环形光源激发超声进行缺陷检测的数值研究

为了提高激光超声的激发效率且不对被测表面造成损伤,改变了光源的空间分布,采用脉冲激光环形光源激发超声及有限元方法, 应用多物理场耦合软件,对铝板中激发的超声全场波形进行了数值模拟,研究了环形光源中轴线上叠加横波的激发特性随激光参量而变化的规律,并与点光源激发超声进行对比。通过模拟缺陷所导致超声场的变化规律,提出一种环光源双面扫描检测裂纹的方法,验证了利用叠加横波特性进行缺陷检测的可行性和有效性。结果表明,使用环形光源,其光源损耗常在50%以下,可大大提高激发效率,横波传播方向稳定,叠加深度与光环半径有关,而环半宽则会影响叠加横波强度。该研究结果对环形光源激发超声应用于缺陷检测提供了参考。     

热弹激光超声激励及缺陷检测的有限元分析

为了探讨热弹激光超声的激励机制及其在缺陷检测中的应用,采用有限元分析法对材料中的温度场及应力场进行了计算。阐述了脉冲激光辐照材料的理论基础,将脉冲激光加载于工件表面,同时考虑对流和辐射换热边界条件,分析了材料中的温度场;基于热固耦合,将温度场加载于应力场分析过程中,讨论了热弹机制下纵波声场和横波声场的指向性分布,并通过模拟热弹超声波在含有缺陷工件中的传播过程,获得了缺陷回波信号;搭建了一套热弹激光超声检测系统,以实现表面裂纹深度的测量,通过有限元分析和实验验证,获得了反射系数与裂纹深度的关系。结果表明,反射系数随裂纹深度的增加而增大,使用直径1mm的激光光斑检测深度小于3mm的裂纹,当裂纹深度大于2.2mm时,反射系数的增长趋势变缓。此有限元分析结果能为热弹激光超声在缺陷检测中的应用提供参考和依据。     

基于横波检测柱状材料内部缺陷的数值模拟研究

小口径金属圆柱体的缺陷检测是无损检测领域的一个难题。通过有限元方法对金属圆柱中横波传播特性以及与缺陷作用机理进行数值模拟。探究了横波的方向性变化、圆孔缺陷半径对横波传播影响、不同位置和不同长度的缺陷对横波传播的影响。研究表明横波在传播过程中主要能量范围由15°～36°变为20°～35°,提出了近似正三角形的传播路径并进行验证,发现横波到达表面后发生模态转换,一部分声波以略面纵波的速度沿表面传播;对于圆孔缺陷,圆孔半径在3.4～4.6 mm范围内可通过幅值变化判断孔径信息,半径在4.6～5.8 mm范围内可通过接收时间判断孔径信息;对于不同位置的矩形缺陷,当缺陷进入到横波主要能量范围内,C扫图中出现近似线性的高能量区域,探测角度随着缺陷位置增加而增大,此范围内的缺陷可通过反射信号的探测角度判断位置信息;对于不同长度的矩形缺陷,随着缺陷长度增加,透射波能量减弱并且探测角度减小,呈现出近似线性的能量分布,通过探测透射波到达外表面的角度可判断缺陷长度信息。提出了相应的传播路径和长度计算公式,计算结果得到的误差百分比控制在6.5%以内,验证了该缺陷长度检测方法的有效性。     

复合层合梁层裂损伤与超声导波的相互作用研究

基于谱有限元法(SFEM),建立了压电晶片驱动/传感与各向异性层状复合梁耦合的谱有限元模型,数值模拟研究了耦合系统超声导波的激发、传播特征,并分析了导波与损伤的相互作用。模型中复合梁采用铁木辛柯梁理论、压电晶片层采用欧拉伯努利梁理论,利用哈密顿原理得到梁/压电晶片的时域耦合运动控制方程和边界条件,通过快速傅里叶变换将耦合运动控制方程转换至频域可导出谱有限元模型。与有限元分析结果比较表明,所建模型可精确模拟复合梁中导波的传播且计算效率高。进而分析了导波和层裂损伤的相互作用,结果表明导波在缺陷处会产生反射,且反射信号到达压电传感器的时间和幅值与缺陷的位置及长度有关。     

基于衍射横波的裂纹激光超声检测方法

为了评估表面开口裂纹, 采用激光超声衍射横波的方法测量其参量。激光激励的横波传播至裂纹尖端产生衍射信号, 随后被处于裂纹另一侧的传感器所接收。依据不同接收点衍射横波的渡越时间, 推导出裂纹参量的计算公式; 模拟分析了横波在工件中的传播过程, 搭建了裂纹的激光超声测量实验系统, 并采集了衍射横波数据。结果表明, 在有效的检测范围内, 测量值与实际值之间的误差在5%之内。该结果可促进激光超声在表面裂纹检测中的应用。     

材料内部缺陷的激光超声反射横波双阴影检测方法

为了实现材料内部微小缺陷的非接触无损检测,解决激光超声检测内部缺陷时衍射回波信号弱、透射体波检测无法获得缺陷深度信息等问题,提出了一种激光超声反射横波双阴影检测方法。该方法结合超声透射法和反射法的优点,依据缺陷对反射横波的两次衰减作用,利用时间飞行法对样品进行扫描检测,通过波形互相关算法计算波形时延,精确测量了激光激发点与探测点距离和横波双阴影间距,结合样品厚度实现了对直径为0.8 mm内部缺陷的检出和深度定位。与X射线数字射线照相、传统超声换能器检测的结果进行对比后可知,激光超声方法能够实现材料内部微小缺陷的非接触无损检测和精确定位。     

“钢-铅”粘接结构非接触激光超声检测方法

为了解决核工业领域防辐射用钢铅粘接结构的非接触、高精度无损检测问题,研究激光超声检测方法。建立了粘接结构模型,分析了激光超声的传播及脱粘导致的声波反射和衰减;实验测量了良好粘接与脱粘处的窄带激光超声信号,观测到脱粘导致的界面反射信号幅度变化;分析得出表征脱粘的激光超声反射系数与声波频率和测量位置的关系;通过激光超声C扫描方法实现模拟脱粘试样的检测与成像。研究表明:激光超声方法可以实现两层钢铅粘接结构脱粘的成像检测,在核工业防辐射结构检测中具有应用前景。     

弧形表面缺陷的激光超声检测方法研究

利用激光超声技术，研究生产中常见的弧形表面缺陷的无损检测方法。首先基于热弹机制建立弧形表面缺陷检测的有限元仿真模型，探究不同尺寸参数的缺陷对表面波反射回波及透射波的影响；然后采用经验模态分解法对带有缺陷信息的反射回波和透射波信号进行了分解，提取相应特征频率的信号进行叠加；最后根据超声特征参数的变化规律，建立了缺陷深度的预测模型。结果表明，利用透射波特征参数计算得到的缺陷深度与实际缺陷深度相比的最大误差仅为0.6%,因此提出的预测模型具有较高的精度，可用于弧形表面缺陷的现场检测。     

基于CGAL与声线法的超声波声场仿真

为了提高空气中超声波声场仿真的速度,提出一种基于CGAL(Computational Geometry Algorithms Library)与声线法的声场仿真方法。利用高效的CGAL库模块,快速生成目标对象的STL文件格式数据,并在OpenGL环境中读取和绘制STL格式的三维对象。使用声线跟踪法确定声线的传播路径以及声线与接收阵列面的交点,采用插值法增加接收阵元的声线密度以逼近实际情况,对接收阵元的中心进行插值来获取超声回波响应信号。实现了超声回波信号仿真的自动化,并且插值后接收阵元的声压更准确。     

烧蚀机制下激光超声声场的模拟与实验验证

分析了烧蚀机制下超声波的产生机制,建立了工件有限元模型,将等离子体的冲击力对材料的作用视为超声波的激励源,模拟计算了激光超声波在工件中的传播过程,提取了节点位移的时间历程曲线,求出超声波的速度并由此确定相应超声波的类型。此外,分析了激光超声声场分布,利用半圆形铝质试块进行了激光超声的测量对比实验,采用超声换能器接收纵波、横波以及表面波。通过对比分析可知,数值分析结果与实验数据相符,该有限元数值模拟方法正确可靠。     

室外微蜂窝小区3.5GHz 电波传播特性仿真和分析

射线跟踪方法是研究室外微蜂窝小区电波传播的有效方法。基于入射及反弹射线法/ 镜像法对室外微小区环境中3. 5GHz 电波传播的路径损耗进行了仿真和分析,仿真结果与文献所给的结果一致性良好,验证了该 方法的正确性。提出了一种新型的射线管判收方法,可有效判断到达接收机的所有射线管。分析了仿真中得到的接收功率、均方根时延扩展、波达方向等传播参数,并比较了视距传播(LOS)和非视距传播(NLOS)的传播特性,这些分析结果可为3. 5GHz 频段无线通信系统的覆盖提供相应的理论依据。     

斜测电离图F层二跳传播模式估算方法研究

提出了基于斜测电离图F层一跳模式估算二跳传播模式位置的新方法,与精确的短波射线追踪技术仿真结果进行了对比,并利用实测电离图数据进行了验证,分析了估算结果与实际探测结果的误差原因,仿真和试验结果均表明:该估算方法能够较准确地给出F层二跳传播模式的群路径范围和频率范围,有助于识别斜测电离图不同频率传播模式,可作为斜测电离图传播模式智能识别技术的先验和辅助信息。     

基于应力-位移混合有限元法的激光超声数值模拟

为了研究激光辐照各向同性半无限大铝材料内超声波的激发和传播特征,采用理想匹配层和应力-位移混合有限元方法建立了半无限大介质中激光激发超声波的有限元数值模型。模拟研究了各向同性半无限大铝材料内激发产生的瞬态波场图和垂直表面位移,并与相同几何模型下采用有限元方法得到的结果进行了对比分析。结果表明,应力-位移混合有限元方法能够有效地消除模型截断边界处的反射波,精确地模拟出无限大固体材料内激光激发超声波的产生和传播特性。数值模拟结果为进一步研究微纳米薄膜材料中皮秒或飞秒激光激发超声波提供了有效的方法。     

毫米波室内传播场景的蚁群优势路径搜索方法

为更高效地实现毫米波室内传播特性分析，提出了一种基于蚁群算法的快速射线追踪方法. 该方法利用蚁群分布计算和启发式搜索原理寻找电波传播优势射线路径，并选取室内传播中能量较高的优势射线路径代替所有射线路径进行分析，用于降低算法复杂度和提高执行效率. 通过典型室内场景下28 GHz、32 GHz和38 GHz三个频率信道特性的仿真分析，对比WinProp工具分析结果，呈现较好的一致性，预测误差小于0.8 dB；对比传统射线追踪法，计算效率提高了378.9%. 上述结果表明本文方法在保证预测精度的前提下有效降低了计算复杂度，具有工程应用价值.     

利用变径声粒子进行空间声场的仿真

为实现封闭空间声场的计算机模拟，在声线跟踪法基础上，提出了变径声粒子跟踪方法，该方法有效的解决了在经典声线中接收区域的选取影响仿真效果这一难题。在Visual Basic6.0的基础上编制了仿真软件，仿真实验结果表明，该方法是可行的。     

波在暖电离层中的传播和耦合

本文研究了波在暖电离层中的传播。文中导出了用拆射率n表示的波的色散关系,并由此推导出分层暖电离层中q的方程。所有这些方程都被用于用射线方法研究波在暖电离层中的传播,模式联接和波的线性耦合。 本文还讨论了波方程的奇点、等离子体波与电磁波的耦合。在波耦合区中,波的场可以通过求解波方程在奇点附近的解而求得。文中比较了用射线方法和全波方程研究波耦合时电波传播的结果。 本文所得结果对研究用无线电波加热电离层实验中的吸收区域是有用的。     

非平行分层等离子体鞘套电波传播的复射线方法

基于损耗媒质的复Snell定律提出采用复射线方法研究电磁波在非均匀且非平行分层的等离子体媒质中的传播特性.该方法考虑非均匀平面电磁波的复射线(包括等幅度面的传播射线和等相位面的传播射线), 追踪电磁波复射线在每层媒质中的传播路径以及它们透过媒质分界面时的折射射线, 同时根据复射线的传播方向计算电磁波在每层媒质中的传播衰减, 数值累计整个传播过程中的传播衰减即可获得电磁波穿过等离子体鞘套的总衰减.由钝锥体仿真流场数据简化出非平行分层几何模型并采用复射线方法进行计算分析.计算结果表明:飞行器头部至尾部的传播衰减相差巨大且呈现迅速减小趋势, 非平行分层非均匀等离子体媒质存在某特定入射角, 能使传播衰减达到最小值.     

超声层析成像检测系统的研究与实现

为获得更清晰的图像检测效果，在超声波波动传播原理的基础上，采用超声阵列检测方法设计超声层析成像（CT）系统。将射线追踪算法引入到层析成像中，基于SIRT重建算法，实现速度重建。通过数值仿真表明：层析成像效果得到明显改善。     

海上蒸发波导条件下电波传播的分析

抛物方程方法已经被广泛地应用于电磁波传播的研究,并成为解决电磁波传播问题主要的工具。应用抛物方程和电波传播的基本理论,计算了电磁波在蒸发波导和标准大气中的传输损耗,得到了电波的空间传播损耗图,与射线理论的射线描迹技术得到的结论是一致的,但是抛物方程方法求解速度快,具有很好的实时计算特性,并且能弥补目前射线描迹技术尚不能精确描述空间场分布的缺点,因此更具有实用价值。