接触表面劲度评价（一）

        固-固界面接触状况的无损评价对于有接触表面的零部件的设计和运行来说是很重要的 。在无损检测以及地球物理探测中也会遇到类似情况，例如裂纹发生闭合乃至断层由于温度或负载变化而与相邻介质发生接触的情况。对此，超声波反射/透射测量技术提供了一种有效的定量评价方法，即提出利用所谓的界面劲度来度量固-固界面接触的紧密程度。界面劲度同样与沿接触界面传播的界面波的速度有关 。

        研究接触表面的界面劲度有很多方法，依据的原理也有所不同。例如体波的垂直和倾斜反射，单界面和双界面的反射，导波的速度和衰减等 。要特别指出的是，Biwa等人通过体波反射和界面波速度两种测量方法评价了相接触的聚乙烯(甲基丙烯酸甲酯)( PMMA)试块的法向劲度()和切向劲度()。由这两种独立的测量手段所得到的值是一致的，且/的比值符合一个现有的理论模型。

        本文借助于两块抛光铝块之间的接触表面进行了体波反射和界面波速度的测量。与前面提到的大多数研究相比，本研究更关注在相对较轻的载荷作用下界面的劲度变化。由于在这种条件下界面劲度的接触压力灵敏度最有意义，因此本研究非常重要。根据接触界面的非线性声学效应，研究得出了界面劲度与检测频率之间的函数关系。另外，还结合先前的理论和实验研究进展，对接触界面的/的比值进行了讨论。

        实验装置如图9-30所示 。使两铝块互相接触并对其施加压应力，名义上的接触压力通过一个测压元件进行监测。利用Panametrics5072PR脉冲发射/接收仪，通过直径为12.7mm(0.5in)、标称频率为2.25MHz的纵波和横波压电换能器向界面发射声脉冲，并接收界面的反射脉冲，接收信号通过数字示波器设置为128次平均处理后存入计算机。换能器通过耦合剂与试样相接触，试样背面与用金属垫圈箍紧的橡胶垫相连，这样可以在接触压力变化时保持探头与试样之间恒定的耦合条件。

图9-30  体波反射和界面波速度测量的实验装置

        利用传统的FFT技术，可以得到作为频率函数的纵波反射系数和横波反射系数。选用在较轻的接触压力(本实验中为0.07MPa)下的界面回波作为参考信号，此时可以认为界面上发生的是全反射。当用波的位移振幅表征纵波和横波反射系数RL和RT时，界面的法向劲度和切向劲度可以通过下面的公式来计算:

式中， 分别是相接触固体的密度、纵波和横波声速； 是角频率。应注意，式(9-4)是基于实数的界面劲度，当界面劲度用复数表示的时候，式(9-4)根据测得的反射振幅所给出的是等效实数动态劲度。

        分别将两个直径为12.7mm(0.5in)的横波换能器置于界面的两端，并使其极化方向与接触界面相垂直，对沿着接触界面传播的界面波速度进行了测量。一个换能器作为发射探头激发出反对称接触界面波( Antisymmetric-mode Contact In-terface Wave)(以后简称A型CIW或CIW)，由另一个换能器接收。同样将最小压力下(0.07MPa)的瑞利波作为参考信号，通过相位谱方法从接收信号中得到了CIW的相速度。根据切向劲度给出了A型CIW的相速度：

式中，。

        在上述换能器布局情况下，接收到的信号中实际包含有横波和CIW两部分。当接触面压力增高时，这两种波的到达时间会很接近，由此造成了在频域内信号的重叠，从而导致在确定CIW相位时的不确定性。本研究中通过使用一个中心频率为2.25MHz的宽带换能器作为发射器，用另一个中心频率为1MHz的宽带换能器作为接收器，以避免上述两种回波在频域内的叠加。在接收到的信号中，横波信号的频谱分布在2MHz附近，而CIW信号的频谱则分布在1MHz周围。这种现象应该归因于CIW透入深度的振幅分布，即频率越高，透入深度越小(接收换能器能够在更高的灵敏度下接收到更低的频率成分)。因此，对于1MHz左右的频率而言，所获得的CIW的相位在本质上没有受到横波的影响。这一点已通过比较不同程序下对接收信号中CIW波进行选通所得到的结果予以证实。

        利用图9-30中的实验系统，测得了铝块相互接触界面的体波反射系数和A型CIW的相速度。试样横截面尺寸为30mmx40mm，后者与CIW的传播方向一致，每个铝块在负载方向的高度都是30mm。接触表面先用1000#砂纸进行预处理，然后在抛光机上用粒度为1μm的氧化铝粉末进行抛光，最后得到的表面粗糙度参数的平均值为。为了避免在最初的加载/卸载过程中有明显的滞后行为，超声波测量是在接触表面所施加的标称压力达到3.83MPa、卸载之后进行的。在超声波测量之前，事先已对接触界面进行了几次加载/卸载过程。