非线性超声导波在结构健康监测中的应用
基于超声波的智能结构健康监测系统设计
基于超声波的智能结构健康监测系统设计随着工业化和城市化进程不断加快，建筑、桥梁、飞机、汽车等大型工程和设备使用越来越频繁，而这些设备和结构体的安全性与其健康状况密切相关。
因此，如何及时、准确地监测这些结构体的健康状态变得尤为重要。
基于超声波的智能结构健康监测系统是一种目前广泛应用的结构健康监测技术，本文将介绍其设计原理和关键技术。
一、超声波的应用超声波是频率超过20kHz的一种机械波，它的特点是能够穿透固体物体，并在不同介质边界上发生反射、折射和透射等现象。
超声波在材料、加工、医学、物流等领域有广泛的应用，在结构健康监测领域中，超声波可用于检测材料的损伤和裂纹、预警结构的损坏等。
二、超声波的检测原理超声波检测依据的原理是当超声波与材料相互作用时，声波能够被吸收、散射、折射、反射等，当遇到材料中的缺陷、裂纹等缺陷时，声波会发生反射和散射，通过检测反射和散射声波的信号，即可确认材料中是否存在缺陷。
在结构健康监测中，超声波检测可以实现对结构体的无损检测，能够及时发现结构体的损伤，以便及时采取维修和保养措施，争取尽早消除潜在隐患。
三、智能结构健康监测系统设计基于超声波的智能结构健康监测系统主要由传感器、信号处理、数据分析和报警处理等组成。
其中传感器负责对结构体进行超声波检测，信号处理负责对检测到的信号进行处理和分析，数据分析则负责对处理后的数据进行分析和预警，报警处理则负责向管理人员发送预警信息，实现对结构体的全面、及时、准确地监测和管理。
1. 传感器传感器是监测系统的核心部件，其主要作用是采集结构体的声波信号，并将信号转换为数字信号进行处理和传输。
针对不同的结构体和监测要求，传感器的选择也不同。
常用的传感器有压电传感器、光纤传感器等，其中压电传感器具有成本低、抗干扰能力强、响应速度快等优点，因此被广泛应用于基于超声波的结构体监测中。
2. 信号处理信号处理关键是对采集到的信号进行滤波和增强，以清晰地分离出目标信号，并对信号进行解调和调制等操作，以准确获得材料中存在的缺陷。
超声导波检测技术的发展、应用与挑战
超声导波检测技术的发展、应用与挑战一、本文概述超声导波检测技术是一种先进的无损检测技术，通过利用超声波在材料内部传播的特性，实现对材料内部缺陷、损伤和性能变化的精确检测。
随着科技的进步和工业的发展，超声导波检测技术在诸多领域如航空航天、石油化工、医疗设备、交通运输等中发挥着日益重要的作用。
本文旨在全面概述超声导波检测技术的发展历程、应用领域以及当前面临的挑战，以期为未来该技术的研究与应用提供有价值的参考。
本文将回顾超声导波检测技术的起源与发展历程，介绍其基本原理和技术特点。
随后，将详细分析超声导波检测技术在不同领域的应用实例，包括材料质量检测、结构健康监测、故障诊断与预防等。
还将探讨超声导波检测技术在应用中遇到的主要挑战，如信号传输衰减、复杂结构检测、智能化和自动化程度不足等问题。
通过对超声导波检测技术的深入研究和综合分析，本文旨在为读者提供一个全面了解该技术的视角，并为该领域的未来发展提供有益的启示和建议。
二、超声导波检测技术的发展超声导波检测技术自其诞生以来，已经经历了数十年的技术发展与进步，其发展历程可以分为几个关键阶段。
早期阶段，超声导波检测主要依赖于传统的压电晶体作为换能器，信号处理和数据处理能力有限，因此其应用范围主要局限在一些简单的结构和材料检测中。
随着电子技术和信号处理技术的发展，超声导波检测逐渐引入了数字化信号处理技术，大大提高了信号的分辨率和抗干扰能力。
进入21世纪，随着计算机技术和大数据技术的飞速发展，超声导波检测开始进入智能化时代。
现代超声导波检测系统不仅能够实现实时数据采集、处理和分析，还能通过机器学习、深度学习等人工智能技术，对检测数据进行自动解读和预测。
各种新型的超声导波换能器、阵列探头等设备的出现，使得超声导波检测能够适用于更加复杂和精细的结构和材料检测。
在硬件技术发展的同时，超声导波检测的理论研究也在不断深入。
例如，对于超声导波在材料中的传播特性、散射机制、信号识别等方面的研究，为超声导波检测技术的应用提供了坚实的理论基础。
超声导波技术的原理与应用
超声导波技术的原理与应用1. 引言超声导波技术是一种基于声波在固体介质中传播的原理，通过激发材料中的超声波进行信号传输与检测的技术。
它在无损检测、结构健康监测、材料性能评估等领域具有广泛的应用前景。
本文将介绍超声导波技术的原理和一些典型的应用案例。
2. 超声导波技术原理超声导波技术利用固体材料中的超声波在不同界面间反射、折射、散射等特性进行信号传输与检测。
其原理主要基于以下几点：2.1 材料中的超声波传播超声波是一种机械波，它通过材料中分子的振动进行能量传递。
在固体介质中，超声波的传播速度与材料的密度、弹性模量等物理特性密切相关。
2.2 声波在界面的反射与折射当超声波遇到界面时，一部分能量会被反射回来，一部分会被折射到另一个介质中。
根据反射和折射的特性，可以利用超声波在材料内部传播的路径和传播时间进行信号的检测和分析。
2.3 声波在异质结构中的散射当超声波在材料中遇到材料结构的不均匀性、缺陷等时，会发生声波的散射现象。
通过分析散射的特性，可以检测出材料中的缺陷或异物。
3. 超声导波技术的应用3.1 无损检测超声导波技术可以应用于材料的无损检测，能够探测材料内部的缺陷、裂纹等。
在航空航天、汽车制造、建筑工程等领域中广泛应用，有助于提高产品质量和安全性。
3.2 结构健康监测超声导波技术可以用于监测结构体的健康状态，例如桥梁、管道、船舶等。
通过监测超声波在结构中的传播速度、衰减等变化，可以及时识别出结构的损伤和疲劳。
3.3 材料性能评估超声导波技术可以评估材料的弹性模量、密度等物理性质。
通过测量超声波在材料中的传播速度和散射特性，可以推断出材料的力学性能和微观结构。
3.4 智能传感器技术超声导波技术可以与智能传感器技术相结合，实现非接触、远程、自动化的监测和控制。
例如在智能建筑中，通过超声导波技术可以实时监测建筑结构的变化，提升建筑的安全性和节能性。
4. 总结超声导波技术以其独特的原理和广泛的应用前景，在工程领域中得到了广泛的应用。
超声导波检测技术的发展及应用
超声导波检测技术的发展及应用
超声导波检测技术始于20世纪40年代，当时主要应用于船舶工业中用于检测其中的结构缺陷。
之后随着科学技术的发展，超声导波检测技术逐渐应用于大型工程结构的健康监测工作中。
在20世纪70年代，随着计算机技术的发展，超声导波检测技术得到了进一步的发展，能够更准确地定位和识别缺陷。
1.全面性：超声导波检测技术可以同时监测结构中的多个位置，并可以检测不同尺寸和类型的缺陷。
2.远程性：超声导波可以在结构中传播较远的距离，可以覆盖大范围的结构。
3.高灵敏度：超声导波可以探测微小的缺陷，并可以提供更准确的缺陷信息。
4.实时性：超声导波检测技术具有实时监测的能力，能够在结构中的变化发生时及时做出反应。
1.钢铁结构的健康监测：超声导波检测技术可以对钢铁结构进行长期的健康监测，及时发现结构中的疲劳裂纹或其他缺陷，提前进行维修或更换。
2.桥梁结构的监测：超声导波检测技术可以对桥梁结构中的混凝土或钢材进行监测，及时发现结构中的隐患，保证桥梁的安全使用。
3.管道的缺陷检测：超声导波检测技术可以对管道中的腐蚀、裂纹等缺陷进行检测，提高管道的运行安全性。
4.风力发电机叶片的健康监测：超声导波检测技术可以对风力发电机
叶片进行监测，及时发现叶片中的损伤，保证发电机的正常运行。
总结
超声导波检测技术是一种应用十分广泛的无损检测技术，具有全面性、远程性、高灵敏度和实时性等优势，可以在工程领域中对结构进行健康监
测和缺陷检测。
随着科学技术的不断发展，相信超声导波检测技术将会得
到进一步的完善和应用。
超声导波技术在起重机结构检测上的应用难题
波领域可借鉴的研究主要包括 ： 物理检测方法判断被检对象中是否存在缺陷。 北京工业大学 的孙雅欣等… 利用 高频纵 向导波 在 常 用 的渗 透 检 测 、 磁粉检测 、 涡流检测 、 超 声 对钢杆进行 了研 究 ，根据在杆状结构 中波导传播具
中图分类号 ： Ｔ Ｈ ２ １
文献标识码 ： Ａ
文章编号 ： １ ６ ７ ２ — ５ ４ ５ Ｘ（ ２ ０ １ ６） １ ０ — ０ １ ９ ８ － ０ ２
起重机是机电类特种设备 中的一种 ，其在服役 熟 ，可 以被很 好 的应用 到 起重 机 大 型 构件 的损 伤检 过程中， 由 于载 荷 、 温度 、 腐蚀 等 因素 的影 响 ， 结 构 会 测 中 。
Ｅ ｑ ｕ ｉ ｐ ｍｅ ｎ ｔ Ｍａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｎ ｏ ． １ ０ ， ２ ０ １ ６
超 声导 波技 术在 起 重 机 结构 检 测 上 的应 用 难题
夏常福 ， 胡静 波
（ 南京市特种设备安全监督检验研究院， 汀苏 南京 ２ １ ０ ０ １ ７ ）
文献ｆ ３ 】 利用 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ软 件 对 管 道 超 声 纵 向导 波 裂纹检 测 进 行 了数 值模 拟 。通 过 模 拟 管道 中 的纵 向 入 射 应 力波 ， 对 含单 、 双 裂纹 的 管道 模 型进 行 了仿 真
４ ］ 利用 Ａ ｂ ａ ｑ ｕ ｓ 软 件对导 波 在较厚 结 构 中 敏 感 ，且在 无 损检 测 领域 应 用 时 间长 、技 术 较 为成 模 拟 。文献【
逐 渐 老化 ， 主要 表 现形 式 是 Ｉ 叶 Ｊ 现 不 同程 度 的 损 伤 ， 从
航天器结构中导波健康监测技术的若干进展
航天器结构中导波健康监测技术的若干进展
余孙全;樊程广;张翔;付康佳;陈勇;綦磊
【期刊名称】《宇航学报》
【年(卷),期】2024(45)4
【摘要】基于航天器结构健康监测需求,从空间碎片撞击定位、结构损伤评估、泄漏定位3个方面,阐述了导波的相关应用进展。
首先分析了空间站、可重复使用运载器和燃料贮箱等结构面临的风险和监测需求,然后介绍了相关的理论和监测方法研究进展,以及多物理场导波建模和传播仿真技术,最后探讨了设计集成“撞、漏、损”多功能一体化结构健康监测系统的实现思路,以及导波结构健康监测技术在与空间机器人、空间激光溯源、无线通信和能量传输结合方面的应用前景。
【总页数】12页(P487-498)
【作者】余孙全;樊程广;张翔;付康佳;陈勇;綦磊
【作者单位】军事科学院国防科技创新研究院;国防科技大学空天科学学院;成都流体动力创新中心;北京卫星环境工程研究所
【正文语种】中文
【中图分类】V414.4
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超声导波技术在大型结构状态监测中的应用
华［研究 了磁致伸缩导波检测技术 ， ６ 但均 尚未大规模商业应用。 本 文 在 阐述超 声导 波检 测 技术 原 理 的基 础 上 ，对 ２ 导 波检 种 测 系统 进 行 了 比较 ，并分 析 了超 声 导波 检 测技 术 应用 于 大 型 结构
状 态监 测 的可 行 性 。
１ 超 声导 波 检 测原 理 及 ２种 检 测 系统 比较
— —
图 ３ 带状传感器 及其环 氧树脂粘接 铁钴带耦合
工 觚曲 波 （ 称 Ｓ 非 对称 Ａ模 式 ） 水 平 剪 切波 （ Ｈ 等 。超 ２ 超 声 导 波 在 管 网 状 态 监 测 中 的 应 用 对 和 和 Ｓ ）
构诸 如 长 距 离 管线 、 力 容 器 、 罐 等 来 说 ， 择 合 适 的 技术 手 段 并被 仪 器接 收 。其 典 型 的多 晶片 卡 环式 传 感器 及 加载 耦 合 方 式如 压 储 选 导波 的激 发 与接 收 原理 与 常规 超 声检 测 类似 。 于磁 致 基 实 时在 线地 提 供 结构 全面 的 物 理状 态信 息 ，进 行 结构 健 康状 态 监 图 ２所示 ， 伸缩 效 应及 其 逆效 应 开发 的导波 检 测系 统 则利 用 铁磁 性 材 料 在变 测 （加Ⅵ 十 分 必要 。 Ｓ ） 超声 导波 技 术 由于 能 快速 测量 结 构 大面 积 区域 的缺 陷并 提 供 化 的外加 磁 场作 用 下 ，其物 理 长度 和 体积 发 生 的微 小 变 化 导致 磁 导波 ） 反 射 后 的导 波 产 ， 结 构全 面 的物 理 状 态 信 息越 来 越 受 到 工 程 技术 人 员 的 广 泛 关注 。 畴按 照 ～ 定方 向运 动 而 产 生 弹性 机 械 波 （ 生 的微 小振 动将 引起 铁磁 性材 料 的 磁畴 按 照一 定 方 向运 动 并 导致 目前 ， 界 上商 用 的 导波检 测 系 统主 要 有 ２ ， 世 类 一种 是 以传 统 的压
超声波探伤在结构检测中的应用
超声波探伤在结构检测中的应用摘要：超声波探伤技术在结构检测领域具有广泛应用。
在建筑和桥梁中，超声波可用于检测混凝土和钢结构中的裂缝和腐蚀，提高结构安全性。
在航空航天工业，它用于复合材料和焊缝检测，确保飞机和航天器的质量和可靠性。
此外，在油气管道和储罐内部，超声波技术可检测腐蚀和裂缝，增强工业设备的安全性和可维护性。
关键词：超声波；探伤；结构检测；应用1.引言1.1 研究背景超声波探伤技术是一种非破坏性检测方法，旨在评估材料和结构的内部完整性，尤其在工程领域具有广泛应用。
该技术通过向被检测物体发送超声波脉冲，然后记录并分析其反射信号，以检测缺陷、裂纹、腐蚀或其他潜在问题。
超声波探伤已经被广泛用于各种领域，包括建筑工程、航空航天、石油和天然气工业等。
这项技术的研究背景源远流长，随着科技的不断进步，它的应用领域也不断扩展。
1.2 研究重要性超声波探伤允许非破坏性地检测材料和结构的内部缺陷，无需拆卸或破坏被检测物体，从而节省了时间和成本。
这对于确保结构的安全性至关重要，尤其是在建筑工程和桥梁维护中。
超声波探伤技术可以提高产品质量和可靠性。
在航空航天工业中，它用于检测飞机材料中的裂纹和焊缝质量，确保飞行器的安全运行。
在石油和天然气工业中，它用于检测管道和储罐内部的腐蚀，减少了泄漏和事故的风险。
超声波探伤还具有高灵敏度和精确性，可以在早期检测到潜在问题，有助于预防事故和降低维护成本。
这项技术的不断发展和改进也为更广泛的应用提供了可能性，如自动化探伤和结构健康监测。
2.超声波探伤原理2.1 超声波传播和反射原理超声波探伤的核心原理是基于声波在材料内部传播和反射的特性。
当超声波脉冲通过材料时，它会在不同密度和性质的材料界面上发生反射和散射。
当超声波遇到内部缺陷、裂纹或其他不均匀性时，部分能量会被反射回到传感器，而余下的能量继续传播。
通过测量反射信号的强度、时间延迟和相位变化，可以确定内部缺陷的位置、大小和性质。
基于超声导波的结构健康状态无损检测及在线监测
基于超声导波的结构健康状态无损检测及在线监测2014-09-02 09:17:51 来源:eefocus关键字：PCI-9846高速数字化仪超声波检测应用领域：基于超声导波的结构材料损伤快速无损检测及损伤在线监测应用。
挑战：目前广泛应用的超声波检测技术大多基于超声体波，由于超声体波的传播特点，需要对结构进行逐点检测，因此存在检测效率低，成本高等缺点；同时逐点扫描的检测方式也限制了其在结构健康监测领域的应用。
超声导波是体波在结构界面反射叠加形成的沿结构界面传播的应力波。
超声导波相对于体波具有衰减小，传播距离长的特点，可实现对形状规则的大结构件的快速无损检测；并且具有在线应用潜力，可作为结构健康在线监测的技术手段。
但是超声导波相对于体波更加复杂，主要表现为两方面：一方面为导波的多模态特性，即同一频率下同时存在有多种导波模态；另一方面为频散特性，即同一模态导波在不同频率下的传播速度不同。
超声导波的复杂性对检测平台和检测方法提出了更高的要求。
解决方案：超声导波检测方法为主动检测，包括信号的激发的和接收。
针对导波的多模态的特性，拟采用单一模态导波作为检测信号，因此需要在检测平台从信号激发和接收两方面抑制其他模态。
主要通过传感器尺寸，信号激发频率，优化匹配实现单一导波模态激发。
为了实现对被检对象的快速检测，根据雷达原理发展了适用于超声导波的相控阵列及信号处理算法，以此实现对材料损伤的快速成像检测。
1 应用背景随着当前对大型设备结构安全性的日益关注，无损检测技术已成为现代结构设备制造和使用过程中必不可少的检测手段之一, 广泛应用于各个领域，如航空航天领域、电力生产领域、石化输运加工领域等。
这些领域的设备结构通常处于较恶劣的工作条件，容易发生磨损、腐蚀、疲劳、蠕变等损伤，进而造成结构内部产生缺陷，危害结构安全性。
因此对这些设备结构进行实时监测和诊断成为无损检测技术应用中的一个重要方面。
目前工业界常用的五大无损检测方式包括：渗透检测，磁粉检测，涡流检测，超声波检测，射线检测。
超声导波技术在特种设备检测中的应用研究
超声导波技术在特种设备检测中的应用研究1. 引言1.1 研究背景随着特种设备的种类不断增加和技术水平的提高，超声导波技术在特种设备检测中的应用研究也愈发受到重视。
通过对超声导波技术的深入研究和应用实践，不仅可以提高特种设备检测的准确性和效率，还可以为特种设备的安全运行和维护提供更加可靠的技术支持。
对超声导波技术在特种设备检测中的应用进行系统深入的研究具有重要的理论和实践意义。
【2000字】1.2 研究目的研究目的是通过探索超声导波技术在特种设备检测中的应用，深入揭示该技术在提高特种设备安全性、减少损坏风险、延长设备使用寿命等方面的重要作用。
通过对超声导波技术在特种设备检测中的实际案例进行分析和总结，进一步探讨该技术的优势和技术难点，为特种设备检测领域的技术发展提供重要参考。
本研究旨在为特种设备检测领域的相关研究工作提供理论指导和实践依据，促进超声导波技术在特种设备检测中的广泛应用，并为未来相关研究方向提供参考和启示。
通过本研究的开展，旨在推动特种设备检测技术的进步和创新，为特种设备的安全运行和维护提供可靠保障，促进特种设备行业的可持续发展和进步。
1.3 研究意义超声导波技术在特种设备检测中的应用研究具有重要的研究意义。
特种设备通常具有复杂的结构和工况，其安全性和可靠性对于生产和工作环境至关重要。
通过引入超声导波技术进行检测，可以实现对特种设备内部结构的非破坏性检测，及早发现潜在的缺陷和故障隐患，提高设备的安全性和稳定性，减少事故的发生。
超声导波技术具有高灵敏度、高分辨率和能够穿透复杂介质的优势，可以对特种设备进行全面、全方位的检测，提高检测效率和准确性。
随着特种设备的不断发展和更新换代，超声导波技术在特种设备检测中的应用也将不断拓展和深化，为特种设备的安全运行和提高生产效率提供技术支持。
对超声导波技术在特种设备检测中的应用研究具有重要的实际意义和推广价值。
2. 正文2.1 超声导波技术概述超声导波技术是一种利用超声波在固体材料中传播时产生的导波进行非损伤性检测和评估的技术。
超声波无损检测在工程结构中的应用与研究
超声波无损检测在工程结构中的应用与研究超声波无损检测是一种非常有效的质量控制和评估技术，已经在工程结构中得到了广泛应用和研究。
这种技术不仅可以检查结构的内部缺陷和裂纹，还可以定位和评估材料的物理和力学性能。
本文将介绍超声波无损检测在工程结构中的应用和研究进展。
超声波无损检测的原理是利用超声波在物体中传播时的特征，来检测物体内部存在的缺陷或异常情况。
这种技术可以检测各种材料，包括金属、陶瓷、塑料、混凝土等，适用于各种不同的工程结构。
应用方面，超声波无损检测在航空航天、汽车、电力、石油和天然气等领域得到了广泛的应用。
在航空航天中，超声波无损检测可以用于飞机发动机、轮胎、机翼和航空电子设备的检测，来发现那些不可见的裂缝、材料疲劳或者其它的缺陷。
在汽车行业中，超声波无损检测可以用于车身、发动机、轮胎、制动系统等部分的检测，以避免潜在的安全风险。
在电力行业中，超声波无损检测可以用于发电机、变压器、线路、电缆等设备的检测，以保障电力供应的安全稳定。
在石油和天然气产业中，超声波无损检测可以用于管道、储罐、阀门等设备的检测，以保障环境和设备的安全运营。
另一方面，在工程结构的研究中，超声波无损检测可以用于评估材料的物理和力学性能，以便进行材料选择和工程设计。
比如，对于混凝土结构，超声波无损检测可以用于测量混凝土的密度、硬度、弹性模量等物理参数，并用于评估混凝土的抗压性能、承载能力等力学性能。
这种技术可以帮助工程师掌握材料的特性，以便进行更准确、经济和可行的设计。
在超声波无损检测技术的进一步研究中，科学家和工程师正在寻求更加精确、高效和可靠的方法和工具来开展检测工作。
这种研究普遍致力于开发新的传感器、分析方法、数据处理技术等，以提高检测的效率和精度。
另外，也在探索将超声波无损检测技术与其他技术或者算法结合起来，比如，与机器学习、图像处理等技术合作，以进一步提高数据质量和可靠性，为下一步的工程实践和科研做准备。
总之，超声波无损检测技术在工程结构中的应用和研究前景非常广阔。
非线性超声导波在结构健康监测中的应用
E22 = 9.25 GPa，G12 = 6 Байду номын сангаасPa，ν12 = 0.34，ν23 = 0.41 三阶弹性常数 ：A= 15，B = -33，C = -14 GPa 模态幅值图
f=2.5 kHz f=5 kHz
理论方法在实际模型中的应用
研究目标 • 为了有效地预测和探索在不同的复杂结构波导中非 线性波传播现象，介绍一种数值算法 。 • 根据原发性和继发性的有利组合模式谐振确定复杂 的波导。
研究综述
文中主要介绍了一种关于非线性导波在结构监测
中传播的数值算法。先简要描述理论背景，建立适用 结构材料所适用的本构关系。提到半解析有限元算法 的商业代码，COMSOL软件。然后根据此理论方 法，运用到实际的案例进行分析非线性超声导波的特 征 ，作出传播模态的幅值图。
理论方法与过程
假设质体均匀，各向同性，超弹性 建立本构关系： ⑴
Piola-Kirchoff应力张量
Sij Eij
拉格朗日应变张量 初始密度 应变能密度
ρ ε
0
理论方法与过程
其中：
⑵
•λ和μ为拉梅常数 •A,B和C为Landau-Lifshitz 三阶弹性常数
理论方法与过程
将⑵式代入⑴式，应力—应变关系：
谢谢！
②初级到中级波无能量交换
非线性部分中通过扩展经典的半解析有限元法发展预
测非线性二次谐波在复杂导波中的产生，编成一个商
业的有限元代码。运用COMSOL软件建模，解决非 线性边值问题，有效地计算分析波导结构的色散特 性，确定固体波导内共振条件，这是评估结构健康监 测效率的关键。
理论方法在实际模型中的应用 1.铁路轨道
超声导波技术的原理及应用
超声导波技术的原理及应用1. 导言超声导波技术是一种利用超声波在材料中传播的特性来实现能量传输和信号检测的技术。
本文将介绍超声导波技术的原理以及其在各个领域的应用。
2. 超声导波技术原理超声导波技术利用材料中的弹性波传播来实现能量传输和信号检测。
其原理如下：2.1 超声波传播超声波是一种机械波，其传播需要介质，可以是固体、液体或气体。
在介质中，超声波以粒子振动的形式传播，产生纵波和横波两种类型。
2.2 波导效应超声导波技术利用材料中的波导效应来实现能量传输和信号检测。
波导效应是指超声波在材料内部一次传播。
2.3 材料特性的影响材料的物理特性如导波模式、频率、速度等都会对超声导波的传播和检测产生影响。
不同的材料有不同的导波特性，需要根据具体应用进行选择。
3. 超声导波技术的应用3.1 结构健康监测超声导波技术可以用于结构健康监测，通过监测结构中的超声波传播状态来检测结构的健康状况。
例如，可以用于飞机翼部的检测，及时发现裂纹等结构缺陷。
3.2 无损检测超声导波技术在无损检测领域有广泛应用。
可以用于金属材料、混凝土、陶瓷等材料的缺陷检测。
通过分析超声波传播的变化，可以判断材料内部是否存在缺陷。
3.3 液体流体检测超声导波技术还可以应用于液体流体检测。
通过监测液体中的超声波传播变化，可以识别液体中的气泡、颗粒等。
3.4 材料表征超声导波技术可以用于材料的表征，包括材料的弹性模量、密度等物理参数的测量。
这对于材料研究和工程设计有很大的意义。
4. 结论超声导波技术是一种利用超声波在材料中传播的特性来实现能量传输和信号检测的技术。
它在结构健康监测、无损检测、液体流体检测以及材料表征等方面都有广泛的应用。
随着技术的不断发展，超声导波技术将在更多领域得到应用的拓展。
以上就是对超声导波技术的原理及应用的介绍，希望对读者有所帮助。
超声导波技术的原理和应用
超声导波技术的原理和应用1. 引言超声导波技术是一种非破坏性检测方法，利用超声波在导波结构中的传播特性来实现对材料中的缺陷或损伤进行检测和评估。
本文将介绍超声导波技术的原理和应用。
2. 超声导波技术的原理超声导波技术基于超声波在导波结构中的传播原理。
导波结构通常是由一种或多种材料构成的波导，其形状可以是平板、圆柱、环形或其他几何形状。
超声波在导波结构中可以通过不同的模式（纵波、横波等）进行传播，这些模式具有不同的传播速度和频率范围。
超声导波技术的原理可以归纳为以下几个方面： - 超声波的发射和接收：超声波通常是通过压电传感器（如压电陶瓷）或磁性传感器（如磁性彗星）发射和接收的。
发射的波形可以是脉冲、调制或连续波形，接收的波形可以是幅度、相位或频率的变化。
- 导波结构的选择：根据被测材料的特性和要检测的缺陷类型，选择合适的导波结构（如平板、圆柱等）和超声波的传播模式（纵波、横波等）。
- 缺陷的识别和评估：通过分析接收到的超声波信号，识别和评估目标材料中的缺陷或损伤。
这可以通过比较实际接收到的信号与预期的波形、频谱或时间延迟来实现。
3. 超声导波技术的应用超声导波技术在许多领域都有广泛的应用，包括材料科学、结构健康监测、非破坏性检测等。
以下是一些常见的应用领域：3.1 材料科学•材料的弹性性质评估：超声导波技术可以用来评估材料的弹性性质，如弹性模量、剪切模量等。
通过测量超声波在材料中的传播速度和频率响应，可以推断材料的机械性能。
•缺陷检测：超声导波技术可以检测材料中的缺陷，如裂纹、气孔等。
通过分析超声波的反射、散射或传播模式的改变，可以确定缺陷的位置、形状和尺寸。
3.2 结构健康监测•建筑物结构监测：超声导波技术可以用来监测建筑物的结构健康状况，如混凝土桥梁、钢结构等。
通过在结构中布置多个超声传感器，并对传播的超声波进行实时监测和分析，可以及时发现结构中的缺陷或损伤。
•飞机机翼监测：超声导波技术可以应用在飞机机翼等复杂结构的监测中。
非线性声波成像技术在医学诊断中的应用
非线性声波成像技术在医学诊断中的应用随着科技的进步，医学成像技术也在不断更新换代。
非线性声波成像技术（Nonlinear acoustic imaging）是近年来兴起的一种新技术，它具有非侵入性、精度高、分辨率好的特点，被广泛应用于医学诊断领域。
本文将从什么是非线性声波成像技术、其应用领域以及未来展望等方面进行探讨。
一、什么是非线性声波成像技术非线性声波成像技术是一种新型的声波成像技术，它不同于常规的超声成像技术，是利用声波的非线性特性来实现成像的。
与常规的超声成像技术不同，非线性声波成像技术可以利用声波的二次谐波、三次波等非线性效应，实现对组织和器官的成像。
这种成像技术相比局限于前方散射的传统超声成像技术，在图像分辨率、解析度和对小结构的探测等方面表现得更具优势。
二、非线性声波成像技术的应用领域1、心血管系统疾病的诊断心血管系统疾病是人口老龄化的必然结果，对老年人的生命和健康带来很大的威胁。
传统超声成像技术在心血管系统疾病的诊断中已经得到广泛的应用。
而非线性声波成像技术可以更好地诊断血管壁的病变。
这种成像技术可以利用非线性效应的较小变化，检测出血管壁二次谐波信号的变化，从而检测血管病变。
2、肿瘤诊断超声成像在肿瘤诊断和治疗中具有广泛的应用。
然而，对于普通的超声成像技术而言，当声波穿过肿瘤时，它们会被重复散射并与其他散射的声波混合，导致图像质量下降。
在这种情况下，非线性声波成像技术表现出具有很高的诊断效果。
它可以更好地检测出细小的微血管、淋巴管等，并更画出肿瘤轮廓，检测到肿瘤内部微小的结构。
3、心脏病诊断心脏病是一个非常常见的疾病，而非线性声波成像技术可以更准确的检测心脏功能异常情况。
除了检测心肌与血管的构造、结构，非线性声波成像技术还可以通过检查血管的压力变化，识别出哪些狭窄的血管需要更多的关注和治疗。
三、非线性声波成像技术的未来展望不管是排泄系统疾病、血管疾病还是肿瘤检测，都可以利用非线性声波成像技术进行诊断。
超声波传感技术在结构健康监测中的应用
超声波传感技术在结构健康监测中的应用超声波传感技术是一种高精度、无损检测技术，被广泛应用于结构健康监测领域。
本文将从超声波传感技术的基本原理、传感器分类、超声波信号处理及应用案例等方面深入探讨其在结构健康监测中的应用。
一、超声波传感技术基本原理超声波传感技术是一种利用超声波在固体介质中传播所产生的声学参数变化（如声速、声阻抗、衰减等）来探测和诊断材料或结构内部缺陷和性质的无损检测技术。
所谓超声波，是指超出人耳听觉范围的高频声波，其频率通常在20kHz以上，能够穿透固体或液体，在固体内部产生弹性波，并沿着不同方向反射或折射，最终达到检测器。
二、传感器分类根据其形式和工作原理，超声波传感器可分为接触式和非接触式两种。
1.接触式传感器：会直接接触待检测物体表面或内部。
此类传感器设备简单，整体与待测物体的脱落率较低，可在复杂环境下使用，但其适用范围有限。
2.非接触式传感器：即在待检测物体和传感器之间不存在接触，其实现形式主要有空余电感式（LW）传感器、激光光束传感器、电容式传感器、电阻式传感器、声光传感器等多种。
不同的传感器器件结构和尺寸大小，会影响到传感器的信号反演能力、探测精度和适用范围。
三、超声波信号处理超声波传感技术采集的是复合信号，即由声脉冲群与结构背景杂音构成的复杂信号。
为了得到目标缺陷的特征信息，需要从中分离出缺陷信号并进行信号处理。
常见的信号处理方法有：1.频谱分析：将信号展开到频率域进行分析处理。
2.小波变换：使用小波将信号分解成时频域。
3.时序信号分析：通过对原始信号进行数学变换，如微分、积分、平滑等方式，来提取缺陷特征参数等信息。
四、应用案例超声波传感技术在结构健康监测中的应用非常广泛，包括飞机、桥梁、石化、能源等领域。
下面为大家举例介绍几个应用案例。
1.飞机结构健康监测：采用超声波传感器对机翼、机身、连接螺栓、定位销等部件进行无损检测，实现对飞机结构的状态监测和健康预测。
2.桥梁结构健康监测：将超声波传感器置于桥梁梁体表面或内部，监测桥梁梁体的应变、裂纹等情况，提高桥梁的安全性和结构稳定性。
超声波在建筑结构健康监测中的作用是什么
超声波在建筑结构健康监测中的作用是什么在当今的建筑领域，确保建筑结构的安全性和稳定性至关重要。
随着科技的不断进步，各种先进的监测技术应运而生，其中超声波技术在建筑结构健康监测中发挥着日益重要的作用。
那么，超声波究竟是什么呢？简单来说，超声波是一种频率高于人类听觉上限（约 20kHz）的声波。
它具有方向性好、穿透能力强、能量集中等特点，这些特性使得它在建筑结构健康监测中具备独特的优势。
首先，超声波可以用于检测建筑结构中的裂缝。
在建筑使用过程中，由于各种因素的影响，如荷载变化、温度变化、基础不均匀沉降等，结构可能会出现裂缝。
这些裂缝如果不能及时发现和处理，可能会逐渐扩展，严重影响结构的安全性。
通过向建筑结构发射超声波，并接收反射回来的声波，技术人员可以根据声波的传播时间、幅度和频率等参数的变化，来判断裂缝的位置、深度和走向。
其次，超声波能够评估建筑材料的质量。
建筑材料的质量直接关系到建筑结构的性能和耐久性。
例如，混凝土是建筑中广泛使用的材料之一，但其内部可能存在空洞、疏松、离析等缺陷。
利用超声波在混凝土中的传播速度和衰减情况，可以对混凝土的强度、密实度等进行评估。
同样，对于钢材、木材等其他建筑材料，超声波也可以检测其内部是否存在缺陷，如裂纹、夹杂物等，从而为材料的选择和使用提供可靠的依据。
再者，超声波有助于监测建筑结构的腐蚀情况。
在一些恶劣的环境条件下，如海边、化工厂附近等，建筑结构容易受到腐蚀。
腐蚀会导致结构的承载能力下降，威胁建筑的安全。
通过超声波检测，可以测量金属结构的壁厚变化，及时发现腐蚀的部位和程度，以便采取相应的防护和修复措施。
此外，超声波还能用于检测建筑结构的连接部位。
在建筑中，构件之间的连接通常是结构的薄弱环节。
如钢结构中的焊缝、螺栓连接，混凝土结构中的节点等。
如果连接部位出现问题，可能会导致结构的整体性受损。
利用超声波可以检测连接部位的完整性和质量，确保结构的稳定性。
在实际应用中，超声波检测技术具有非破坏性的优点。
基于超声导波的服役结构健康监测系统
– 154 –设备管理·基于超声导波的服役结构健康监测系统doi:10.16648/ki.1005-2917.2019.04.134基于超声导波的服役结构健康监测系统吴天宇 黄凯宁 庞锦辉 李若弘（华东理工大学，上海 200237）摘要： 随着当前对大型设备结构安全性的日益关注，无损检测技术已成为现代结构设备制造和使用过程中必不可少的检测手段之一。
超声导波检测技术，作为无损检测技术的一种，以超声波为媒介，通过对信号的回波进行分析，从而实现对服役结构完整性检测，检测精度高，安全性强，在工业中可以的得到广泛应用。
本文选择了功能性强大的STM32芯片，并结合计算机、信号发生器、换能器等设备，构建了基础的实验平台，实现了超声信号的收发以及在上位机上的处理与分析。
关键词： 无损检测，超声导波，服役结构，STM32引言超声检测是指当超声波传播至陷面时形成波阻抗界面，从而产生透射和反射，使接收到的透射能量明显降低，根据能量衰减特征、频率变化及波形畸变程度等特征来判断待测试件的结构特性。
比起其他的一些无损检测手段如射线检测、磁粉检测、涡流检测，使用超声检测既不会产生对人有危害的放射性射线，也不需要昂贵的技术设备，只要提前写好算法，其检测结果更是可以通过计算机分析数据得到。
因此，相较于其他无损检测技术，超声检测具有更好的安全性、经济性与准确性，在工业领域也有着广泛的应用，并在持续不断地突破[1][2]。
本文基于超声导波检测技术，设计了一套服役结构健康检测系统。
1. 实验系统设计整个实验系统主要包括了信号的激励与接收部分、信号处理部分以及数据分析与保存部分。
1.1 硬件系统设计本实验系统采用信号发生器作为信号的激励源，输出符合频率要求信号，并配有示波器辅助激励信号的产生。
在样本两端分别有一个超声换能器，实现电功率（激励信号）与机械功率（即超声波）间的转换，前端的超声换能器发出超声波至样本中，后端的超声换能器接收透射信号，并将信号向上位机传输，进行后续的数据处理[3]。
基于超声波检测的建筑结构健康监测研究
基于超声波检测的建筑结构健康监测研究随着建筑结构技术的发展和建筑物的老化，建筑结构健康监测变得越来越重要。
建筑物的结构健康状况影响着建筑物的安全性、经济性和环境性。
因此，基于超声波检测的建筑结构健康监测研究具有重要的意义。
超声波检测是一种重要的无损检测方法，通过超声波的传播特性来检测建筑结构的缺陷、裂纹、压损等问题。
基于超声波检测的建筑结构健康监测技术可以用于评估建筑物的结构健康状况，预测结构的寿命和残余寿命，提出建议和方案以延长结构的使用寿命和提高结构的安全性。
超声波检测可以分为传统超声波检测和接触超声波检测。
传统超声波检测是通过将超声波发送到结构表面并测量超声波的反射和干涉来检测结构的缺陷。
接触超声波检测是通过将超声波传输到结构内部并测量反射和干涉来检测结构的缺陷和损伤。
接触超声波检测需要在建筑物的结构内部进行，因此需要对建筑物的结构进行局部拆卸和修复，这会增加检测和监测的成本和难度。
基于超声波检测的建筑结构健康监测需要考虑多个因素，如超声波的传播特性、建筑物结构的复杂性、检测设备的选型和检测数据的分析等。
其中，超声波的传播特性是基于超声波检测的建筑结构健康监测的核心。
超声波的传播特性受多个因素影响，例如超声波的频率、波速、衰减和反射。
超声波的传播速度取决于材料的密度和弹性模量，不同类型的缺陷和损伤会对超声波的传播速度和传播特性产生不同程度的影响。
因此，在建筑物结构健康监测方案的制定和实施中，需要根据结构的特性和材料的特性选择合适的检测设备和检测方法，以及合适的超声波频率和参数，以便在检测中获得准确有效的数据。
基于超声波检测的建筑结构健康监测具有多个优点。
首先，超声波检测可以无损检测结构的缺陷和损伤，减少了对建筑物结构的损坏和材料的浪费，提高了检测的效率和准确性。
其次，超声波检测可以在建筑物的运行期间实施结构健康监测，避免了对建筑物使用的干扰，同时也为建筑物的维护和修理提供了便利。
在建筑结构健康监测的应用中，超声波检测已经得到广泛的应用。
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3.钢筋混凝土板
•混凝土单元尺寸：a = 8cm, b = 6cm •钢筋直径 d = 1.6cm •材料特性：ρ= 2133kg／m3，C11 = 33.2 GPa，C66 = 11.8 GPa •对于钢筋：ρ= 7900kg／m3， C11 = 280 GPa，C66 = 80 GPa •由前面介绍的本构关系计算结果如下图。 •计算结果显示仅谐振的第二模式能够验证的相位匹配条件
理论方法与过程
假设质体均匀，各向同性，超弹性 建立本构关系： ⑴
Piola-Kirchoff应力张量
Sij Eij
拉格朗日应变张量 初始密度 应变能密度
ρ ε
0
理论方法与过程
其中：
⑵
•λ和μ为拉梅常数 •A,B和C为Landau-Lifshitz 三阶弹性常数
理论方法与过程
将⑵式代入⑴式，应力—应变关系：
理论方法在实际模型中的应用
f=40 kHz
f=80kHz
主要结论
利用非线性导波在无损检测和结构健康监测的区域得到 越来越多的关注。非线性测量采用适当的应用程序需要一个 透彻的了解，像更高的倍频现象，能进行预期的测试波导。 在目前的工作环境，经典算法推广到非线性区和一个强大的 多用途商业有限元代码实现（COMSOL），其结果是一个新的 工具，开辟了新的可能性的色散特性的分析，最重要的是， 在非线性内共振的条件下，对各种复杂结构的波导，不必纯 粹分析解的精确解析解。 文中给出的三个具体的实际应用：铁路轨道，准各向同 性复合板，钢筋混凝土板 ，在所有这些情况中，该算法成功 地确定谐振的第一和第二模式组合的同步性和大的交叉能量 传递所需的条件 。这些属性可以实际运用到通过非线性波的 波导结构状态的监测 （检测缺陷，利用测量准静态载荷或不 稳定的条件下，等其他检测）
非线性超声导波在结构健康监测中的应用
姓名：xxx 学号：xxx
目录 • • • • • • 研究背景 研究目标 研究综述 理论方法与过程 理论方法在实际模型中的应用 主要结论
研究背景
结构健康监测技术（SHM）是当前工程界与学术界研究的 热点问题，它是一种在线、实时有效的获取结构状态信息的方 法。 传统结构监测已完成对超声波的线性参数，如振幅，速 度，相位偏移来监测结构的显著特征 ,在固体中二次谐波产生的 非线性效应的研究局限于结构简单的几何形状（板，杆，壳)， 而且主要分析解决的是线性波。波的振幅的增加，有限变形， 非线性应变能势可能引起重要的非线性效应。在众多非线性行 为的表现中，应特别考虑高次谐波的产生。目前工作中研究的 非线性固体导波在复杂的几何和材料特性的解，采用的是摄动 理论和模态扩展。
②初级到中级波无能量交换
非线性部分中通过扩展经典的半解析有限元法发展预
测非线性二次谐波在复杂导波中的产生，编成一个商
业的有限元代码。运用COMSOL软件建模，解决非 线性边值问题，有效地计算分析波导结构的色散特 性，确定固体波导内共振条件，这是评估结构健康监 测效率的关键。
理论方法在实际模型中的应用 1.铁路轨道
谢谢！
各单板的材料特性 ：ρ= 1500kg/m3，E11 = 161 GPa，
E22 = 9.25 GPa，G12 = 6 GPa，ν12 = 0.34，ν23 = 0.41 三阶弹性常数 ：A= 15，B = -33，C = -14 GPa 模态幅值图
f=2.5 kHz f=5 kHz
理论方法在实际模型中的应用
由于截面几何形状和色散曲线复杂，高次谐波的产生条件不 能计算分析。 材料性能如下表：
典型轨道的 传播模式
理论方法在实际模型中的应用
•相速度频散曲线
理论方法在实际模型中的应用
•二次传播模态的幅值图如图c
f=160 kHz
f=80 kHz
同步二次非线 性共振模式
理论方法在实际模型中的应用 2.准各向同性复合板
由非线性弹性波在波导的传播动量方程的非线性边 值条件有，矢量式为：
粒子位移矢量
体力
应力张量的线性部分和非线性部分
理论方法与过程 将u分解成线性和非线性部分：
线性部分采用摄动理论，给一个微小扰动求解 非线性部分采用模态扩展轭合物
给出了模态振幅
理论方法与过程
上式满足 ①相位匹配
研究目标 • 为了有效地预测和探索在不同的复杂结构波导中非 线性波传播现象，介绍一种数值算法 。 • 根据原发性和继发性的有利组合模式谐振确定复杂 的波导。
研究综述
文中主要介绍了一种关于非线性导波在结构监测
中传播的数值算法。先简要描述理论背景，建立适用 结构材料所适用的本构关系。提到半解析有限元算法 的商业代码，COMSOL软件。然后根据此理论方 法，运用到实际的案例进行分析非线性超声导波的特 征 ，作出传播模态的幅值图。