固体层状介质中的超声波传播特性研究

摘要

固体层状结构一般是指通过粘结、焊接或其它方法获得的不同薄板类材料（金属或非金属）联接在一起的复合材料，形成两层、三层甚至多层结构。由于其具有抗疲劳、减震性能优越、比强度、比模量高等优点，广泛应用于航空航天、汽车、军工等重要领域的关键零部件，例如，飞机机翼扰流板和发动机护罩板、飞机和汽车的蒙皮、固体发动机外壳的隔热板等。固体层中缺陷超声无损检测技术是新兴的多学科交叉技术,该技术对薄板材料生产领域及其深加工等多方面有着较高的应用价值。本文围绕固体层中介质的超声波传播特性研究做了以下工作：
　　(1)采用势函数和传递法，结合声波控制方程得到反映声波在层状介质中的数学模型，通过层状介质中气-固界面及固-固界面处应力和位移连续性的边界条件，建立声波在固体分别单层、双层、三层层状介质中的声传播数学模型，得到了声波在固体层状介质中的声传播频散曲线。同时研究了不同的层状介质物理参数变化对声波频散曲线影响。结果表明，在单层介质中，任一频厚积，必定存在二种或二种以上模态，除A0和S0模式之外，所有其他模式都存在截止频率。在双层层状介质中，当薄层厚度从1mm增加到3mm，频散曲线整体往左移动，基体为钢铁的频散曲线较基体为铝的频散曲线整体上往右移动，Lamb波对基体的密度变化敏感性较低；当基体的厚度从1mm增加到3mm时，频散曲线整体上往左移动，A0模态和S0模态较为敏感。在三层层状介质中，基体为铝材质的频散曲线较基体为钢材质整体上往右移动，S0模态在整个频域内都较为敏感。当基体的厚度从1mm增加到3mm时，基体厚度为3mm的频散曲线整体上往右移动， A0模态和S0模态变化较为敏感。另外，0.5MHz S0模态声波在介质中的水平应力在厚度方向上呈对称形式；而垂直应力在厚度方向上呈反对称形式；声波在介质中的水平应力在厚度方向上呈对称形式；而垂直应力在厚度方向上呈反对称形式；为超声在层状介质无损检测及性能检测提供理论依据。
　　(2)建立了非接触型超声波在层状介质中的数学模型，采用数值分析的方法得到了空气耦合超声波传播规律。结果表明，在空耦条件下频散曲线的各个模态与存在耦合剂条件下的频散曲线整体上向左移动，当频率小于1MHz时出现了四种模态曲线，有些模态的群速度在同一频厚积处相当接近。当空气耦合超声波垂直入射层状介质中，板厚为半个波长的整数倍时，透射系数为1；当厚度不是半个波长的整数倍时，透射系数在很宽的频率范围内都很小，且空气耦合超声波只能在特定的频厚积才能最大程度地穿过被测介质，频厚积的值具有一定的周期性，其周期为被测介质声速与厚度乘积一半的整数倍。当超声波斜入射氮化硅陶瓷材料时，产生的第一临界角为3.7°，当入射角超过3.7°时，氮化硅陶瓷材料内部只存在横波；当入射角达到第二临界角6.4°时，声波将发生全反射；此外声波的透射系数也呈现多模态形式，每一种模态下都存在着截止频率。从理论(Snell定律)和仿真计算得到的空气耦合超声在氮化硅中第一、第二临界角相吻合，误差均在0.1°；由仿真结果得到的弹性模量为43.52GPa，与理论结果相比误差为1.96％。由此可知，仿真计算方法精度较高。
　　(3)最后，建立了接触型和非接触型超声检测实验系统。在接触型超声检测中，给出了中心频率分别为1 MHz和2.5MHz，超声换能器间距分别为80mm和100mm时的时域波形，该波形存在板中直达波和缺陷波两种信号。结果表明，不同直径缺陷的板中直达波和缺陷波幅值具有较大差异。缺陷直径对板中直达波的幅值影响不大，缺陷波幅值随着缺陷直径的增大逐渐减小的趋势；非接触型超声检测中，给出了中心频率为400KHz，空耦换能器间距分别为48mm和68mm的时域波形。结果表明，缺陷直径对板中直达波的幅值影响不大，缺陷波幅值随着缺陷直径增大逐渐减小的趋势。另外，在接触型和非接触型超声波检测中，声波以一定的入射角度激发单一模态，在实验检测中发现接收到的回波信号均会产生了频散现象。

目录

声明

1 引 言

1.1 课题研究的目的和意义

1.2 超声检测技术及其在层状介质中研究现状

1.3 层状介质超声导波的基本理论

1.4 本文主要研究内容

1.5 本文的内容安排

2 层状介质中Lamb波传播特性的数学描述

2.1 声学基本参量

2.2 声波控制方程

3 层状介质超声导波的频散特性

3.1 单层板导波频散特性

3.2 声波在双层介质中的传播特性

3.3 声波在双层层状介质中的传播频散特性数值仿真

3.4 声波在三层介质中的传播特性

3.5 声波在三层层状介质中的传播频散特性数值仿真

3.6 本章小结

4 层状介质空气耦合超声检测

4.1 空气耦合超声波的频散特性

4.2 空气耦合超声波在层状介质中的传播特性

4.3 介质弹性模量的空气耦合超声波检测

4.4 本章小结

5 超声检测的实验研究

5.1 超声波检测的实验研究

5.2 空气耦合超声检测实验研究

5.3 空气耦合超声纵波传播特性实验研究

5.4 材料弹性模量的空气耦合超声检测实验研究

5.5 本章小结

6 结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢