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导波特性

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1.导波形成导波检测导波是由于声波在介质中的不连续交界面间产生多次往复反射,并进一步产生复杂的干涉和几何弥散而形成的。2.导波的实质(Guided waves)导波是一种以超声频率或声频率在波导中(如管、板、棒、绳等)平行于边界传播的弹性波。导波实际上是一系列谐波的叠加3.导波的分类分为圆柱体中的导波以及板中的SH波、SV波、兰姆波(Iamb) 和漏兰姆波4.导波的最基本的参数群速度和相速度相速度:单个质点传播方向的速度Cplt2t1群速度:弹性波的包络上具有某种特性(如幅值最Cgl大)的点的传播速度波能量的速度 注:

1、在无限均匀介质中传播的波称为体波,体波有两种:一种叫做纵波(或称疏密波、无旋波、拉压波、P波);一种叫做横波(或称剪切波、S波),它们以各自的速度传播而无波形混合,

2、当体波在波导中传播时,在上下交界面处将发生反射,反射后体波的特性只取决于固体弹性参数而同波动本身的性质无关

3、导波的声脉冲是一组不同频率正弦波的集合,确定其相速度是困难的。

4、相速度的实质是波群传播的能量速度一般采用群速度来描述脉冲传播速度。

5、兰姆波和SH波的群速度用脉冲波的谐波中振幅最大频率及附近频率成分的群速度表示。

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多模态导波接收波形图中的1模态导波较2模态导波靠前,则可以认为1模态导波的群速度比2模态导波的群速度大。导波的群速度大并不代表其相速度大,反之导波的相速度大也不意味着其群速度大群速度与相速度的关系f一一导波的频率;d一一板的厚度或管道的壁厚 注:

1、超声导波总是以群速度传播的,但由于实际应用中往往只能得到导波的相速度故提供上述方程

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5.导波的最主要的特性频散性和多模态频散性:频率不同,波速不同,同一频率,不同模态波速也不同①管道中导波频散方程为式中cij与管道尺寸、材料Lames常数、密度角频率及波数相关钢管相速度频散曲线图钢管群速度频散曲线图 注:

1、频散是超声导波的固有特性,主要表现为群速度和相速度的不一致性频散现象是引起导波衰减的主要原因之一。

2、频散特性是通过频散曲线观测的,超声导波在实际检测应用中需要确定导波信号的激励频率,而频散曲线则是频率选择的基本依据

3、频散曲线需要通过数值方法进行计算。通常的方法是根据实际检测的边界条件建立导波的特征方程,即超越方程,它建立了波数和频率之间的关系

4、根据波速、角频率和相速度可绘制导波的频散曲线,三者关系如右上角方程。

5、从超声导波的频散特性可以看出,当波导形状和物理性质恒定时,导波的相速度只与导波的频率有关,也就是说在某一特定频率下,某一模态导波的相速度是一定的,即导波的群速度也为恒定值

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②板波其频散曲线是通过求解下列Rayleigh-lamb超越方程,求得其相速度(或者波数)与频率厚度积的关系钢板的兰姆波频散曲线:每一频率至少对应着两个以上的超声波模态并且随频率的增加模态数随之增加多模态性: 注:

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6.圆管和圆柱状中的导波分为三种模态纵向模态(L模态)弯曲模态(F模态)扭曲模态(T模态)L(n,m)、F(n,m)和T(n,m)表示,其中n和m分别代表周向和径向模态参数,且均为整数。L模态和T模态是轴对称模态,F模态是非轴对称模态7.超声导波的特性总结①导波通常以反射和折射的形式与边界发生相互作用经介质边界制导传播,传播中纵波与横波相互间进行模态转换②导波方程的解在满足控制方程的同时必须满足实际的边界条件③导波通常在一个有限体中可以存在多种不同的导波模态④导波大多具有频散现象即导波相速度是导波频率的函数,随导波频率变化而变化 注:

1、 典型的波导结构有板状波导,圆柱状波导和圆管状波导。板状波导中的超声导波主要有水平剪切波(SH波)和兰姆波 (Lamb波)。圆柱状波导和圆管状波导中的超声导波包括纵向模态导波(L模态)、扭转模态导波(T模态)和弯曲模态导波(F模态)。

2、 管壁较薄,且半径较大时,L(0,m)模式对应于板中的Lamb波;而T(0,m)模式对应于板中的SH 波。

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附均匀各向同性管道中的频散方程背景Gazis利用线弹性理论提出了谐波在无限长中空管道中传播的频散方程对于各向同性弹性固体介质,由弹性力学可得三个运动方程六个应变位移方程六个本构方程(各向同性材料如果在上面三个方程中消去应力和应变项,可得各向同性弹性固体介质的波动方程式中u是位移场,f表示体力,p是密度是拉梅常数,t是时间。其中拉梅常数与弹性模量等常用材料物性关系为

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