基于混沌腔体换能器应用的非线性弹性检测及其数值仿真研究

非线性声学在材料无损检测及成像中已经获得越来越多的应用。本课题对混沌腔体换能器（CCT）与时间反转声学（TRA）及非线性弹性波谱（NEWS）法的结合在材料微观缺陷检测及成像中的应用做以研究。前期的研究结果表明，混沌腔体换能器的应用可以有效解决幻影成像及边界应变增加的问题。本课题拟采用数值仿真与实验研究相结合的方法，对构成混沌腔体换能器的材料、形状、特性及激发信号的种类、频率、带宽做深入研究，进而取得更好的聚焦效果并提高成像质量；对时间反转TR与非线性弹性波谱法NEWS的两种不同结合方式TR-NEWS及NEWS-TR做对比研究；并用其他的时间反转声学过程，如反向滤波（IF）及1位处理过程(1B)取代TR与NEWS做不同的结合应用；探讨CCT、TRA及NEWS的结合应用在振动性能较差的非回响固体平板介质中的裂纹检测及成像问题，完善和发展非线性声学检测及成像理论。

本课题对非线性声学在材料无损检测及成像中的应用进行了研究，通过实验分析和数值计算方法的运用，将时间反转声学（Time Reversal Acoustic: TRA）与混沌腔体换能器（Chaotic Cavity Transducer: CCT）相结合应用到固体介质中的信号聚焦及裂纹检测。.课题组对混沌腔体换能器的构成及其信号聚焦性能进行了分析研究，对不同的激励信号类型（正弦信号和调频脉冲激发信号Chirped Excitation Signal）进行了对比，发现调频脉冲激发信号能够传输更多的能量到待测介质中，跟正弦激发信号相比，可以提高聚焦信号的幅值12dB。实验中，将混沌腔体换能器分别与经典时间反转（Time Reversal: TR）技术、反向滤波（Inverse Filter: IF）技术及1位处理（1 Bit processing）技术相结合，应用到了弹性介质的线性检测与成像中；对三种信号处理技术在信号聚焦方面的性能进行对比，发现反向滤波技术在信号反转过程中应用了更多的模态，可以取得更好的信号聚焦效果，有效提高信噪比。.在对材料的非线性性能研究中，课题组通过时域伪谱法（Pseudo-Spectral Time Domain：PSTD）数值计算方法的应用对介质材料的典型非线性和非典型非线性的各种非线性模型：二阶非线性（Quadratic nonlinearity）、三阶非线性（Cubic nonlinearity）、Nazarov 滞后非线性（Nazarov hysteretic nonlinearity）、双模态非线性（Bi-modular nonlinearity）及PM空间非线性（PM-Space nonlinearity）进行了分析，掌握了各种非线性在奇偶谐波产生、激波的形成、共振频率偏移、信号衰减等方面的特点，进而掌握材料的非线性机制，为裂纹的非线性检测提供理论依据。.在进行非线性时间反转聚焦检测的实验中，通过非线性弹性波谱法（Nonlinear Elastic Wave Spectroscopy: NEWS）的应用，比如脉冲反向技术（Pulse Inversion），实现了聚焦点处非线性响应的提取，之后通过1位处理（1 Bit Processing）技术的应用实现对非线性信号的反转处理，进而完成TR与NEWS的结合在弹性介质中的裂纹检测与成像。