Page 131 - 《应用声学》2023年第1期
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第 42 卷 第 1 期 徐帆等： 固 -固界面退化特性的超声反射评价方法 127
从几乎不反射纵波到出现明显的反射纵波。从 研究有限宽超声纵波束在给定角度下，界面退化特
图 3(b)中可以看出，镜面横波反射系数在范围 [30 , 性对镜面反射系数的影响。研究结果可为固 -固界
◦
60 ] 内的变化较小。对比可知，纵波反射系数对界 面退化特性的超声反射评价方法提供重要依据。
◦
面退化状态更敏感。据此可在此范围内选择适当的
3.1 模型建立
入射角，根据镜面纵波反射系数的变化对界面退化
仿真几何模型为二维模型，图 5 为有限宽超声
状态进行评价。
纵波束斜入射有机玻璃 -铝层状复合材料时的二维
根据图 3的计算结果，本文选择44.8 的纵波入
◦
示意图。模型 z 方向的长度为 100 mm，从上到下的
射角作为入射条件对界面退化状态进行评价。图 4
材料依次为有机玻璃、界面层和铝，其厚度分别为
给出了纵波和横波镜面反射系数随 K N 的变化曲
70 mm、0.01 mm、50 mm。有机玻璃和铝的材料参
线，其中实线表示 44.8 条件下镜面纵波反射系数，
◦
数见表1。
虚线表示 44.8 条件下镜面横波反射系数。从图 4
◦
中可明显得出，当界面劲度系数K N 趋于10 16 N/m 3 y ႍଊ᧫
ጳଌஆ
时，镜面纵波反射系数几乎为 0，可认为此时界面处
దဝၕ
于完好状态。随着界面退化的出现，开始出现明显 B
AĂ
的反射纵波，且对应的镜面反射系数随着界面退化 C
θ Tr
程度的加剧而变大，直至界面发生破坏。同时从图4 A θ Lr C ϕ BĂ
z
h
中可见，镜面纵波反射系数随界面劲度系数的变化 O
ႍ᭧ࡏ↼K N ֒K T ↽
曲线具有单调性，而镜面横波反射系数随界面劲度
系数 K N 的变化不敏感。因此，当选择恰当的纵波
入射角时，纵波镜面反射系数更利于表征界面退化 ᨸ
特性。
图 5 用于仿真的二维示意图
1.00 Fig. 5 The 2D schematic for simulation
所设定的界面薄层厚度 h 0 = 0.01 mm，其厚
᪫᭧Ԧ࠱ጇ (arb. units) 0.50 ጫฉ 足界面层厚度远小于波长的等效条件。同时界面
0.75
度远小于有机玻璃的纵波波长 λ L = 2.66 mm，满
ഷฉ
薄层的等效泊松比和密度参照常用的胶接材料
环氧树脂材料进行设定：泊松比 ν 0 = 0.38，密度
0.25
3
ρ 0 = 1120 kg/m 。界面薄层的退化特性可用 K N 、
K T 来表征，当泊松比和密度一定时，可以通过调整
0
16 15 14 13 12 单一的物理量 K N 达到改变界面状态的要求，实现
lgK N /(NSm -3 ) 界面退化的仿真 [16] 。由图 4 可知，当界面处于退化
图 4 入射角为 44.8° 时镜面反射系数随法向界面劲 阶段时，镜面纵波反射系数变化明显，所以选取了如
度系数的变化曲线 表2所示的13种界面状态进行仿真研究。
Fig. 4 Curves of the specular reflection coefficient 为激发有限宽超声纵波束，如图 5 所示在有机
with interfacial normal stiffness coefficient when
玻璃的内部左侧设置一条宽度为 10λ L 的线源，该
the incident angle equals 44.8°
激励源的中点与坐标原点的距离为 25λ L ，在该线源
施加指定的位移条件。因为激发的是纵波，所以位
3 仿真分析
移边界条件仅需在边界的法向进行设置，且在线源
本文的仿真模拟基于有限元商业软件，以有机 上均匀分布。位移条件是一束汉宁窗调制的正弦
玻璃-铝粘接结构为研究对象，建立超声纵波束在有 脉冲信号，其时域波形和频谱如图 6 所示。该信号
机玻璃-铝粘接结构中传播的二维有限元模型，仿真 的载波频率为 f = 1 MHz，周波数 N = 10，幅值
