CN104858122B - 弹性波模式分离方法及弹性波模式分离系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种弹性波的模式分离方法，所述弹性波包括剪切波和压缩波两种模式，该方法包括以下步骤：提供一自然状态的新虎克材料，且该新虎克材料具有一第一表面以及与该第一表面相对且平行的第二表面；使该新虎克材料产生变形，并且所述变形是使所述第一表面和所述第二表面在与所述第一表面平行的方向上产生相对位移而形成的简单剪切变形或近似简单剪切变形；以及使所述弹性波从所述第一表面入射并从所述第二表面出射，在该第二表面的不同位置即可接收到分离后的剪切波和压缩波。该弹性波的模式分离方法简单且可实现剪切波和压缩波的无损分离。本发明还涉及一种采用上述方法的弹性波模式分离系统。
Description
技术领域
本发明涉及弹性波处理技术领域，尤其，涉及一种弹性波模式分离方法,及弹性波模式分离系统。
背景技术
作为一种能量与信息在弹性介质中的传递过程，弹性波(elastic wave)在地震监测、无损检测、电信、冶金，以及生物医学成像等诸多领域被广泛地应用。一般来说，在弹性介质中传播的弹性波具有两种传播模式，分别被称为剪切波(简称S波)和压缩波(简称P波)。这两种传播模式在特定的工程应用中通常具有不同的功能。例如，在剪切波超声弹性成像技术中，S波被用作一种外加激励，而P波则作为一种探测手段，被用来测量S波所产生的局部变形。此外，在地震勘测中，地震回波中的P波和S波成分也通常携带着不同的地震信息。虽然P波和S波在时域上彼此独立，但在空间上却通常是耦合在一起的。在很多领域中，单纯的传播模式(P波或S波)对相关工程问题的研究和工业技术的发展具有重要意义，因而具有很大的技术需求。然而，目前尚无有效的物理机制，能够将这两种传播模式在空间上进行无损的分离。
发明内容
基于以上问题，本发明提出了一种可调、宽带的弹性波模式分离方法及弹性波模式分离系统，可以实现P波和S波的无损分离。
本发明人经过研究发现，利用新虎克材料(neo-Hookean solid)可以控制S波，使其传播路径随着材料变形而产生相应的改变。而在该相同的材料中，P波的传播路径与S波不同。利用这一区别，即可实现弹性波P波和S波两种传播模式的分离。
基于此，本发明提出一种P波和S波的模式分离器，包括新虎克材料，以及用于使所述新虎克材料产生有限变形(finite deformation)的装置，所述有限变形是简单剪切(simple shear)变形或近似简单剪切变形。本发明中的近似简单剪切变形，指的是如后续实施例3中的仅对新虎克材料两侧面施加剪切力得到的材料变形状态。由于边界效应，此时材料内部的剪切变形状态是近似的。
上述产生简单剪切变形或近似简单剪切变形的方式可以是在不影响弹性波入射和出射的前提下本领域公知的任何方法，比如对新虎克材料进行机械加载，或者比如在材料中掺入磁性颗粒，利用外加磁场加载等。
在本发明中，新虎克材料指的是本领域公知的符合新虎克应变能函数的材料。在本发明中，新虎克材料可以是近似不可压缩的，也可以是可压缩的，举例包括天然及人造橡胶材料，包括工程上常用的聚氨酯橡胶(如：PSM-4)或硅橡胶(如：PDMS)等交联聚合物材料。
本发明提供一种弹性波的模式分离方法，所述弹性波包括剪切波和压缩波两种模式，该方法包括以下步骤：提供一自然状态的新虎克材料，且该新虎克材料具有一第一表面以及与该第一表面相对且平行的第二表面；使该新虎克材料产生变形，并且所述变形是使所述第一表面和所述第二表面在与所述第一表面平行的方向上产生相对位移而形成的简单剪切变形或近似简单剪切变形；以及使所述弹性波从所述第一表面入射并从所述第二表面出射，在该第二表面的不同位置即可接收到分离后的剪切波和压缩波。
进一步，上述方法中，所述弹性波沿着垂直于所述第一表面的方向入射。
进一步，上述方法中，所述新虎克材料是橡胶。
进一步，上述方法中，所述新虎克材料是可压缩的。
进一步，上述方法中，所述新虎克材料是不可压缩的。
进一步，上述方法中，还包括通过调节所述相对位移的大小，调整接收到剪切波和压缩波之间的距离。
进一步，上述方法中，还包括通过一弹性波接收装置从第二表面接收分离后的剪切波或压缩波。
进一步，上述方法中，所述弹性波接收装置是弹性波波导。
进一步，上述方法中，所述弹性波接收装置是波收集装置。
进一步，上述方法中，所述弹性波接收装置是信号分析系统。
进一步，上述方法中，所述信号分析系统包括一位移传感器。
本发明还提供一种弹性波的模式分离系统，所述弹性波包括剪切波和压缩波两种模式，所述系统包括：一弹性波导入装置以及一弹性波模式分离器，其中，所述弹性波模式分离器包括：一新虎克材料，新虎克材料具有一第一表面以及与该第一表面相对且平行的第二表面；以及一用于使所述新虎克材料产生变形的变形加载装置，并且所述变形是使所述第一表面和所述第二表面在与所述第一表面平行的方向上产生相对位移而形成的简单剪切变形或近似简单剪切变形。
进一步，上述系统中，所述新虎克材料是橡胶。
进一步，上述系统中，所述新虎克材料是可压缩的。
进一步，上述系统中，所述新虎克材料是不可压缩的。
进一步，上述系统中，所述变形加载装置对所述变形的剪切角是可调的。
进一步，上述系统中，所述系统还包括一个剪切波接收装置。
进一步，上述系统中，所述系统还包括一个压缩波接收装置。
进一步，上述系统中，所述剪切波接收装置或压缩波接收装置是弹性波波导。
进一步，上述系统中，所述剪切波接收装置或压缩波接收装置是波收集装置。
进一步，上述系统中，所述剪切波接收装置或压缩波接收装置是信号分析装置。
进一步，上述系统中，所述信号分析装置是位移传感器。
附图说明
图1为本发明弹性波模式分离器的结构示意图。
图2为新虎克材料在均匀体载荷(a)以及边界载荷(b)作用下的材料坐标线分布图。
图3-6为本发明提供的弹性波模式分离器的不同结构示意图。
图7为近似不可压缩(a-c)以及可压缩(d-f)新虎克材料受均匀体位移载荷构成的弹性波模式分离器的分波效果。
图8为本发明P波与S波折射角与新虎克材料的材料参数η的关系。
图9为近似不可压缩(a-c)以及可压缩(d-f)新虎克材料受边界位移载荷构成的弹性波模式分离器的分波效果。
主要元件符号说明
新虎克材料 1
初始构型 11
变形构型 12
磁性微粒 13
弹性波 21
P波 22
S波 23
第一表面 31
第二表面 32
竖直线段 33
弹性波入射端 31a
弹性波出射端 32a，32b
磁极阵列 4
磁场 41
边框 5
开口 51,52,71,72
转轴 501
夹具 61,62
刚性平板 7
如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例，对本发明提供的种弹性波模式分方法和弹性波模式分离系统作进一步的详细说明。
本发明提供的弹性波模式分离系统包括：一弹性波导入装置(图未示)以及一与该弹性波导入装置连接的弹性波模式分离器。所述弹性波导入装置用于向该弹性波模式分离器导入弹性波，其可以为弹性波波导等。所述弹性波模式分离器用于使该导入的弹性波的P波和S波分离。
进一步，所述弹性波模式分离系统还可以包括一与该弹性波模式分离器连接的弹性波接收装置。所述弹性波接收装置用于对单一模式的弹性波进行信号，P波或S波，进行分析或进一步应用。所述弹性波接收装置包括位移传感器、弹性波波导或弹性波收集装置等中的一种或多种。根据分离后的弹性波模式，所述弹性波接收装置可以为P波接收装置或S波接收装置。可以理解，所述弹性波接收装置为一可选结构。
如图1所示，弹性波模式分离器包括新虎克材料1和变形加载装置(未示出)。利用该变形加载装置可以使该新虎克材料1产生简单剪切变形。通过该有限变形，该新虎克材料1由初始构型11变形为当前的变形构型12。当通过所述弹性波导入装置将包括P波和S波成分的混合模式弹性波21从该变形后的新虎克材料1的第一表面31的弹性波入射端31a入射，即可从与该第一表面31相对的第二表面32的不同位置的弹性波出射端32a和32b获得具有单一模式的P波22和S波23。优选地，所述弹性波21沿着垂直于所述第一表面31的方向入射。本发明定义该第一表面31为入射表面，第二表面32为出射表面。可以理解，所述弹性波导入装置与该入射表面连接，所述弹性波接收装置与该出射表面连接。
在材料选择方面，所述新虎克材料1为本领域常见的一类超弹性(hyperelastic)材料，该类材料的应变能函数W应满足新虎克模型，即具有如下形式：
其中λ和μ分别为材料的初始拉梅常数，而J＝det(F)为材料的体积比率、I1＝tr(B)为材料变形的右柯西格林张量B＝FT·F的第一不变量，其中F为有限变形的变形梯度张量。这里需要指出，对新虎克材料1应变能函数的描述不仅仅局限于(1)式的形式，对于其他新虎克材料1的应变能函数形式，如等，同样可以用于实现弹性波模式分离器。作为弹性波模式分离器的备选材料，该新虎克材料1可以为可压缩的或近似不可压缩的。示例性地，该新虎克材料1可举例为天然及人造橡胶材料，包括工程上常用的聚氨酯橡胶(如：PSM-4)或硅橡胶(如：PDMS)等交联聚合物材料。
本发明所描述的简单剪切变形(也称为“单剪变形”)是力学领域常见的一种变形状态。例如，在平面应变问题中，受到简单剪切变形的物体，其变形梯度张量F具有如下形式：
F11＝F22＝1,F12＝0,F21＝tanγ, (2)
其中γ为剪切角。本发明中的近似简单剪切变形，指的是如后续实施例3中的仅对该新虎克材料1的第一表面31和第二表面32两个侧面施加剪切力得到的材料变形状态。由于边界效应，此时材料内部的剪切变形状态是近似的。产生简单剪切变形或近似简单剪切变形的方式可以是本领域公知的任何方法，如向该新虎克材料1机械加载，或者在该新虎克材料1中掺入磁性微粒，再向该新虎克材料1施加利用外加磁场加载。相应地，载荷施加的位置也可以随意选择，比如图2a和图2b分别给出了对新虎克材料1整体施加均布体位移载荷后，以及将新虎克材料1的第一表面31固定，在其相对的第二表面32施加边界位移载荷后的材料坐标线分布图。可见，图2a中的坐标网格形状均匀，表示材料内部呈现均匀的简单剪切变形状态。而图2b中的坐标网格形状较不均匀，表示材料内部应力应变分布不均匀，但可看作近似的简单剪切变形状态。通过下文一系列实施例可以证明，图2中给出的两种加载方式及相应的变形状态，均可用于实现弹性波21的模式分离；在不影响弹性波输入与输出的前提下，加载装置的设置方式、载荷施加位置等均可随意选择。
对于产生简单剪切变形或近似简单剪切变形的方式，一种实施方式为在新虎克材料1中掺入磁性微粒，利用特定分布方式的外加磁场对磁性颗粒的驱动作用使材料发生如图3所示的简单剪切变形，具体来讲，在方形新虎克材料1中掺入磁性微粒13。在该新虎克材料1的上下两侧布置磁极阵列4，且该新虎克材料1与该磁极阵列4间隔适当距离设置。通过该磁极阵列4产生的磁场41对该新虎克材料1中磁性微粒13的吸引作用，从而使该新虎克材料1在平行于该第一表面31的方向受到一剪切力并由初始构型11变形为变形构型12。
或者对该新虎克材料1进行机械加载产生简单剪切变形或近似简单剪切变形。具体来讲，如图4所示，将边框5分别设置于方形新虎克材料1的四个侧边且与该新虎克材料1的四个侧面接触设置。该四个边框5的交叉处通过转轴501固定，从而使得该四个边框5可以绕该转轴501转动，使得四个边框5呈菱形，从而实现该方形新虎克材料1的简单剪切变形；该方式的实施中，需要注意在边框5上留出开口51和52，使该第一表面31至少部分通过该开口51和52暴露，从而使得所述弹性波导入装置可以直接将弹性波21导入到该第一表面31上，以保证弹性波的输入和输出不受影响。此外，作为另一实施方式，如图5所示，可以将新虎克材料1的除该第一表面31和第二表面32之外的至少两个彼此相对的侧面用两套夹具61和62固定，一套设置于靠近该第一表面31的位置，而另一套设置于靠近该第二表面32的位置，使该两套夹具产生与该第一表面31平行方向上的相对位移，即可实现近似简单剪切变形；此外，如图6所示，还可以将该第一表面31和第二表面32两个侧面分别粘接于两个平行间隔设置的刚性平板7上，使该两个刚性平板发生沿与该第一表面31平行方向上的相对错动，同样可以得到近似简单剪切变形，该方式的实施中，需要注意在刚性平板7上留出开口71和72，以保证弹性波的输入和输出不受影响。
这里还需要指出，本发明中所涉及的弹性波模式分离器，进一步优选能够通过改变简单剪切变形的剪切角γ，对P波和S波的分离距离进行调节，因此，优选所述变形加载装置具有可调节(tunable)的特性，且通过该变形加载装置可以调节该新虎克材料1的简单剪切变形的剪切角γ。此外,为了提高从弹性波导入装置到弹性波模式分离器的传输效率，优选使弹性波沿着垂直于所述第一表面31的方向入射到该新虎克材料1中。同时，该新虎克材料1结构均匀，不含任何与弹性波波长尺度相同或近似的微观结构，因此不会产生任何弹性波色散(dispersion)效应，也就是说，该弹性波分离装置是宽频带(broadband)的。同时，该弹性波模式分离方法中未利用任何弹性波模式转换(mode conversion)或反射、吸收原理，因此在这一层面上，本发明所涉及的弹性波模式分离器是无能量损耗的(energylossless)。
下面将给出本发明中所包含的弹性波模式分离装置及其制造方法的一系列实施方案。
实施例1
作为本发明的一个实施例，新虎克材料1选取为近似不可压缩的，并且令材料在体位移载荷作用下产生均匀简单剪切变形。为此，在平面应变情况下，在具有12cm×12cm正方形截面的新虎克材料PSM-4(材料参数λ＝2GP，aμ＝1.08MPa及初始状态下的体密度ρ＝1050Kg/m3)上施加体位移载荷Uy＝-(x-0.6)/30m(单位：m,即在新虎克材料1的相应坐标x的所有点施加相应的位移载荷Uy)，使材料产生均匀的简单剪切变形，对应的变形梯度张量如(2)式，并且tanγ＝1/3。如图7a所示，材料的随体坐标线分布均匀。同时计算可得材料的米塞斯应力(von-Mises stress)为6.35×105N/m2，表明在该载荷形式下，材料呈现均匀的简单剪切变形状态。在材料的该有限变形构型上，在左侧由下至上4cm处施加弹性波激励，该激励为包括P波和S波成分的混合弹性波，其中P波和S波的位移幅值均为uy＝aexp(-r2/w2)m，其中a＝1×10-3m、w＝0.025m。P波和S波的角频率分别为ω＝0.3MHz以及ω＝12.9MHz。为了区分位移场中的P波和S波成分，我们取位移场的散度SD＝ux,x+uy,y和旋度SC＝ux,y-uy,x来分别表示P波和S波的空间分布。同时，为了便于对比，对该散度和旋度进行归一化处理，得到了表征P波和S波强度空间分布的归一化参数，分别为NP＝abs(SD)/max(SD)和NS＝abs(SC)/max(SC)。图7a中给出了弹性波在弹性波模式分离器中传播过程中NP和NS的空间分布。可见，在弹性波由左向右的传播过程中，其P波成分和S波成分实现了有效分离。图7b中给出了新虎克材料1的第二表面32向右一段距离的竖直线段33(如图7所示)上NP和NS的空间分布。同时，为了便于对比，对于弹性波(参数同上)在未变形新虎克材料PSM-4(材料参数同上)中传播时的NP和NS进行了计算，并将相对应的竖直线段33处的NP和NS显示于图7c中。可见，对于发生简单剪切变形的构型(图7b)，NP和NS分布区别明显，表示弹性波成功地被分离开；而在未发生变形的构型下(图7c)，NP和NS分布集中于同一位置，表示弹性波未发生分离。更重要的是，对比图7b与图7c，NP和NS空间分布的幅值几乎相同，体现了本发明提出的模式分离装置是无损的。
实施例2
作为本发明的另一实施例，新虎克材料1选取为可压缩的，并且令材料在体位移载荷作用下产生均匀简单剪切变形。为此，新虎克材料1的材料参数选择为λ＝4.32MPa，μ＝1.08MPa及ρ＝1050Kg/m3。弹性波激励施加的位置，以及相应的位移幅值与实施例1相同，但此例中P波和S波的角频率被设定为均为ω＝0.3MHz。该装置的分波效果与上一个实施例类似，如图7d所示。同样，该例中的竖直线段33处的NP和NS的空间分布如图7e所示。与上例不同的是，除了S波的传播路径发生改变之外，P波的传播路径也发生了微小的改变，尽管如此，分波效果依然显而易见。通过与未变形新虎克材料1所对应的竖直线段33处的NP和NS(图7f)进行对比，同样可以证明该弹性波模式分离装置是无损的。
在以上两个实施例中，由于简单剪切变形是均匀的，P波和S波在新虎克材料中的传播路径均为直线。因此，可以用第一表面31处的折射角θP和θS(如图2a所示)表示两种波的传播路径。理论分析表明，在受均匀简单剪切变形的新虎克材料1中传播的弹性波，P波和S波的折射角分别为：
θS＝γ,
其中η＝μ/(λ+2μ)。可见，S波的折射角始终与剪切角γ相同，表示S波的传播路径会随材料变形而改变。但P波的折射角与材料参数相关：当材料为近似不可压缩时(对应于实施例1)，有θP≈0；而当材料为可压缩时，有0＜θP＜θS。对于工程上常用的伸长率可以超过100％的软材料，η的取值范围大致在η∈(0,0.4)。在η的该取值范围内，简单剪切变形(tanγ＝1/3)情况下，弹性波的折射角θP和θS的变化规律如图8所示。可见，θS为恒定的18.4°，而θP为从0°到7.6°的近似线性分布。θP和θS之间的差距保证了弹性波模式分离装置中P波和S波路径的分离，从而保证了分波效果。对于以上理论结果，我们采用了一系列数值实验进行实验验证，如图8所示，数值实验中得到的折射角θP和θS与理论预测完全吻合。
实施例3
作为本发明的另一实施例，新虎克材料1选取为近似不可压缩的，同时令材料在边界位移载荷作用下产生类似图2b的近似简单剪切变形。为此，在平面应变情况下，将具有12cm×12cm正方形截面的新虎克材料PSM-4(材料参数同上)的第一表面31固定，在第二表面32上施加位移载荷Uy＝4cm，使新虎克材料1产生近似简单剪切变形，变形梯度张量近似如(2)式，并且tanγ＝1/3。该实施例的其他实验参数及表征方法均与实施例1相同。实验结果如图9a-c所示。可见，近似简单剪切变形使新虎克材料1中传播的P波和S波沿曲线传播，如图9a所示。但装置的分波效果与实施例1相同，如图9b和9c所示。
实施例4
作为本发明的另一实施例，新虎克材料1选取为可压缩的，同时令材料在边界位移载荷作用下产生类似图2b的非均匀简单剪切变形。为此，新虎克材料1的材料参数选取与实施例2相同，同时该实施例的其他参数及表征方法均与实施例3相同。实验结果如图9d-f所示。与前述各实施例相同，P波和S波的分离效果明显可见。
以上已经给出了本发明的多个实施方式，可以理解的是，在不偏离本公开内容精神以及范围的情况下，可以做出各种变化、替换、以及改变，这些实施方式也在本发明的保护范围内。
Claims (22)
1.一种弹性波的模式分离方法，所述弹性波包括剪切波和压缩波两种模式，该方法包括以下步骤：
提供一自然状态的新虎克材料，且该新虎克材料具有一第一表面以及与该第一表面相对且平行的第二表面；
使该新虎克材料产生变形，并且所述变形是使所述第一表面和所述第二表面在与所述第一表面平行的方向上产生相对位移而形成的简单剪切变形或近似简单剪切变形；以及
使所述弹性波从所述第一表面入射并从所述第二表面出射，在该第二表面的不同位置即可接收到分离后的剪切波和压缩波。
2.根据权利要求1的弹性波的模式分离方法，其特征在于，所述弹性波沿着垂直于所述第一表面的方向入射。
3.根据权利要求1的弹性波的模式分离方法，其特征在于，所述新虎克材料是橡胶。
4.根据权利要求1的弹性波的模式分离方法，其特征在于，进一步包括通过调节所述相对位移的大小，调整接收到剪切波和压缩波之间的距离。
5.根据权利要求1的弹性波的模式分离方法，其特征在于，进一步包括通过一弹性波接收装置从第二表面接收分离后的剪切波或压缩波。
6.根据权利要求5的弹性波的模式分离方法，其特征在于，所述弹性波接收装置是弹性波波导。
7.根据权利要求5的弹性波的模式分离方法，其特征在于，所述弹性波接收装置是波收集装置。
8.根据权利要求5的弹性波的模式分离方法，其特征在于，所述弹性波接收装置是信号分析系统。
9.根据权利要求8的弹性波的模式分离方法，其特征在于，所述信号分析系统包括一位移传感器。
10.根据权利要求1的弹性波的模式分离方法，其特征在于，所述新虎克材料是可压缩的。
11.根据权利要求1的弹性波的模式分离方法，其特征在于，所述新虎克材料是不可压缩的。
12.一种弹性波的模式分离系统，所述弹性波包括剪切波和压缩波两种模式，所述系统包括：一弹性波导入装置以及一弹性波模式分离器，其中，所述弹性波模式分离器包括：
一新虎克材料，该新虎克材料具有一第一表面以及与该第一表面相对且平行的第二表面；以及
一用于使所述新虎克材料产生变形的变形加载装置，并且所述变形是使所述第一表面和所述第二表面在与所述第一表面平行的方向上产生相对位移而形成的简单剪切变形或近似简单剪切变形。
13.根据权利要求12的弹性波的模式分离系统，其特征在于，所述新虎克材料是橡胶。
14.根据权利要求12的弹性波的模式分离系统，其特征在于，所述变形加载装置对所述变形的剪切角是可调的。
15.根据权利要求12的弹性波的模式分离系统，其特征在于，所述系统还包括一个剪切波接收装置。
16.根据权利要求12或15的弹性波的模式分离系统，其特征在于，所述系统还包括一个压缩波接收装置。
17.根据权利要求16的弹性波的模式分离系统，其特征在于，所述剪切波接收装置或压缩波接收装置是弹性波波导。
18.根据权利要求16的弹性波的模式分离系统，其特征在于，所述剪切波接收装置或压缩波接收装置是波收集装置。
19.根据权利要求16的弹性波的模式分离系统，其特征在于，所述剪切波接收装置或压缩波接收装置是信号分析装置。
20.根据权利要求19的弹性波的模式分离系统，其特征在于，所述信号分析装置是位移传感器。
21.根据权利要求12的弹性波的模式分离系统，其特征在于，所述新虎克材料是可压缩的。
22.根据权利要求12的弹性波的模式分离系统，其特征在于，所述新虎克材料是不可压缩的。
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