激光激发Lamb波在厚度非均匀薄板中的传播特性研究

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本文利用激光激发Lamb波可以实现非接触式激发、宽频带、适用复杂结构等特点,从理论分析、数值计算和实验三个方面研究了激光激发兆赫兹量级Lamb波在厚度非均匀薄板(包括厚度线性变化薄板和抛物线型声黑洞结构)中的传播特性。针对现有的二维有限元模型,基于波动方程和热弹性理论,建立了激光在均匀薄铝板中激发Lamb波的三维有限元模型,得到了相应的Lamb波时域波形。实验上建立了基于Michelson干涉仪的激光剪切散斑干涉装置,装置中包含用于全装置的时延控制系统,实现了对声波动态传播过程的全场自动成像。利用该装置实现了对楔波和均匀薄板中Lamb波传播的全场动态成像。对厚度线性变化薄板中AO模态Lamb波的传播特性进行了研究,讨论了 Lamb波在厚度线性变化薄板中的传播路径。通过理论和数值研究发现了在厚度线性变化薄板中,以一定角度θs之入射到厚度线性变化区域的Lamb波会沿固定轨道传播,随着声波频率的增大固定轨道的半径逐渐减小;入射角度小于θs的波向着厚度减小区域传播,当声波波矢的切向分量与沿边界传播的声波波矢的切向分量相匹配时,最终转变为沿着边界传播的局域波——楔波;入射角度大于θs的波会以旋转辐射的形式向外界传播远离厚度变化区域。实验上,利用上述时延激光散斑干涉装置对Lamb波在厚度线性变化区域的传播路径进行了成像,验证了理论计算结果。对A0模态Lamb波在二维抛物线型声黑洞结构中的传播特性进行了研究。在研究声黑洞结构中Lamb波波束宽度和振幅的变化特性过程中,发现声波向厚度减小区域传播时,波束宽度将逐渐变窄,同时振幅逐渐增大,且振幅增速与厚度成反比;得到了Lamb波在声黑洞结构中传播波速变慢的特性。采用基于多普勒测振仪的全光学激光超声激发与探测系统对Lamb波在二维抛物线型声黑洞结构中的传播进行了实验研究,实验结果验证了声黑洞结构中声波振幅以及波速的变化特性;同时结合激光扫描线源法,采用二维傅里叶变换对得到的Lamb波波形进行时频分析,通过对比均匀薄板中的色散曲线发现了该种结构对模态具有选择作用。采用有限元方法建立了 A0模态Lamb波在声黑洞结构中传播的三维有限元模型,基于能量守恒原理计算提出了声黑洞结构对Lamb波的局域作用。本论文的研究成果可以为慢速声波的激发和探测及其在减振方面的应用提供理论参考和实验依据。
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