固体中缺陷的超声散射计算与测量技术研究

摘要

为了研究超声波传播过程中与固体中缺陷的相互作用机理，本文利用有限元模拟仿真法和动态光弹法进行了深入研究。
　　一方面，通过有限元仿真法模拟超声波在固体中的传播特性。首先，以超声波在介质中的传播速度为参考量，分析、验证ANSYS软件对超声波在固体中的传播特性仿真的可行性；其次，利用ANSYS软件对圆孔、裂纹等典型缺陷模型进行超声波传播的有限元仿真，分析这两种缺陷与超声波的相互作用机理。
　　另一方面，基于静态光弹原理和频闪成像原理，设计研制动态光弹性观测装置，对超声波在固体中的传播特性进行实验研究。该动态光弹观测装置主要由光弹模块和频闪控制模块组成。光弹模块将应力的大小以光强弱的形式表现出来，具体表现为明暗条纹。频闪控制模块则主要弥补静态光弹原理的不足，实现声光同步延时控制功能。根据频闪成像原理的时序要求，利用Verilog硬件描述语言控制FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)平台，实现对实验装置的控制，再经过放大电路后驱动频闪LED光源，成功实现了超声波可视化的设计要求。

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1 绪论

1.1 课题概述

1.1.1 课题来源

1.1.2 研究背景与选题意义

1.2 国内外研究概况

1.2.1 超声波在固体中传播的数值模拟的研究现状

1.2.2 超声波在固体中传播的实验方法的研究现状

1.3 本文的主要研究内容

2 固体中超声波的传播理论简介

2.1 超声波在固体中的传播理论简介

2.2 超声波在固体中散射的基本方程

2.3 超声波在界面处的传播特性

2.3.1 超声波垂直入射到平面界面

2.3.2 超声波倾斜入射到平面界面

3 超声波在固体中传播的数值模拟分析

3.1 ANSYS软件对超声仿真的可行性分析

3.1.1 模型的几何参数及激励信号

3.1.2 网格尺寸与时间步长的选取

3.1.3 可行性分析实例

3.2 有限元仿真实例

3.2.1 圆孔散射的有限元仿真

3.2.2 带状裂纹的有限元仿真

4 动态光弹观测装置的设计

4.1 光弹法原理简介

4.1.1 应力-光学定律

4.1.2 平面偏振光场与圆偏振光场

4.2 频闪成像原理简介

4.3 动态光弹观测装置设计

4.3.1 动态光弹观测装置方案简述

4.3.2 动态光弹观测装置具体实施

4.4 动态光弹实验样品设计与实验

4.4.1 实验样品密度测量

4.4.2 样品中声速的测量

4.4.3 动态光弹实验

5 结论与展望

5.1 全文内容总结

5.2 展望

致谢

参考文献

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