超声导波在粘弹性介质中传播与能量衰减的特性研究

摘要

针对超声导波在粘弹性各向异性材料中传播的特征，基于谱有限元方法，建立粘弹性材料及粘性层状材料中激光激发的超声导波的数值模型，分析研究激光超声导波的产生和传播特征，建立激光参数、材料参数和超声导波的传播特征之间的定量关系。数值模拟结果得到了瞬态波形、波结构、相速度及能量速度的特征。为粘弹性材料的力学参数评价、无损检测以及结构的健康监测提供了理论分析依据。论文的主要工作如下：
　　 1、基于谱有限元方法，建立了在频域中激光在粘弹性介质中及层状粘弹性薄膜结构中激发的超声导波的数值模型，得到超声导波在粘弹性薄膜及薄膜/基底结构的表面瞬态波形。
　　 2、基于谱有限元方法，建立了导波传播的特征方程，得到相速度、能量速度随频厚积变化的色散关系。粘弹性薄膜层状结构中，在低频下，导波传播发生了正常的色散(铝基底)和反常的色散(泡沫基底)；导波传播的垂直位移随着材料粘性的增强和接收距离的增加而衰减；随着频厚积的增加，导波出现更多的高阶模态，每个模态在不同频厚积下的色散和衰减变化各不相同。
　　 3、在薄膜/基底系统中，相速度色散曲线不仅有模态耦合，还出现了模态跳转现象，相应频率下的能量速度也迅速变化，衰减值比在单层薄膜中的衰减值要小得多，通过双层截面的能流密度可以看出能量在薄膜/基底中的耗散是随着频率的升高逐渐由基底趋于表面的。
　　 本文对超声导波在粘弹性各向异性材料中的传播和衰减特性进行了研究，得到的结果可对超声无损检测中频率和模态的选取以及传感器的布置提供一定的理论依据，为超声导波在结构健康监测和无损检测领域的进一步应用提供科学依据。