超聲非線性的理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、現(xiàn)有的常規(guī)無損檢測(cè)(NDT)方法只能檢測(cè)材料和結(jié)構(gòu)表面或內(nèi)部的缺陷和微裂紋，但對(duì)材料或構(gòu)件早期性能的退化監(jiān)測(cè)則略顯無力。相比較而言，非線性超聲檢測(cè)技術(shù)能很好地解決這個(gè)問題。 超聲非線性技術(shù)主要是基于宏觀材料非線性動(dòng)力學(xué)理論和微觀位錯(cuò)理論。有限振幅超聲導(dǎo)波在已疲勞或者塑性損傷退化后產(chǎn)生非線性的彈性材料體中的傳播過程中會(huì)發(fā)生聲速改變和波形畸變，這種行為主要源于固體中晶格原子之間作用力的非線性以及固體在損傷后引發(fā)產(chǎn)生的位錯(cuò)。為了表征這

2、種非線性行為，理論上用固體的二階彈性常數(shù)(SOEC)、三階彈性常數(shù)(TOEC)甚至高階彈性常數(shù)和超聲非線性系數(shù)β來定義，而這些彈性常數(shù)又同實(shí)驗(yàn)所能測(cè)到的高次諧波幅值存在聯(lián)系。因此可以說超聲非線性系數(shù)量化了材料性能退化的程度。目前超聲非線性的實(shí)驗(yàn)研究主要集中在少數(shù)金屬或合金介質(zhì)，尚未獲得較為系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。而理論研究上由于建立起來的非線性方程無解析解，只能通過攝動(dòng)法得到其近似解析解，并且目前研究進(jìn)展還僅局限于一維縱波和二維表面波情況。

3、 本文對(duì)超聲非線性做了部分理論和實(shí)驗(yàn)研究。理論上利用攝動(dòng)法推導(dǎo)了一維非線性縱波方程的近似解析解。因?yàn)椴牧系膹椥猿?shù)同其應(yīng)變能相聯(lián)系，所以利用張量的求導(dǎo)法則，給出了三維情況下SOEC和TOEC的張量表達(dá)式。實(shí)驗(yàn)上則建立了超聲非線性測(cè)試平臺(tái)，并對(duì)單向拉伸至不同塑性形變的標(biāo)準(zhǔn)45＃鋼試樣進(jìn)行了離線和在線超聲非線性測(cè)量研究。給出了壓電換能器的響應(yīng)函數(shù)隨頻率的變化、材料的應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系、塑性變形乃至試樣頸縮斷裂端的距離對(duì)歸一化的非線性參數(shù)的影

4、響趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)過程中還采取了一系列確保超聲非線性測(cè)量結(jié)果可靠性的措施，如：為了減少超聲傳播過程中的衰減，在壓電探頭和試樣的接觸表面加入耦合劑；為了降低實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)本身產(chǎn)生的非線性，加大了放大器的加載功率。由于45＃鋼塑性大變形產(chǎn)生空穴形成的類多孔材料，還用有限差分(FDTD)法對(duì)其進(jìn)行了聲帶隙的初步研究，利用數(shù)值計(jì)算結(jié)果，分析了超聲非線性參數(shù)在材料塑性變形達(dá)到一定程度不再隨塑性應(yīng)變的增長而增長，反而會(huì)有所降低的原因。 超聲非線性技術(shù)在