高频调谐质量阻尼器中阻尼油的粘弹性特性分析及建模框架，应用于钻杆系统

《Mechanical Systems and Signal Processing》：Damping oil visco-elastic characterisation and modelling framework in high-frequency tuned mass dampers for boring bar applications

声学非线性空气耦合发射（NACE）可通过声光断层成像结合声学全息成像实现三维重建，利用扫描激光多普勒振动仪（SLDV）探测空气柱中的非线性声场，扫描固定反射器获取一维扇形束投影，经断层成像和全息处理得到三维损伤分布图像，实验验证了该方法在碳纤维复合材料板分层缺陷检测中的有效性。

　　

马玉生|塞德里克·德布谢雷|科恩·范登阿贝尔|马蒂亚斯·克瑟曼斯

材料与结构力学（根特大学-MMS），材料、纺织与化学工程系，比利时兹维纳尔德9052

摘要

结构中的缺陷会改变超声导波的传播特性。在足够高的激励下，接触型缺陷（如裂纹和分层）会引发非经典的非线性现象。除了在材料内部产生非线性弹性波分量外，非线性声波分量还会辐射到周围的空气中。对这种非线性空气耦合辐射（NACE）的分析为远程损伤检测和定位提供了一种新的方法。

本研究介绍了一种声光层析成像-全息术方法，用于从扫描激光多普勒振动仪（SLDV）的测量数据中定量可视化NACE场。该方法不是测量样品表面，而是根据声光原理探测样品上方的空气柱。通过扫描带有预定义线网格的固定反射器来获取NACE场的一维（1D）扇形波束投影。然后旋转测试样品，以捕捉全角度范围内的投影。这些1D扇形波束投影随后通过层析原理处理，重建出NACE场的二维（2D）平面截面。最后，利用声全息术将2D平面重建扩展为NACE场的三维（3D）体积表示。

所提出的声光层析成像-全息术方法首先在一个包含接合缺陷的交叉层碳纤维增强聚合物（CFRP）的3D有限元模型数值数据集上进行了演示。在含有分层缺陷的CFRP板上进行了实验验证。数值和实验结果均证实了该层析成像-全息术方法在定量重建缺陷诱导的NACE场方面的高性能，展示了其在损伤检测应用中的潜力。

引言

工程结构经常受到环境降解、疲劳和机械载荷的影响，这些因素可能导致裂纹、分层和解粘等缺陷的产生。这些缺陷可能严重损害结构的完整性和性能[1]。为了检测这些缺陷并确保工程部件的安全运行，过去几十年开发了多种无损检测和结构健康监测技术作为重要的诊断工具[2]、[3]。这些方法包括超声波C扫描[4]、[5]、剪切成像[6]、[7]、导波检测[2]、[3]、[8]、红外热成像[9]等，每种方法根据材料特性、缺陷类型和应用要求具有独特的优势。

在各种技术中，导波检测因其能够在材料内部长距离传播以及对局部结构不连续性的高敏感性而受到广泛关注。当这些不连续性（例如由缺陷引起）存在于传播路径上时，导波会因与缺陷的相互作用而发生特征性变化[1]、[10]。随后对这些变化后的波形进行解释，可以识别结构损伤。传统的导波检测技术主要利用线性波现象（如波散射[11]、[12]、[13]和波模式转换[14]、[15]、[16]）来检测缺陷。尽管许多研究证明了分析这些线性波现象的高潜力，但它们对小型、微妙或紧密封闭的缺陷的敏感性有限[17]、[18]、[19]、[20]。

作为一种替代方法，研究人员开发了利用非线性波/缺陷相互作用的非线性波分析工具。数值和实验研究表明，在足够高的激励下，缺陷界面能够由于局部拍动行为、摩擦作用和微观及介观尺度上的迟滞效应而引发非经典非线性现象[17]、[21]、[22]、[23]、[24]。这些非线性相互作用表现为在收集到的导波信号中产生更高阶谐波[21]、[22]、[23]、次谐波[25]和边带调制[24]、[26]、[27]。这些产生的非线性特征对早期接触型缺陷具有高敏感性，同时对环境条件（如温度和湿度波动）也表现出良好的鲁棒性[28]、[29]、[30]。此外，索洛多夫[31]、[32]证明这些在缺陷处产生的非线性波分量也会将其部分能量辐射到周围介质中。这种辐射现象被称为非线性空气耦合辐射（NACE），为远程检测和监测提供了一种有前景的方法，尤其是在难以直接接触结构的情况下。NACE通过空气耦合换能器的测量[31]和扫描激光多普勒振动仪（SLDV）[32]得到了实验验证。参考文献[33]中的研究人员对不同取向平面上的NACE声辐射模式进行了数值研究。然而，当前的数值和实验研究仅处理NACE场的2D投影，而没有提供其全面的3D表示。NACE场的3D表示不仅可以检测缺陷，还可以定位缺陷。此外，它还有助于更好地理解缺陷与导波的相互作用以及产生的非线性波分量如何将能量泄漏到周围空气中。

本文提出了一种框架，通过结合声光层析[34]、[35]、[36]和声全息[37]、[38]、[39]、[40]来可视化和量化完整的3D NACE场。在该框架中，SLDV用于探测样品上方的空气柱，而不是像传统方法那样扫描样品表面。这种在空气域中的测量避免了由于激光束从样品表面反射率低而导致的信号衰减（对于黑色CFRP来说尤其具有挑战性）。通过从多个角度扫描反射器上的预定义线条来捕获NACE场的一维扇形波束投影。这些1D投影随后利用层析原理生成空气中的非线性辐射场的二维截面表示。最后，将声全息术应用于二维层析重建结果，得到NACE场的三维体积表示。

本文的其余部分结构如下：第2节介绍用于收集数值和实验数据集的程序。第3节详细介绍了所提出的层析成像-全息重建方法的处理步骤。第4节展示了数值数据集和实验测量的结果，第5节给出了结论。

部分摘录

3D有限元模型

为了说明所提出的NACE场重建方法，使用商业软件Abaqus进行了3D有限元（FE）模拟。图1展示了由固体域和声学域组成的模拟模型的示意图。

固体域代表一块具有[(0/90)₂]_S层压结构的CFRP板，尺寸为600 × 600 × 2 mm³。模拟CFRP层的材料属性来自一项实验研究[41]，具体数据列在

层析-全息重建NACE场

所提出的层析成像-全息重建算法包括三个主要步骤（1D-2D-3D），如图3中的流程图所示。工作原理将在以下小节中结合数值生成的数据进行说明。

数值数据

首先使用第2.1节描述的3D FE模型，在数值生成的数据集上验证了所提出的层析成像-全息重建算法。

如3.1.2节所述，首先从$z_{\mathrm{meas}}=10mm$的测量高度，将模拟的声压场从全角度范围投影出来。然后使用第3.2节介绍的层析重建方法处理合成的1D扇形波束投影。在识别出二次谐波后

结论

开发了一种声光层析成像方法，用于定量可视化含有缺陷的板状样品的非线性空气耦合辐射（NACE）场。该方法首先使用扫描激光多普勒振动仪根据声光原理测量一组1D扇形波束投影。然后通过层析和全息重建程序将这些投影转换为完整的3D体积表示

CRediT作者贡献声明

马玉生：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、方法论、研究、形式分析、数据整理。塞德里克·德布谢雷：撰写——审阅与编辑。科恩·范登阿贝尔：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取。马蒂亚斯·克瑟曼斯：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、项目协调、方法论、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了中国国家留学基金委员会和根特大学的资助（项目编号：01SC0121），以及Fonds Wetenschappelijk Onderzoek FWO（资助编号：G0B1623N）的支持。