馬琦 胡文祥 徐琰鋒 王浩

(同濟(jì)大學(xué)聲學(xué)研究所,上海200092)

流體-鍍層基底界面波的傳播特性?

馬琦 胡文祥?徐琰鋒 王浩

(同濟(jì)大學(xué)聲學(xué)研究所,上海200092)

(2016年12月6日收到;2017年1月23日收到修改稿)

理論分析了脈沖激光激發(fā)的流體-分層固體結(jié)構(gòu)聲場(chǎng),在此基礎(chǔ)上數(shù)值計(jì)算了流體-慢層快底固體和流體-快層慢底固體結(jié)構(gòu)液-固界面Scholte波的頻散特性與瞬態(tài)響應(yīng).數(shù)值結(jié)果顯示,對(duì)于流體-慢層快底結(jié)構(gòu),Scholte界面波呈現(xiàn)出正常頻散特性;而對(duì)于流體-快層慢底結(jié)構(gòu),Scholte波在較小的頻厚積范圍呈反常頻散特性.理論瞬態(tài)信號(hào)也顯示了同樣的特性.采用脈沖激光激勵(lì),用水聽(tīng)器接收的方式進(jìn)行了Scholte界面波的實(shí)驗(yàn)測(cè)量.實(shí)驗(yàn)測(cè)量和分析結(jié)果與理論結(jié)果有很好的一致性.此工作可為水浸檢測(cè)條件下鍍層與薄膜材料參數(shù)的超聲無(wú)損表征、海底沉積物參數(shù)反演等應(yīng)用提供理論基礎(chǔ).

鍍層,液-固界面波,頻散特性,材料參數(shù)表征

1 引言

沿流-固界面?zhèn)鞑サ腟cholte界面波包含有固體介質(zhì)的信息,其速度與固體介質(zhì)的橫波聲速有極大的相關(guān)性,加上其在傳播過(guò)程中幾乎不衰減,比泄漏Rayleigh波更適于固體材料的表征.Glorieux等[1]采用激光激發(fā)界面波,利用得到的Scholte波的頻散,在基底和流體參數(shù)已知時(shí)反演得到鍍膜的厚度和縱橫波速度,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)玻璃基底上聚合物薄膜的表征.研究表明,在鍍層材料與流體相比是“軟”的且基底材料相對(duì)流體是“硬”的情況下,可以得到較好的反演結(jié)果.因?yàn)橹挥性谶@種情況下,Scholte界面波才有較為明顯的頻散,才便于材料參數(shù)的反演擬合.Dalen等[2]研究發(fā)現(xiàn),流-固界面波的阻抗和橢圓度與固體材料的楊氏模量和泊松比密切相關(guān),他們利用激光激發(fā)界面波,采用激光多普勒測(cè)振儀和針式水聽(tīng)器同時(shí)測(cè)量流-固界面波的法向質(zhì)點(diǎn)位移和聲壓,并通過(guò)提取界面波的阻抗和橢圓度對(duì)固體材料進(jìn)行了表征.

液-固界面Scholte波的頻散特征與海底介質(zhì)特性之間存在密切聯(lián)系,利用界面波的頻散特性反演海底沉積物參數(shù)(如切變模量、衰減)以及海底淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)在海洋聲學(xué)、海洋工程與海洋地球物理領(lǐng)域已有大量研究與應(yīng)用[3?6].海洋聲學(xué)應(yīng)用中低速軟質(zhì)沉積物是常見(jiàn)的,其參數(shù)表征與反演比較成功.但也有某些海底沉積條件Scholte波的頻散特性并未被清楚理解[6].因此,研究Scholte界面波的激發(fā)、傳播、檢測(cè)與應(yīng)用對(duì)于海洋工程與地球物理等領(lǐng)域中更好地利用界面波進(jìn)行水下調(diào)查、表征和反演水下介質(zhì)參數(shù)也是非常有價(jià)值的.超聲頻率下的液體-鍍層基底結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)室模型具有研究的便利性,其對(duì)液-固界面波研究的結(jié)果與結(jié)論完全可以用于海底Scholte波的分析與應(yīng)用.

對(duì)于流-固界面波的接收一般采用兩種方法:一是利用水聽(tīng)器接收流體中的聲壓響應(yīng),另一種是用地震檢波器接收固體表面的質(zhì)點(diǎn)速度.已有研究表明[7],對(duì)于界面波而言,用水聽(tīng)器在流體中測(cè)量的聲壓比用地震檢波器在流固界面測(cè)量的質(zhì)點(diǎn)速度更靈敏,而垂直施加于界面上的機(jī)械負(fù)載較之流體中的爆炸源能產(chǎn)生更大幅度的界面波.

流體-鍍層基底界面Scholte波傳播特性的研究也可為特別小頻厚積(層厚極小的鍍層/低頻)條件下Scholte波的更多應(yīng)用提供理論基礎(chǔ),如水浸檢測(cè)條件下鍍層材料的超聲無(wú)損表征問(wèn)題.這在許多情況下是非常有價(jià)值的.此外,通常認(rèn)為Scholte界面波不適合于硬表面層情況下的固體材料參數(shù)表征[1].本文對(duì)水-快層(硬表面層)慢基底結(jié)構(gòu)進(jìn)行的分析顯示,在小頻厚積(如極薄鍍層)條件下,Scholte波的頻散對(duì)鍍層參數(shù)(如厚度)是敏感的,其實(shí)非常適合薄鍍層材料參數(shù)的表征.

本文考慮脈沖激光對(duì)流體半空間-分層固體結(jié)構(gòu)流-固界面的激勵(lì),采用全局矩陣方法進(jìn)行了聲場(chǎng)的理論分析.數(shù)值計(jì)算和分析了慢層快基底與快層慢基底兩類(lèi)流體-鍍層基底界面Scholte波的頻散特性與瞬態(tài)響應(yīng),考察了鍍層厚度對(duì)Scholte界面波傳播特性的影響.利用脈沖激光激發(fā)、水聽(tīng)器接收的方式,激發(fā)和檢測(cè)流體鍍層基底結(jié)構(gòu)中傳播的Scholte波,實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好地驗(yàn)證了理論計(jì)算結(jié)果.

2 流體-分層固體界面脈沖激光激發(fā)聲場(chǎng)的理論分析

對(duì)于流體-分層固體結(jié)構(gòu),考慮平面應(yīng)變[8]情況,建立如圖1所示的坐標(biāo)系,z=0表示流體-固體的分界面,界面波沿x方向傳播.

第i層介質(zhì)中標(biāo)量和矢量位移勢(shì)函數(shù)的解可表示為:

式中,VLi,VSi分別表示第i層介質(zhì)的縱波和橫波速度,QLi,QSi分別表示第i層介質(zhì)縱波和橫波的機(jī)械Q值;(AL/S+)i和(AL/S?)i代表第i層介質(zhì)中沿正z和負(fù)z方向傳播的縱波/橫波分量的幅度(i=1,2,···,n).

圖1 流體-分層固體模型超聲激發(fā)與傳播示意圖Fig.1.ScheMatic diagraMof u ltrasonic excitation and p ropagation in layered Media w ith fluid-loading.

利用全局矩陣方法[9]描述聲波在層狀結(jié)構(gòu)中的傳播,并采用法向力源模擬脈沖激光[10]在流體-固體分層結(jié)構(gòu)分界面處聲波的激發(fā),得到描述聲波在分層結(jié)構(gòu)中傳播的聲波方程

其中,矩陣A表示每層介質(zhì)中縱波和橫波位移勢(shì)的幅度;矩陣D表示位移勢(shì)幅度的系數(shù)矩陣,下腳標(biāo)1,···,n代表不同的介質(zhì)層,t和b分別代表每一層的上表面和下表面,上腳標(biāo)“+”和“?”分別代表矩陣和聲波矢量中相應(yīng)于沿正z和負(fù)z方向傳播的部分;矩陣B描述聲源特性,對(duì)于圖1所示法向力源情況,B=[1,0,···,0];矩陣[S]為層狀結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的特征矩陣,令特征矩陣的行列式為零,

為液體-分層固體結(jié)構(gòu)的特征方程.(5)式為超越方程,利用局部峰搜索與精確求根相結(jié)合的方法[11]進(jìn)行數(shù)值求解,可以得到層狀結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的特征根.通過(guò)矩陣求逆,可以得到第i層介質(zhì)中聲壓或法向應(yīng)力在(kx,ω)域的表達(dá)式

對(duì)(6)式進(jìn)行兩次傅里葉逆變換,得到第i層介質(zhì)中聲壓(或應(yīng)力)在時(shí)間-空間域的表達(dá)式

3 液體-鍍層基底界面Scholte波傳播特性的數(shù)值計(jì)算與分析

鍍層-基底結(jié)構(gòu)根據(jù)兩者橫波速度之間的相對(duì)大小,可以分為慢層-快底和快層-慢底兩類(lèi).慢層-快底其鍍層的橫波速度比基底介質(zhì)的橫波速度小,而快層-慢底則相反.

表1 數(shù)值計(jì)算中使用的材料參數(shù)Tab le 1.Material paraMeters used in nuMerical calcu lation.

圖2 (網(wǎng)刊彩色)水-鍍層基底系統(tǒng)中Scholte界面波的頻散特性與脈沖激發(fā)的瞬態(tài)信號(hào)(a)兩類(lèi)水-鍍層基底界面波頻散特性;(b)計(jì)算所使用的激光脈沖;(c)鍍層與非鍍層時(shí)水-固體界面波瞬態(tài)信號(hào)Fig.2.(color on line)D ispersion characteristics of Scholte interface wave and transient signals generated by pulsed sou rce for fl uid-loading coating-substrate system:(a)D ispersion characteristics of Scholte waves at two kinds of fl uid-coated solid interfaces;(b)the laser pu lse used in calcu lation;(c)the transient signals at the interface of water-solid w ith and w ithou t coating.

首先對(duì)(5)式數(shù)值求根,計(jì)算Scholte界面波的頻散特性.圖2(a)展示了流體-鍍層基底界面Scholte波的頻散曲線.對(duì)于水-有機(jī)玻璃薄層-鋼基底結(jié)構(gòu),在小頻厚積時(shí)與水-鋼界面Scholte波速度重合,隨著頻厚積增大,Scholte波相速度單調(diào)減小,趨于水-有機(jī)玻璃界面Scholte波速度.這說(shuō)明鍍層的存在降低了界面波速度,此時(shí)的Scholte界面波與慢層-快底結(jié)構(gòu)中Rayleigh表面波的頻散性質(zhì)相似.同時(shí)其群速度總是小于相速度,為正常頻散.隨頻厚積的增大,群速度減小的變化存在極小值,最后增大也趨于水-有機(jī)玻璃界面Scholte波速度.對(duì)于水-薄鋼層-有機(jī)玻璃基底,即水-快層慢底的情形,在更小頻厚積范圍內(nèi)Scholte波的相速度從水-有機(jī)玻璃界面的Scholte波相速度開(kāi)始,隨著頻厚積的增大,迅速趨向于水-鋼界面Scholte波速度.顯然,該特征與界面波波長(zhǎng)相對(duì)于鍍層厚度的大小有關(guān).由于界面波的能量主要集中在界面附近1—2個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi),低頻時(shí)相速度受基底材料性質(zhì)控制,頻率變高時(shí)受鍍層材料性質(zhì)控制.群速度則隨頻厚積增大迅速增大,達(dá)到極大值,而后急劇減小趨于水-鋼Scholte波速度.該頻厚積范圍的Scholte界面波顯示為反常頻散.此外,這種結(jié)構(gòu)相速度與群速度在極小的頻厚積時(shí)有個(gè)極短的減小再增大的過(guò)程.

可以發(fā)現(xiàn),上述兩類(lèi)Scholte界面波的頻散對(duì)于鍍層厚度的變化非常敏感.尤其快層-慢底情形,選擇合適的頻率范圍,可以有效進(jìn)行表面鍍層層厚等參數(shù)的無(wú)損測(cè)量與表征.此外,海洋聲學(xué)領(lǐng)域的研究也表明,通過(guò)Scholte界面波反演表征海底表面低速沉積層的切變波速等參數(shù)已是較為成熟的技術(shù)[3?6].

對(duì)于Q開(kāi)關(guān)激光,其脈沖形狀可以表示為[12]

其中,τ為激光脈沖的上升時(shí)間,η為常數(shù),代表光吸收系數(shù).脈沖激光的上升時(shí)間是一個(gè)重要的參數(shù),它決定了激光激發(fā)源的帶寬,其上升時(shí)間越短,激發(fā)的帶寬越寬.圖2(b)給出了該信號(hào),脈沖的上升時(shí)間為0.25μs.

圖2(c)給出了水-鋼、水-薄鋼層-有機(jī)玻璃和水-有機(jī)玻璃、水-有機(jī)玻璃薄層-鋼結(jié)構(gòu)在(8)式所示脈沖激光源激勵(lì)下,在水中距離流-固分界面1 mm處(xr=50 mm)接收到的界面波的聲壓響應(yīng)(分別對(duì)應(yīng)a,b,c,d四條曲線,箭頭指示表面層固體材料中縱波頭波到達(dá)的時(shí)刻).為了便于比較,在數(shù)值計(jì)算時(shí)采用相同中心頻率的脈沖激光源激勵(lì),有機(jī)玻璃鍍層和鋼鍍層的厚度分別取為1.0和0.2 mm.曲線a和b中,箭頭指示的縱波頭波與速度較慢、幅度較大的Scholte波之間的信號(hào)為L(zhǎng)R波(Leaky Rayleigh波),而在曲線c中,兩者之間的信號(hào)為水中的直達(dá)波.由于水-鋼界面的Scholte波速度與水中縱波速度非常接近,因此曲線a中的Scholte波與曲線c中水中直達(dá)波的到時(shí)基本相同(如圖2(c)中tf所示).而在曲線b中水中直達(dá)波與Scholte波混疊在一起,在到時(shí)tf處可以看到水中直達(dá)波對(duì)Scholte波形狀的擾動(dòng),如圖2(c)中虛線框所示.與圖2(a)中的頻散曲線相對(duì)應(yīng),圖2(c)中曲線b所代表的水-薄鋼層-有機(jī)玻璃結(jié)構(gòu)Scholte波信號(hào)高頻成分速度快,而低頻成分速度慢.曲線d所代表的水-有機(jī)玻璃-鋼結(jié)構(gòu)Scholte波信號(hào)則相反,其低頻成分速度快,而高頻成分速度慢.同時(shí),與頻散特性對(duì)應(yīng),圖2(c)曲線b仿真信號(hào)中較高頻成分速度快于液體直達(dá)波,而曲線d仿真信號(hào)中各頻率成分聲速均低于液體直達(dá)波.

顯然,表面薄層的性質(zhì)對(duì)液-固界面波的傳播有明顯影響,這種影響在小頻厚積條件下尤為顯著.因此,Scholte界面波是鍍層材料參數(shù)表征的有效手段.圖3顯示了脈沖激光源激勵(lì)時(shí),水-慢層快底和水-快層慢底結(jié)構(gòu)在水中距離流-固界面1mm處(xr=50 mm)接收到的界面波聲壓響應(yīng)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果.圖3(a)中從上到下四條波形分別對(duì)應(yīng)有機(jī)玻璃層的厚度1 mm,0.5 mm,0.2 mm和0,圖3(b)中從上到下四條波形分別對(duì)應(yīng)鋼層的厚度200μm,100μm,40μm和0.對(duì)于水-慢層快底結(jié)構(gòu)中的Scholte波,隨著鍍層厚度變薄,波形出現(xiàn)兩個(gè)顯著的變化特征.第一個(gè)特征是隨著有機(jī)玻璃層厚度變薄,界面波的高頻振蕩成分呈增大趨勢(shì),且持續(xù)時(shí)間逐漸變短,直到鍍層厚度為0時(shí)消失,顯示了不同鍍層厚度對(duì)Scholte界面波的頻率選擇性與致導(dǎo)作用.鍍層越薄,導(dǎo)波中的高頻成分越明顯.第二個(gè)特征是隨有機(jī)玻璃層厚度變薄,界面波速度逐漸增大.顯示了鍍層的存在使界面波速度發(fā)生變化.顯然,鍍層越薄,界面波速度受基底速度影響越大,也越趨于水-鋼界面Scholte波速度.

對(duì)于水-快層慢底結(jié)構(gòu),圖3(b)中的Scholte界面波隨著鍍層厚度的變薄,速度較快、到時(shí)較早的高頻成分迅速減弱,同時(shí)速度低于水-有機(jī)玻璃界面Scholte波的信號(hào)成分也迅速消失,最終在鍍層厚度趨于0時(shí),Scholte波速度趨于水-有機(jī)玻璃界面Scholte波速度.顯然,這種情形下鍍層引起的高頻特征振蕩僅在很小的頻厚積范圍內(nèi)出現(xiàn).

圖3 鍍層厚度對(duì)水-鍍層基底結(jié)構(gòu)界面波響應(yīng)特性的影響(a)水-有機(jī)玻璃-鋼(慢層-快底)結(jié)構(gòu);(b)水-鋼-有機(jī)玻璃(快層-慢底)結(jié)構(gòu)Fig.3.The transient signals for d iff erent coating thickness of fl uid-load ing coated solid structure:(a)W aterp lexiglass-steel(slow coating on fast substrate)structure;(b)water-steel-p lexiglass(fast coating on slow substrate)structu re.

4 水-鍍層基底界面Scholte波激發(fā)與傳播的實(shí)驗(yàn)測(cè)量

4.1 測(cè)量裝置

水-分層固體結(jié)構(gòu)Scholte界面波激發(fā)與傳播實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖4所示.Nd:YAG激光器(Brilliant)發(fā)射出的激光脈沖(532 nm,4 ns,185MJ)經(jīng)柱透鏡聚焦,透過(guò)玻璃容器壁和水在鍍層-基底試樣表面聚焦成6 mm長(zhǎng)的燒蝕激勵(lì)線源.試樣豎直放置,浸沒(méi)在水中.實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)固定激勵(lì)線源的位置不變,移動(dòng)針式水聽(tīng)器(Onda,HNP-0400)接收離激發(fā)點(diǎn)不同距離處的聲壓響應(yīng),水聽(tīng)器離流-固界面的距離為1mm,水聽(tīng)器的移動(dòng)通過(guò)計(jì)算機(jī)控制的平移臺(tái)(Newport,MM4006,最小步長(zhǎng)為0.5μm)實(shí)現(xiàn).從水聽(tīng)器接收的聲壓信號(hào),經(jīng)前置放大器(O lyMpus,5660C)放大后由數(shù)字示波器(Tektronix,TDS3032)采集,并存入計(jì)算機(jī),示波器信號(hào)采集的時(shí)間采樣率為50 MHz,采樣長(zhǎng)度為200μs.實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)為了提高信噪比每個(gè)采樣點(diǎn)信號(hào)平均8次,平移臺(tái)沿一個(gè)方向連續(xù)移動(dòng),移動(dòng)的步長(zhǎng)為0.2mm.

圖4 水-鍍層基底界面Scholte波的實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置示意圖Fig.4.ScheMatic diagraMof u ltrasonic testing systeMfor Scholte wave generation and p ropagation at water-coated solid interface.

4.2 測(cè)量結(jié)果與分析

共制作了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品,有機(jī)玻璃-玻璃粘接試樣(慢層-快基底),不銹鋼-有機(jī)玻璃粘接試樣(快層-慢基底).其中有機(jī)玻璃和不銹鋼薄層厚度分別為1和0.3mm,基底厚度為20mm,試樣的尺寸均為150 mm×150 mm(長(zhǎng)×寬).由于有機(jī)玻璃是透光介質(zhì),為在液-固界面有效激發(fā)超聲,避免激光在其表面激勵(lì)時(shí)發(fā)生透射,在激光激發(fā)點(diǎn)處粘貼了一塊3 mm×10 mm×0.1 mm(長(zhǎng)×寬×厚)大小的不銹鋼薄片.

圖5(a)和圖5(c)分別給出了水-有機(jī)玻璃層-玻璃(水-慢層快底)和水-鋼層-有機(jī)玻璃(水-快層慢底)界面的Scholte波實(shí)驗(yàn)測(cè)量信號(hào).圖5(b)和圖5(d)分別給出了兩種試樣條件下采用通常二維譜技術(shù)[13]計(jì)算的相速度譜,圖中顏色越深表示該信號(hào)成分的能量越大.

圖5(網(wǎng)刊彩色)水-鍍層基底界面波實(shí)驗(yàn)測(cè)量信號(hào)及其頻散分析結(jié)果與理論結(jié)果的比較(a)水-慢層快底界面Scholte波測(cè)量信號(hào);(b)圖(a)實(shí)驗(yàn)測(cè)試相速度譜及與理論結(jié)果的比較;(c)水-快層慢底界面Scholte波測(cè)量信號(hào);(d)圖(c)實(shí)驗(yàn)測(cè)試相速度譜與理論結(jié)果的比較Fig.5.(color on line)The experiMentalMeasu ring signals and its phase velocity spectruMcoMparing w ith theoretical dispersive cu rves for water-coated solid interface waves:(a)ExperiMentalMeasuring signals at the interface ofwater-slow coating on fast substrate;(b)the phase velocity spectruMof experiMental signals and its coMparison w ith theoretical phase velocity cu rve in Fig.(a);(c)experiMentalMeasuring signals at the interface ofwater-fast coating on slow substrate;(d)the phase velocity spectruMof experiMental signals in Fig.(c)and its coMparison w ith theoretical phase velocity cu rve.

圖5 (a)中實(shí)線、間斷線和點(diǎn)線分別標(biāo)識(shí)了在水-慢層快底結(jié)構(gòu)中傳播的頭波、水中直達(dá)波和Scholte界面波信號(hào).Scholte界面波的低頻成分速度較快、先于高頻成分到達(dá),高頻成分較弱,且衰減較大.圖5(b)中虛線代表理論相速度頻散曲線,顯示的Scholte界面波相速度頻散的理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很好的一致性.圖5(c)中間斷線和點(diǎn)線分別標(biāo)識(shí)了在水-快層慢底結(jié)構(gòu)中傳播的水中直達(dá)波和Scholte界面波的低頻信號(hào)成分,水中直達(dá)波兩側(cè)為Scholte界面波的高頻成分.圖5(d)中理論與實(shí)驗(yàn)測(cè)量Scholte界面波的相速度曲線同樣具有很好的一致性.這些結(jié)果表明脈沖激光激勵(lì)所產(chǎn)生的兩類(lèi)液-固界面Scholte波瞬態(tài)信號(hào)的實(shí)驗(yàn)激發(fā)與測(cè)試結(jié)果,以及相應(yīng)的頻散分析結(jié)果與理論結(jié)果相符，從而證實(shí)了理論分析的正確性.

5 結(jié)論

本文采用等效力源與全局矩陣分析方法理論導(dǎo)出了脈沖激光在液-固界面激發(fā)的液體-分層固體介質(zhì)的聲場(chǎng).在此基礎(chǔ)上分別計(jì)算分析了水-慢鍍層快基底與水-快鍍層慢基底兩類(lèi)結(jié)構(gòu)Scholte界面波頻散特性,并且計(jì)算了脈沖激發(fā)的瞬態(tài)信號(hào).分析結(jié)果表明,這兩類(lèi)界面波在小頻厚積條件下分別呈現(xiàn)正常頻散與反常頻散特性;鍍層厚度對(duì)Scholte界面波有明顯的頻率選擇性和致導(dǎo)作用;鍍層參數(shù)可以明顯影響Scholte界面波的特性.因此,Scholte界面波可作為一種有效的鍍層參數(shù)表征手段.

進(jìn)一步通過(guò)脈沖激光激勵(lì)、水聽(tīng)器掃描接收的方式進(jìn)行了兩類(lèi)結(jié)構(gòu)試樣的實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析.實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好地驗(yàn)證了理論分析結(jié)果.這些結(jié)果可為水浸檢測(cè)條件下鍍層與薄膜材料參數(shù)的超聲無(wú)損表征、海底沉積物參數(shù)反演等應(yīng)用提供理論基礎(chǔ).

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(Received 6 DeceMber 2016;revised Manuscrip t received 23 January 2017)

PACS:43.35.+d,68.08.–p,68.60.BsDOI:10.7498/aps.66.084302

*Pro ject supported by the National Natural Science Foundation of China(G rant No.11374230).

?Corresponding au thor.E-Mail:w xhu@tong ji.edu.cn

?2017中國(guó)物理學(xué)會(huì)C h inese P hysica l Society

http://w u lixb.iphy.ac.cn

P ropagation p roperties of in terface w aves at fl u id-coated solid interface?

Ma Qi Hu Wen-Xiang?Xu Yan-Feng Wang Hao

(Institute of Acoustics,Tongji University,Shanghai 200092,China)

The interfacewavesp ropagating along liquid-solid interfacearew idely studied and used in a lot of fields,especially in ocean acoustics,ocean engineering,and ocean geophysics.The dispersion characteristicsof this kind of interfacewave are closely related to the seafloormediuMparameters,which is an eff ectivemeans for the inversion of the seafloor sediments.However,the interface wave is diffi cu lt to use for u ltrasonic nondestructivematerial characterization,especially for stiff and dense solid Materials,ow ing to theMode shape or wave structure of the liquid-solid interface waves.

The fraction of the total wave energy that travels in the fl uid coMpared w ith the solid depends on the properties of the solid Material.Usually,for a stiff and dense solid coMpared w ith the fluid,Most of the energy travels in the fl uid,while for a soft solid More energy travels in the solid.Therefore,it is diffi cult to use this kind interfacewave for stiff solid Material characterization.However,in the case of liquid-coated solid interface,the behaviors and p roperties of interface waves are quite diff erent.

In this paper,we use pu lsed laser to generate the interfacewaves at thewater-coated solid interfaces.The theoretical analysis of the laser-induced excitation of acoustic waves propagating along a p lane interface between liquid and layered elastic solid is perforeMd fi rst.The general solution for the interfaceMotion is derived.The analytic expression of the transient response is then obtained.Based on this exp ression,the dispersion characteristics of the interfacewaves,which propagate along the fluid-coated solid interface for the cases of slow coating on fast substrate and fast coating on slow substrate,are calculated and analyzed.The transient response signals are further calculated.In the case of slow coating on fast substrate,the interface wave show s an evident dispersion,in which its phase velocity is larger than its group velocity.In the case of fast coating on slow substrate,the interface wave also show s a reMarkable dispersion w ithin a sMaller frequency-thickness product range,in which its phase velocity is less than its group velocity.The theoretical transient signals show the saMe properties.

In order to verify the theoretical resu lts,an experiMental systeMis set up,and the interfacewaves are generated and Measured.The experiMental systeMMainly consists of pu lsed laser,hydrophone,oscilloscope,and Movable translation stage.The pulsed laser is used to excite the interface waves,and the hyd rophonemounted on themovable translation stage is p laced near the interface to receive the signals.Two kinds of saMp les of slow coating on fast substrate and fast coating on slow substrate aremade and measured.The recorded testing signals are then processed and analyzed.

The theoretical resu ltsand theexperimentalonesare in good agreement.The research resultsp resented in thispaper can p rovide theoretical basis for ultrasonic nondestructive characterization of coating and fi lMmaterial in immersion testingmode,and also for seafl oor sediment parameter inversion.

coating,liquid-solid interface wave,dispersion properties,materials parameters characterization

10.7498/aps.66.084302

?國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):11374230)資助的課題.

?通信作者.E-Mail:w xhu@tong ji.edu.cn

?2017中國(guó)物理學(xué)會(huì)C h inese P hysica l Society

http://w u lixb.iphy.ac.cn