基于声场多分量测量的分层材料与界面特性超声定征研究

This proposal will conduct mainly an ultrasonic characterization technique based on multicomponent measurement of acoustic field for layered materials and its interfaces. Due to it has only single component information for conventional ultrasonic testing, it cannot reflect completely and effectively the properties of layered materials and interface, especially lack the tangential component. This proposal will conduct multicomponent measurement. These components include out-of-plane, in-plane displacements and acoustic pressure at fluid-solid interface. For layered materials, theoretically analysis will be carried out on the wave structure for generalized Rayleigh wave and interface waves at layer-substrate and liquid-layer-substrate structures, as well as the Stoneley wave at solid-solid interface and guided waves in bonded plate. We put emphasis on the investigating the relation between the tangential components and materials, as well as interfaces, and its sensitivity of this component on the change of the properties for materials and interfaces. The inversion cost function for material parameters and interface properties characterization will be built based on the comparison between experimental and calculated parameters. The parameters of materials and interface property can then be inverted. For bonded block and bonded plate, the interface waves and guided waves properties for weak bonded interfaces will be investigated. The parameter of interface properties will be characterized using the multicomponent measuring information, and the parameters of interface properties will be characterized. Parameters for both materials and interfaces will be characterized simultaneously for bonded plate based on guided waves. The new technique of inversion and characterization for the parameters of layered materials and their interfaces will be explored and developed.

本申请主要研究基于声场多分量测量的分层材料及其界面特性的超声定征方法。由于传统超声方法主要基于单分量测量，不能全面有效的反映材料与界面特性，尤其缺少切向分量。研究将实施包括法向位移、切向位移，以及液固界面声压的多分量信号测量。针对分层材料，理论分析单和多覆层-基底结构表面波，液固界面波，粘接体固固界面波，以及粘接板导波在界面附近的波结构等特征。重点考察切变分量与材料及界面特性的关系与敏感度。进一步基于多分量信号提取对材料与界面特性敏感的参量。通过与实验结果比较，建立目标函数，反演定征材料与界面特性参数。对粘接体与粘接板将研究弱粘接界面界面波与导波特性。对粘接体实施基于界面波多分量检测与界面特性参数的反演定征。对粘接板实施基于导波的多分量检测与材料和界面特性参数的同时反演定征。通过本项目的研究，探索和发展多分量测量方法及分层材料与界面特性的反演定征方法。

本项目研究工作主要围绕分层材料的材料参数定征，分层材料的粘接界面特性定征两个问题开展。研究手段主要采用界面波与板内导波，通过激光超声系统，自我搭建的基于传统激光干涉仪的二分量检测系统，以及自我搭建的激光激励-水听器声压检测系统开展实验工作。系统研究和给出了基于Rayleigh表面波的体材料泊松比二分量定征方法；进行了覆层-基底结构覆层材料参数定征的理论、方法、二分量实验检测、以及反演定征方法研究，获得了预期的结果。系统进行了基于固-固界面Stoneley波激励-检测的粘接界面特性超声定征的理论、实验、方法研究。发现和解释了弱粘接界面时Stoneley界面波的频散特性及相关规律。基于这些工作，进一步开展了弱界面特性参数-弹簧模型切变劲度系数与胶层厚度的反演定征，获得了较理想结果。系统开展了基于液-固界面Scholte界面波的分层薄膜（多覆层-基底结构）参数超声定征的理论、实验、方法研究。提出和实现了基于激光激励-水听器检测的多层薄膜横波速度、薄膜厚度的定量表征方法，通过理论正演结果和实验样品测试结果的反演定征计算获得理想精度。为了有效激发对粘接界面敏感的导波模式，提出了粘接复合板导波侧向激励方法，进行了理论分析、实验检测、反演定征方法研究。给出了粘接板粘接界面特性参数定征的有效方法和定量结果。进一步基于液-固界面Scholte界面波开展了覆层-基底弱粘接界面特性参数定征的理论、实验、界面特性参数反演定征研究，在已知材料参数的条件下，实现了弱界面特性参数的定量评价。. 本项研究最后基于非线性弹簧模型对板内闭合水平裂纹的接触非线性进行探讨研究，旨在从二次谐波中发现和解释一些规律。通过摄动法与有限元结合对水平闭合裂纹弱界面非线性效应分析，发现缺陷与导波模式的共振对非线性信号有显著影响，且非线性信号频率与弱界面的大小、闭合程度与位置有关联性。提出了基于迈克尔逊干涉阵列的非线性导波模式激励方法。