弹性楔波理论及其光学测试研究

Wedge waves are guided waves propagating along wedge tips, which have much lower velocity than Rayleigh wave, and their energy is tightly confined near the apex about one or two wavelength. On the base of these special characteristics, they can be possibly well applied in signal processing devices, biochemistry sensors, and nondestructive detection. In this project, we aim at investigating the characteristics of wedge waves generated by laser ultrasound technology both theoretically and experimentally. Firstly, wedge waveguide model in which wedge waves propagating parallel to the wedge tip will be built and the mode distribution, energy attenuation and mode transformation near wedge tip will be researched theoretically. Meanwhile, we will study the effect of the angle of wedge tip and the distance from the wedge tip on the mode and energy and determine the limitation of McKenna's thin plate theory. Then pulsed laser excitation and optical deflection beam method will be used to investigate the characteristics of dispersion, mode transformation, energy distribution and attenuation in experiment. By considering the dispersion brought by curvature and non-perfect wedge tip, then we will control the dispersion and design non-linear wedge on which wedge waves propagate with non-dispersion. The results of the project will provide theoretical and experimental guidance for effective use of wedge waves mode and their dispersion.

楔形体弹性导波是一种沿楔形体顶端传播的导波,其低相速，能量集中等特征使其在信号处理器件、生物化学传感器、无损检测与评价等方面具有很好的潜在应用价值。本项目拟从实验和理论两个方面研究激光在楔体激发产生的楔波的特性。理论上，拟建立沿平行于楔顶线方向传播的导波模型。通过系统的理论分析，研究楔波、楔顶区附近导波的模态分布、能量分布及模态转换等问题，以及它们与楔顶角、楔顶距离等参量之间的关系，并澄清McKenna的薄板近似解的适用范围及与楔顶角的关系。实验方面，利用激光激发和光学探测的方法，研究楔波的色散、模态转化、能量分布及衰减等特征。同时，对沿非直线楔顶传播的楔波进行研究，通过综合考虑曲率与非理想楔顶带来的色散的影响，控制楔波的色散，进而设计可以传播无色散楔波的非直线型楔体结构。本项目的研究成果可以为实现楔波模态、色散等的有效利用和控制提供理论指导和实验依据。

楔波是一种沿楔体顶端传播的导波,其低相速，能量集中等特征使其在信号处理器件、生物化学传感器、无损检测与评价等方面具有很好的潜在应用价值。本项目通过理论模拟和光学测试系统地研究了楔波的特性，相关研究成果可以为实现楔波模态、色散等的有效利用和控制提供理论指导和实验依据。.基于热弹性理论和楔体的几何结构特征，建立了脉冲激光激发楔波及其传播的三维热弹理论模型及算法，克服了现有的薄板近似理论只能求解小角度楔顶角中楔波传播的局限。系统地研究了不同楔顶角楔体中楔波的模式分布、时域波形，得到了楔体导波从楔尖处的多模式楔波转变为单一模态表面波的过程图像，阐明了离楔顶不同距离处导波及表面波的频域模态特征、能量分布特征及其与楔顶角的关系。.研究了直线型楔体顶端的非理想状态对楔波传播的影响。理论和实验研究发现小角度直线型楔体中楔波模态在楔顶小截断情况下呈现强烈的反常色散，且截断对低阶模态的影响较大，随着截断的增大，在高频区域低阶模态逐渐向高阶模态靠近，高阶模态相速度趋于瑞利波速度，并同时伴有正常色散的一阶反对称兰姆波出现。该结果可用于对楔体楔顶结构状态进行评估和检测。.建立了基于Michelson干涉的激光频闪剪切干涉装置，实现了对楔波的动态成像研究，给出了楔波的各阶模态在楔顶附近的位移结构分布图，并发现圆台型楔体中沿垂直于楔尖方向传播的板波会有部分波转化为绕着楔尖传播的非完全局域楔波（漏波），并基于几何声学近似理论阐明了转换的机制。.从理论和实验上研究了圆柱形楔体中截断和曲率半径对楔波色散的影响。研究发现，随着截断的增大，楔波逐渐表现出沿空心圆柱传播的周向导波的特性，小曲率半径对小角度楔体的低阶模态的色散影响最大。而大角度楔体中，随着曲率半径的减小，曲率半径引起的楔波模态从呈现反常色散到逐渐转变为正常色散。当曲率半径与截断满足一定关系时，大楔顶角圆柱型楔体中存在没有色散的楔波模态，实现了楔波的近似无色散传播。.项目共发表学术论文12篇，其中SCI收录11篇，出版学术专著1部，授权国家发明专利2项，主办国际学术会议1次。