基于激光超声的楔体缺陷检测与评估方法研究

Wedge waves are guided acoustic waves propagating along the tip of wedge, which have dispersion characteristics, low wave velocity, and strong localization, and they can be used in information processing devices, biochemical sensor, and nondestructive detection and evaluation. In this project, both theoretical and experimental method is used to investigate the propagation, dispersion characteristic of wedge waves propagating along ideal and non-ideal linear and cylindrical wedge. Wedge waves theoretical model in which wedge waves propagating along wedge tip will be built and the dispersion relation which relate to angle, truncation, crack, curvature are obtained. Then pulsed laser excitation and optical probe will be used to investigate the characteristics of propagation and dispersion of wedge waves propagating along wedge with different angle, truncations, cracks and curvature. On the basis of theoretical and experimental study, the angle, truncation, crack, and curvature of wedge structure are inverted by using anneal arithmetic, neural network algorithm and genetic algorithm. The results of the project will provide theoretical and experimental guidance for the use of wedge waves and detection and evaluation of wedge structure.

楔波是一种沿着楔体顶端传播的导波，具有低相速，能量集中和色散等特征，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应用前景。本项目拟采用理论和实验两种方法研究激光激发楔波在理想及非理想的直线型、圆柱型楔体中的传播与色散特征。理论研究方面，拟建立楔波沿楔体楔尖传播的理论模型，得到与角度、截断、裂纹、曲率等相关的楔波模态关系。实验上，利用激光激发和光学探测的方法研究角度、截断、裂纹、曲率及角度等对楔波传播及色散特征的影响。最后，使用退火算法、遗传算法或神经网络算法等对楔体的角度、截断、裂纹及曲率等参数特征进行反演研究。本项目的研究成果可以为实现楔波的应用、楔体的检测与评估提供理论与实验指导。

楔波是一种沿着楔形顶端传播的一种导波，具有低相速，能量集中和频散等特征，在楔形结构工件无损检测、信号处理器件、液面探测、声学传感器件等方面具有很好的应用前景。本项目研究了缺陷楔体对楔波传播特性的影响，声黑洞结构中声波舒服、能量集中特性和连续激光扫描探测楔体角度。首先，研究了缺陷尺寸、缺陷个数、位置等对楔波传播的特性的影响。对频散特性的分析发现缺陷宽度和缺陷位置对楔波传播影响很小；当缺陷深度大于0.3mm时，透楔波几乎都被反射回来；模态数受楔体角度的影响，存在低阶反射波和透射波模态与高阶模态分离；缺陷形状的改变是缺陷体积的变化，研究发现随着缺陷整体体积的变小，楔波反射波减小而透射波增多。其次，研究了环形厚度线性变化薄板和抛物线型声黑洞薄板结构中的传播特性及轨迹。激光线源激发Lamb波进入环形厚度线性变化区域，向着厚度减小的方向传播，并在底部边界聚集，与声波波振面传播方向相交的底部边界传播的声波，能量最强，其他部分相对较弱。激光点源激发Lamb波沿半径方向传播进入环形厚度线性变化区域，声波能量持续在底边边界聚集，振幅逐渐增强，且以相同振幅、频率沿圆的两个方向传播。抛物线型声黑洞结构的薄板中，声波以激发区域为中心向外扩散传播，且大部分的声波能量形成平行于激光线源的波振面，并沿垂直于激光线源方向向外传播。当声波开始进入声黑洞的结构中时，向着厚度减小的方向传播，同时波束宽度会变小，振幅逐渐变大。声波峰值在黑洞底部中心点随着时间稳步上升，具有比较明显的聚焦现象。最后，采用连续激光在楔形铝板扫描产生声波，得到了横波、纵波波振面角和楔体角度之间的关系。以上研究结果可以为类楔形体结构工件检测和结构参数估计提供理论指导。