粗糙接触界面超声干耦合特性研究

唐东林; 吴薇萍; 胡琳; 汤炎锦; 丁超

doi:10.13433/j.cnki.1003-8728.20190211

粗糙接触界面超声干耦合特性研究

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190211

1.
西南石油大学机电工程学院，成都　610500
2.
成都工业学院机械工程学院，成都　611730

基金项目: 四川省科技支撑项目（2017FZ0033）、成都市技术创新研发项目（2018-YF05-00201-GX）及西南石油大学国家重点实验室项目（PLN201828）资助

详细信息

作者简介:
唐东林(1970−)，教授，博士生导师，研究方向为无损检测技术、光机电一体化技术，tdl840451816@163.com

中图分类号: TB553
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出版历程
- 收稿日期: 2019-05-09
- 刊出日期: 2020-06-05

Study on Ultrasonic Dry Coupling Performance of Rough Contact Interface

1.
School of Mechanical Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China
2.
School of Mechanical Engineering, Chengdu Technological University, Chengdu 611730, China

摘要

摘要: 为提高粗糙接触界面的声耦合性能，对超声波与粗糙界面间的相互作用进行研究。通过界面分形模型的建立，得到含分形参数的接触刚度表达式，并结合界面声学模型分析不同耦合条件下声反射系数的变化；搭建超声干耦合实验平台，通过实验测得粗糙铝板表面轮廓，利用结构函数法对分形维数进行测定，并对不同分形维数的粗糙铝板进行受压条件下的反射系数测量。结果表明：对粗糙接触界面施加一定载荷有利于超声波在界面处的传播，且分形维数较大的粗糙铝板达到良好声耦合效果所需的载荷更小，更便于超声干耦合检测的实施。
- 干耦合 /
- 反射系数 /
- 粗糙接触界面 /
- 分形模型
Abstract: In order to improve the ultrasonic dry-coupled performance of rough contact interface, the interaction between the ultrasonic wave and the rough interface is studied. The contact stiffness expression with fractal parameters is obtained by establishing the interface fractal model, and the change in acoustic reflection coefficient under different coupling conditions is analyzed by combining the interface acoustic model. The ultrasonic dry-coupling experimental platform is established to measure the surface profile of rough aluminum plate. The fractal dimension is measured with structural function method, and the reflection coefficient of rough aluminum plate with different fractal dimension under pressure is measured. The results show that the coupling performance can be improved by increasing the pressure between the solid surfaces, and the rough aluminum plate with larger fractal dimension needs less load to achieve good acoustic coupling effect, which is more convenient for the implementation of ultrasonic dry coupling detection.
- dry coupling /
- reflection coefficient /
- rough contact interface /
- fractal model

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图 1 干耦合检测原理图

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图 2 界面弹簧模型

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图 3 两粗糙表面间的接触

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图 4 单峰接触模型

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图 5 粗糙接触刚度k_n与接触面积a及分形维数D的关系

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图 6 临界接触面积a_c与分形维数D及接触体硬度H的关系

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图 7 界面接触面积A_r与界面载荷W_n的关系

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图 8 界面接触面积A_r与界面刚度K_n的关系

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图 9 界面总载荷W_n与界面接触刚度K_n间的关系

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图 10 界面总接触面积A_r、分形维数D与声反射系数R的关系

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图 11 界面总接触面积A_r、分形尺度参数G与声反射系数R的关系

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图 12 不同粗糙度的铝板

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图 13 粗糙轮廓曲线

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图 14 粗糙轮廓结构函数双对数曲线图

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图 15 无标定区域的线性回归图

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图 16 超声干耦合检测实验平台示意图

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图 17 超声干耦合检测实验平台实物图

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图 18 不同粗糙铝板干耦合受压实验

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图 19 部分超声干耦合回波信号

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图 20 不同分形维数下粗糙铝板反射系数随载荷的变化

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表 1 不同粗糙度铝板的分形维数

铝板试样	回归直线斜率	粗糙轮廓分形维数D	铝板试样粗糙度/μm
1	0.686 7	1.656 65	2.504
2	0.603 5	1.698 25	1.968
3	0.427 2	1.786 40	0.979
4	0.894 7	1.552 65	4.181

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