• 1.3.3 超聲換能器和耦合劑的選擇15-16
• 1.4 本文主要研究?jī)?nèi)容16-17
• 1.5 本文的內(nèi)容安排17-18
• 2 層狀介質(zhì)中Lamb波傳播特性的數(shù)學(xué)描述18-26
• 2.1 聲學(xué)基本參量18-20
• 2.2 聲波控制方程20-26
• 3 層狀介質(zhì)超聲導(dǎo)波的頻散特性26-38
• 3.1 單層板導(dǎo)波頻散特性26-29
• 3.1.1 Lamb波基本理論26-27
• 3.1.2 Lamb波的傳播速度27
• 3.1.3 頻散方程的數(shù)值求解27-29
• 3.2 聲波在雙層介質(zhì)中的傳播特性29-31
• 3.2.1 聲波在雙層介質(zhì)中的傳播數(shù)學(xué)模型29-30
• 3.2.2 聲波在雙層介質(zhì)傳播邊界條件:30-31
• 3.3 聲波在雙層層狀介質(zhì)中的傳播頻散特性數(shù)值仿真31-33
• 3.3.1 薄層厚度對(duì)頻散特性的影響31-32
• 3.3.2 基體材料對(duì)頻散特性的影響32
• 3.3.3 基體厚度對(duì)頻散特性的影響32-33
• 3.4 聲波在三層介質(zhì)中的傳播特性33-34
• 3.4.1 物理模型33
• 3.4.2 聲波在三層層狀介質(zhì)中的傳播邊界條件33-34
• 3.5 聲波在三層層狀介質(zhì)中的傳播頻散特性數(shù)值仿真34-36
• 3.5.1 基體材料對(duì)頻散特性的影響34-35
• 3.5.2 基體厚度對(duì)頻散特性的影響35
• 3.5.3 斜入射時(shí)位移與厚度的關(guān)系35-36
• 3.5.4 斜入射時(shí)應(yīng)力與厚度的關(guān)系36
• 3.6 本章小結(jié)36-38
• 4 層狀介質(zhì)空氣耦合超聲檢測(cè)38-49
• 4.1 空氣耦合超聲波的頻散特性38-41
• 4.1.1 空氣耦合超聲的頻散特性物理模型38-39
• 4.1.2 空氣耦合超聲的頻散特性數(shù)值仿真39-41
• 4.2 空氣耦合超聲波在層狀介質(zhì)中的傳播特性41-44
• 4.2.1 層狀介質(zhì)空氣耦合傳播原理41-43
• 4.2.2 縱波傳播特性的數(shù)值分析43-44
• 4.3 介質(zhì)彈性模量的空氣耦合超聲波檢測(cè)44-48
• 4.3.1 空氣耦合檢測(cè)原理44-47
• 4.3.2 仿真計(jì)算47-48
• 4.4 本章小結(jié)48-49
• 5 超聲檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)研究49-70
• 5.1 超聲波檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)研究49-59
• 5.1.1 實(shí)驗(yàn)裝置49
• 5.1.2 實(shí)驗(yàn)材料49-50
• 5.1.3 層狀介質(zhì)中導(dǎo)波模態(tài)選擇50
• 5.1.4 導(dǎo)波的試驗(yàn)結(jié)果分析與研究50-59
• 5.2 空氣耦合超聲檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究59-65
• 5.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置59-60
• 5.2.2 層狀介質(zhì)中導(dǎo)波模態(tài)選擇60
• 5.2.3 導(dǎo)波的試驗(yàn)結(jié)果分析60-65
• 5.3 空氣耦合超聲縱波傳播特性實(shí)驗(yàn)研究65-67
• 5.3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與分析65
• 5.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析65-67
• 5.4 材料彈性模量的空氣耦合超聲檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究67-68
• 5.4.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與分析67
• 5.4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析67-68
• 5.5 本章小結(jié)68-70
• 6 結(jié)論70-73
• 參考文獻(xiàn)73-77
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文77-78
• 致謝78

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本文編號(hào)：688551