高频声激励下材料缺陷的面探测表征技术研究

随着复合材料被大量应用于现代生产领域，人们对于复合材料中的缺陷，如脱层缺陷、应力缺陷以及疲劳损伤等，如何快速探测以及材料寿命预测提出了越来越高的要求；本项目在以前工作基础上，将闪频检测技术与剪切成像技术相结合，提出了使用闪频剪切探测系统实现被测材料缺陷的大面元探测与表征，该项目研究主要包含以下几方面：首先研究在不同声频和声强的连续声激励作用下，材料缺陷振动模态的变化和声辐射特性以及缺陷在强声场作用下的非线性效应，建立材料内部缺陷的无损检测与表征理论模型；其次优化设计剪切成像光学检测系统，结合闪频技术以建立高抗干扰性、高灵敏度的非接触式闪频剪切成像测量系统；最后将理论模型与实验结果相对应，逐步丰富和完善理论模型以及实验系统，为大型材料内部缺陷的快速探测和表征提供可靠的理论模型和实验探测基础。

在国家自然基金支持下, 本项目主要探索了材料内部缺陷在外部声激励下如何利用CCD实现大面元快速无损检测的原理和方法。首先，本项目从理论上建立了脉冲激光在功能材料中激发声表面波的理论模型，根据该理论模型分别分析了脉冲激光在不同空间调制下所激发的声表面波在功能梯度材料表面的传播特性，以及不同力学参量变化对所激发的声表面波传播特性的影响。模拟结果表明：线源激发的宽带声表面波在功能梯度材料表面传播时，声表面波会出现明显的色散效应；当使用光栅调制的脉冲激光在功能梯度材料上激发声表面波时，与均匀材料中所激发的声信号相比，激发频率发生相应的频移现象，且不同力学参量有着不同的色散和频移程度。其次研究了超声波在流固耦合环境中的传播特性。分析有表面缺陷的铝合金材料浸在水中的无损检测环境，定位缺陷位置以及分析深度缺陷对超声波在界面传播的影响。第三，系统研究了超声波与具有不同生长角度方向、不同生长长度的表面缺陷之间的相互作用。通过对数据的分析得到了一系列与缺陷生长角度、缺陷长度相关的反射、透射系数；揭示了有角度的缺陷对超声的反射与透射特性。第四，系统分析了三明治型复合板的上下覆盖层对声传播特性的影响。结果证明，当上下两覆盖层的材料为硬材料时，覆盖层对禁带分布的影响巨大，禁带随着覆盖层变厚迅速消失；另一方面，若上下两覆盖层为软材料构成时，会形成新的禁带，并且随着覆盖层厚度增加逐渐趋于与原禁带合并。从而通过构建相应的三明治模型实现声子晶体的禁带调节。第五，利用传递矩阵法, 从理论上建立了全向入射条件下一维周期性结构中的声传播模型, 研究结果表明, 当声波以一定的入射角入射时, 固-流周期结构的低频通带区域存在一个声裂隙, 该声裂隙所对应的入射角大小与构成周期结构的固体层和流体层的密度或结构尺寸无关, 而仅取决于构成该周期性结构材料的波速。第六，实验上建立了采用闪频检测方法，使用面元或线元ＣＣＤ探测器检测在固体材料表面传播的声场特性，进而获取材料内部缺陷的物理特性，初步实现了低成本的非接触式被测材料的大面元无损检测，尤其适合于复合材料的无损检测。