超聲非線性的理論與實驗研究.pdf

1、現(xiàn)有的常規(guī)無損檢測(NDT)方法只能檢測材料和結(jié)構(gòu)表面或內(nèi)部的缺陷和微裂紋，但對材料或構(gòu)件早期性能的退化監(jiān)測則略顯無力。相比較而言，非線性超聲檢測技術(shù)能很好地解決這個問題。 超聲非線性技術(shù)主要是基于宏觀材料非線性動力學(xué)理論和微觀位錯理論。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。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)又同實驗所能測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驗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)的實驗結(jié)果。而理論研究上由于建立起來的非線性方程無解析解，只能通過攝動法得到其近似解析解，并且目前研究進展還僅局限于一維縱波和二維表面波情況。

3、 本文對超聲非線性做了部分理論和實驗研究。理論上利用攝動法推導(dǎo)了一維非線性縱波方程的近似解析解。因為材料的彈性常數(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的張量表達式。實驗上則建立了超聲非線性測試平臺，并對單向拉伸至不同塑性形變的標準45＃鋼試樣進行了離線和在線超聲非線性測量研究。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歸一化的非線性參數(shù)的影

4、響趨勢。實驗過程中還采取了一系列確保超聲非線性測量結(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；為了降低實驗系統(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)法對其進行了聲帶隙的初步研究，利用數(shù)值計算結(jié)果，分析了超聲非線性參數(shù)在材料塑性變形達到一定程度不再隨塑性應(yīng)變的增長而增長，反而會有所降低的原因。 超聲非線性技術(shù)在