声表面波在空心圆柱体中的传播特性分析

空心圆柱体管道类的声表面波检测是目前工程检测领域常见的问题。通过势函数和位移假设,建立了声表面波在空心圆柱体内传播的频散方程。数值计算结果表明在空心圆柱体内传播的声表面波与平板中传播的兰姆波存在类似,位移表现为对称和反对称模态。随着频率的增加,低阶模态的相速度逐渐趋于声表面波波速,同时空心圆柱体的壁厚对声表面波相速度的影响较为明显。建立的模型和计算结果为实际的声表面波圆柱体检测奠定了基础。     

基于COMSOL的复合膜结构中SAW传播特性分析

该文以金刚石/氮化铝/二氧化硅复合膜结构中声表面波的传播特性为研究对象,利用COMSOL软件建立复合膜有限元模型并进行模拟仿真,根据仿真结果计算得出复合膜结构中声表面波的相速度色散曲线和积淀耦合系数曲线,分析了氮化铝、二氧化硅和铝电极膜厚对声表面波传播特性的影响。     

ZnO单晶声表面波谐振器传播特性的研究

基于有限元压电材料中表面波传播的有限元分析原理,利用有限元分析软件COMSOL对基于ZnO单晶材料的声表面波器件进行多物理域耦合建模与仿真,提取出了符合声表面波振型的对称模态变形图和反对称模态变形图。通过谐振频率分析,计算出了ZnO单晶的相速度和机电耦合系数;通过频率响应分析,得出谐振器输入导纳、阻抗与频率之间的关系图;最后讨论了叉指换能器的结构对谐振频率、反谐振频率的影响,得出输入、输出叉指换能器(IDT)的叉指电极对数越大,插入损耗值越大,信号衰减越小。     

声表面波谐振器传播状态的ANSYS仿真

为描述声表面波的传播状态,利用ANSYS软件对声表面波(SAW)谐振器进行了仿真。在对声表面波产生机理和SAW谐振器工作原理分析的基础上,建立了SAW谐振器仿真模型,讨论了网格划分不同对仿真结果精度的影响,得出了在每个SAW波长尺寸内划分30～40个网格可以得到较精确的仿真结果。对不同长度声孔径的声表面波谐振器进行了仿真分析,得出了声表面波只在固体表面1～2个波长深度范围内传播的仿真效果图,与理论分析有很好的一致性。最后对IDT/ZnO/金刚石/Si结构的声表面波器件进行了仿真,得出该结构声表面波器件SAW传播速度与ZnO的厚度成反比,其大小是IDT/ZnO结构器件SAW传播速度的2～3倍。     

激光激发材料中近场声表面波的数值模拟

用有限元方法数值模拟了激光热弹机制下激发材料中的声表面波,分别建立了激光照射无表面缺陷的材料以及含有矩形凹槽缺陷情况下声表面波激发与传播的模型,通过数值计算分别得到了无表面缺陷和存在不同深度表面缺陷的情况下,位于激光光斑辐照半径内固定一点的垂直于材料表面方向的位移曲线.进而计算了固定缺陷尺寸情况下位于入射激光光斑半径之外几百微米范围内各点垂直于材料表面方向的位移.     

基于偏振差分干涉技术声表面波检测系统研究

针对宽频声表面波的高灵敏度检测需求,研究设计搭建了基于偏振差分干涉技术的激光声表面波检测系统。实验中从干涉条纹可见度和差分信号的大小来评估系统的调试效果,利用压电陶瓷纳米位移台和SIOS干涉仪对检测系统进行测试和标定,得到系统的最小静态、动态检测位移;对系统各组成部分的噪声信号进行分析,并提出相应的抑制方法。最后对系统进行重复性测量,并对铝、硅样片上的激光声表面波信号进行检测。本研究为声表面波检测系统的性能评估提供了科学可行的方法,为声表面波技术在无损检测中的应用提供了一种可靠的测量手段。     

熔覆层厚度对相控阵表面波聚焦特性的影响

超声表面波是检测激光熔覆层质量的重要手段,为提高检测分辨率,采用可达到声束聚焦效果的相控阵表面波对激光熔覆层进行检测。建立了单探头与相控阵表面波传播的有限元模型,基于Fermat原理研究超声波传播路径并分析了阵元延时特性,实现了相控阵表面波的聚焦和偏转,研究了熔覆层厚度对相控阵表面波聚焦特性的影响。结果表明,对于基体材料为铝,熔覆层材料为45#钢时,熔覆层厚度在2.5 mm内,聚焦点的能量随厚度增加而减小,如1 mm厚相对于0.2 mm厚的聚焦点能量减小了58.8%;当厚度大于2 mm时,聚焦点处能量变化不明显,表明超声相控阵表面波对薄的熔覆层具有较好的检测效果。     

激光阵列用于改善声表面波信噪比的数值研究

为了改善激光超声检测中声表面波的信噪比,利用对激光线源进行时间和空间上的调制获得激光阵列作为激励源辐照铝板表面,采用有限元法分别模拟了大位移幅值声表面波(巨声表面波)的激发以及巨声表面波与铝板表面矩形缺陷相互作用的过程。结果表明,激光阵列经过时间调制后辐照铝材料上激发出的声表面波,其垂直于表面方向的位移幅值与阵列中线源个数成线性比例;且巨声表面波与表面缺陷作用后所产生的反射回波的位移幅值也随着线源个数的增多得到明显增大。模拟结果对在激光超声检测中应用激光阵列提高声表面波的信噪比提供了理论依据。     

激光冲击硬化层中激光声表面波的实验研究

激光冲击硬化通过在材料的近表面产生残余压应力来提高材料的表面硬度和抗疲劳寿命。材料近表面性质的变化能够导致在其中传播的声表面波发生色散。为了研究激光冲击硬化后金属Al合金样品中的激光声表面波(SAW)的传播,提出一种合理的宽带激发和接收方法,搭建了由激光激发、聚偏二氟乙烯(PVDF)传感器接收超声信号的实验装置。分别对不同条件下激光冲击的Al合金样品中的激光声表面波进行了探测,通过对接收到的超声信号进行时频分析得到了信号的频谱以及声表面波的相速度色散曲线,速度色散主要是由于晶粒方向改变和错位密度的增加引起的。     

声表面波滤波器的中心频率微调法

为使声表面波滤波器应用领域更加广泛,需要解决下面两个问题;(i)频率可以微调。(ii)具有良好的温度特性等。本报告中,为了同时解决上述两个问题,取通用的石英 ST 切割基片为例,对声表面波相位速度和频率温度特性跟切割角度、面内旋转角以及构成换能器的电极膜之间的关系,进行了理论与实验方面的详细探讨。结果表明,相(?)速度与面内旋转角的平方成正比例地增加。因此,我们将声表面波的传播方向偏离 X轴修正±4°左右,修正后并不破坏它的温度特性,还可以在 1000PPm 范围内进行频率调整。此外,由于电极膜的负载效应,使相位速度减小以及频率温度特性的拐点温度朝低温端移动。综上所述,我们可获得既考虑了石英基片的切割角和旋转角,同时还考虑了电极膜影响的声表面波滤波器的设计参数。     

圆管中激光激发表面瑞利波极性的有限元分析

用有限元方法数值模拟了脉冲线源激光作用于厚铝管时产生的温升以及由此温升而产生的表面声波的情况,得到了逆时针向探测点和波源之间角度从=5°到=180°范围内一系列表面法向位移的时域波形,并对相同厚度不同外径的铝管的表面波进行对比。数值结果表明表面声波中显著的波为掠面纵波、头波和瑞利波,第一个瑞利波脉冲的极性在传播过程中发生了倒转现象,逆时针向看探测点离波源的角度,当较小时瑞利波脉冲是单极性的(负的),随着角度的增大,瑞利波脉冲逐渐变为双极性的,且双极性中正向极性逐渐增大,到=90°时变为完全双极性(正向和负向对称)。随着角度的进一步增加,双极性中负向极性逐渐减小,到=180°时瑞利波脉冲又变为单极性(正的)。不考虑衍射效应时,圆管中第一个瑞利波脉冲的极性和试样的尺寸无关,仅和探测点离波源的角度相关。     

基于表面波增强效应的圆柱表面缺陷检测方法研究

激光照射金属圆柱表面激发出的声表面波,在沿圆柱表面传播过程中产生色散和相移,并在表面缺陷前沿处幅值会有显著增强的现象,为表面缺陷的检测提供了新途径。基于激光激发的声表面波这一现象,提出通过扫描检测点的方法确定缺陷的位置,给出了表面波在表面缺陷附近的传播路径和缺陷深度计算公式。数值研究表明:(1)相对于脉冲回波法,扫查检测点方法提高了缺陷检测的位置精度,有效减小了圆柱表面波传播过程的色散和频移现象对缺陷位置精度的影响。(2)当缺陷深度范围为1~2 mm,通过给出的缺陷深度计算公式得到仿真缺陷深度与实际缺陷深度之间的误差控制在6 %以内,验证了提出的缺陷深度计算公式的有效性。以上研究结果为应用表面波检测圆柱类零件表面缺陷提供了有价值的参考。     

应用弹性振子模型模拟声表面波在金属材料中的传播过程

基于激光超声的融蚀模型,将脉冲激光源等效为垂直力源,进而作为超声脉冲的激发源,建立弹性振子模型,采用弹性点阵的模拟方法对激光超声在金属材料中的产生和传播机理进行了研究.着重研究了不同的金属材料受到理想点源激发时,所产生的超声表面波的传播过程.针对同一激发源在铝和铜介质中的不同激发效率进行对比和分析,结果发现金属铝中传播的声脉冲相比于铜介质具有更大的振幅与较快的速度.     

表面波飞机结冰传感器的研究

首先分析了覆盖冰层的各向同性半无限大弹性体中的声表面波(SAW),求得了声表面波波速与冰层厚度间的关系.结果表明,当冰层厚度为0时,求得的波速与没有冰层覆盖相对应的半无限大弹性体的声表面波波速相同;当冰层厚度不断增加时,求得的声表面波波速趋向于冰层中的波速.随后分析了基体是各向同性无限大弹性板的情况.计算结果表明,由于弹性板与冰层的相互作用,实际振动会出现多个声表面波模态和相应的波速.     

声表面波免疫传感器高频检测系统设计

声表面波（SAW）免疫传感器是一种新型生物传感器,该文设计并实现了一个高频的SAW免疫传感器检测系统。该系统利用锁相环控制输出信号频率对输入信号频率跟踪锁定,通过测量频率变化量即能完成对免疫传感器的检测,通过液晶屏显示结果。测试结果表明,该检测系统能准确测量频率156~162 MHz内的传感信号,系统的最大测量误差仅0.85%,满足SAW免疫传感器高频检测领域的工程实际需要。     

圆柱型涂层/基底系统中的激光超声表面波

为了分析圆柱型涂层/基底系统中声表面波的特点及其传播特性,以热弹激发机理为基础建立了脉冲激光在圆柱型涂层/基底系统中激发超声表面波的有限元程序。在此基础上,计算了激光在铝(涂层)/镍(基底)和镍(涂层)/铝(基底)系统中激发的超声表面波波形,它们分别对应了硬涂层系统和软涂层系统。结果表明,圆柱型涂层/基底系统中的超声表面波是色散的,并且其色散特性由弯曲柱面引起的几何色散和涂层/基底系统引起的色散共同决定,这使得圆柱型涂层系统中色散特性远比板状涂层系统杂,不存在简单的正常和反常色散规律。     

基于FEM/BEM方法的表面声场体波模式数值研究

采用有限元/边界元法(FEM/BEM),分析了有限长叉指换能器在半无限大压电晶体128°YX-LiNbO3中激发的表面波和体波在晶体表面上的分布情况。通过对频域内表面声场的分析,得到了表面上三个位移场分量含有的声波模式,对相应时域内各场分量的体波脉冲振幅进行处理,详细分析了各个模式的体波脉冲振幅随时间的分布关系。结果表明,除Rayleigh型表面波外,各场分量中还包含不同成分和比例的体波模式;在场分量1和场分量3中占主要成分的准纵波,以及在场分量2中占主要成分的准慢切变波,在表面上其传播损耗以指数衰减。     

采用钯镍薄膜的声表面波氢气传感器研究

该文对采用钯镍薄膜作为敏感膜的声表面波氢气传感器开展研究,以实现快速的氢气检测。传感器采用双通道差分振荡器结构,其中在传感通道器件声表面波传播路径上以磁控溅射法沉积钯镍薄膜,通过钯镍薄膜对氢气的快速和可逆物理吸附引起声表面波传播速度的变化,进而以差分振荡器频率信号来表征待测氢气浓度。通过传感实验以确定获得快速响应的钯镍的优化厚度。结果表明,在钯镍厚为40nm时,传感器获得的响应幅度与响应速度分别达5kHz和5s。     

各向异性板中激光激发Lamb波的数值模拟

基于谱有限元法和模态展开法,针对各向异性薄板,建立激光激发Lamb波的数值模型,得到各向异性薄板中Lamb波沿不同方向传播的色散曲线及Lamb波的传播特性。数值模拟结果表明,谱有限元法能快速有效地计算各向异性板中导波的相速度、群速度,结合模态展开法能够得到任何方向激光激发的Lamb波;Lamb波沿不同方向传播的速度及色散特性与材料的各向异性性质相关。数值模拟为更好地理解复杂介质中导波的传播、指导激励信号的选择及识别检测信号的模态提供了理论依据。