超声共振频谱测量法理论及应用性研究

摘要

超声波在所测量的有限长材料中传播时，如果超声波的频率与材料的固有频率相等，就会发生共振现象。本文研究超声波共振频谱法测量的理论及其应用。
　　首先利用一维杆的物理特性以及机械振动推导得到了有限长材料的共振频率，给出了其与长度、声速以及振动模式的关系式。介质的共振频率均随着长度的增加呈现递减趋势，并且振动模式对应的阶数越高，共振频率越大。利用该公式对铝杆和钢杆的声速进行了测量。通过建立水-钢-水的三层介质模型，分析了共振频率对透射系数和反射系数的影响，探讨了共振频率处超声波的透射和反射特性。在共振频率处，透射系数达到极大值，反射系数达到极小值，并且极大值、极小值对应的频率范围很小，透射曲线和反射曲线在共振频率处的变化比较剧烈。同时，利用探头的频谱以及透射和反射系数随频率的变化关系得到了超声波透过钢杆的透射波频谱以及被钢杆反射的反射波的频谱，分析了透射波和反射波频谱与入射波的差异。在共振频率处，透射波频谱接近于入射波；非共振频率处，反射波频谱形状接近入射波。利用发生共振时的频谱差异，建立了反映套管井I界面胶结情况的模型，并用超声波共振频谱测量法进行分析，发现借助这种差别可以判断固体材料或水泥构件中各种缺陷或者裂缝。最后，从理论上分析讨论了用超声波共振频谱法进行测量时，出现盲区的原因。

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第一章 绪论

1.1超声波及其特性

1.2超声波检测方法

1.3频谱分析方法

1.4本文研究内容

第二章 一维有限长杆振动特性及其共振频率分析

2.1一维杆振动

2.2波动方程的解

2.3一维杆共振频率分析

2.4声速测量实验

2.5本章小结

第三章 共振频率处透射波和反射波频谱分析

3.1共振频率处纵波透射和反射特性分析

3.2共振频率对反射波和透射波的影响

3.3厚度共振实验验证

3.4套管井I界面固结情况分析

3.5本章小结

第四章 共振测量盲区分析

4.1隔振厚度

4.2薄层透射

4.3本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢