With the rapid development of modern industries, the high-temperature piezoelectric sensors that can work in extreme environments are in great demand. In this work, langasite (La₃Ga₅SiO14, LGS), as a high-temperature piezoelectric crystal with stable electro-elastic performance, is used as core element, and air and porous Al₂O₃ are selected as backing layers respectively to prepare two kinds of high-temperature acoustic emission (AE) sensors. The detection sensitivities at 25–500^∘C are analyzed by the ball falling test and Hsu–Nielsen experiment. Under the condition of 25–500^∘C, the received amplitude signals by both sensors are maintained above 90dB stimulated by the ZrO₂ ceramic ball dropping. In the Hsu–Nielsen experiment, as the temperature rising from 25^∘C to 500^∘C, the signal amplitude of sensor with air backing layer decays from 447mV to 365mV, while the signal amplitude varies from 270mV to 203mV for the sensor with porous Al₂O₃ backing layer. Significantly, compared with the bandwidth of the air-backing sensor (37–183kHz), the sensor with porous Al₂O₃ backing layer broadens bandwidth to 28–273kHz. These results show that both these AE sensors have strong and stable response ability to AE signals at high-temperature of 500^∘C. Therefore, piezoelectric AE sensor based on LGS has great potential application in the field of high-temperature structural health monitoring.

针对Al5083纳秒激光划片过程中产生沟槽和凸起两种轮廓的问题, 研究了不同工艺参数下产生轮廓与映射声信号的关系。开展Al5083薄板纳秒紫外脉冲激光划片试验, 观察轮廓的微观形貌, 探究轮廓形成机制; 采集声发射信号, 小波包变换后分析声信号的差异性, 并开展支持向量机分析。微观观测结果表明, 凸起轮廓的成形机制包括熔融金属溅出受阻和凝固时产生的大量气孔。声信号分析结果显示, 沟槽轮廓对应的小波包分解系数的方差和包络面积显著高于凸起轮廓; 以小波包分解后的频谱为特征向量, 添加标签后使用高斯核支持向量机分类, 分类准确度达92.57%, 验证了小波包变换和支持向量机的结合在基于声信号的轮廓监测中的可行性, 为构建基于声发射的激光划片监测系统提供可行的技术路径。

基于三点弯曲试验，研究了高吸水性树脂(SAP)混凝土缺口梁在不同加载速率下的损伤特性。采用声发射(AE)技术监测断裂损伤过程，通过荷载-裂缝张开口位移(P-CMOD)曲线计算峰值能量和累积能量的变化，采用RA-AF关联分析法对缺口梁损伤时释放的AE信号进行了损伤模式分析。试验结果表明：随着加载速率的增加，SAP混凝土强度增加，拉伸型裂缝的比例显著降低；而随着SAP含量的提升，相同加载速率下SAP混凝土的强度降低，拉伸型裂缝的比例呈先增加后降低的趋势，适当的SAP可以增加拉伸型裂缝的比例。研究结果可为SAP混凝土在工程中的实际应用提供参考。

钢纤维混凝土(SFRC)中钢纤维方向对其力学性能有显著影响, 楼板、地坪、路面等工程中, 竖直方向的钢纤维有害无益, 钢纤维水平随机分布最为有利。为改善钢纤维混凝土结构的力学性能, 提高钢纤维的增强效率, 通过旋转磁场对基体中的钢纤维进行调控定向, 制备出水平定向钢纤维混凝土(2D-SFRC)。测试比较了2D-SFRC和随机乱向钢纤维混凝土(RD-SFRC)的劈拉性能、棱柱体试件和圆板试件的弯曲性能, 同时利用断面纤维分布特征和声发射技术揭示了水平定向钢纤维的增强机理。结果表明, 与RD-SFRC相比, 2D-SFRC的各项力学性能显著提升。钢纤维分布统计和声发射分析表明, 2D-SFRC力学性能提高的主要原因是, 断面纤维数量增加、纤维方向有效系数提高。水平定向钢纤维混凝土具有高性能和低成本的特点, 对于提高工程质量、节约材料具有重要意义。

为了提高抗反射硅表面制备的加工质量、缩短研制周期，提出了一种基于时频域处理的面向激光加工过程的声波信号在线监测及分析方法。利用声信号的时频谱图分析了0~30 kHz内的声信号与激光烧蚀形成的表面微结构特征尺寸之间的相关性，具体分析了激光功率及加工次数对微结构深度及声信号各频率幅值变化的影响。以声信号作为输入，基于人工神经网络对加工质量进行预测。实验结果表明：通过监测激光加工时产生的声信号能够明确反映被烧蚀硅表面是否形成周期性微结构，且微结构宽度不同，其对应的声信号频率组成也不同。在微结构宽度固定的情况下，归一化后的声信号特征参数随微结构深度线性变化，且受到激光功率变化的影响忽略不计。以硅基表面5%的反射率作为加工质量分界线，采用人工神经网络对加工质量的预测结果与实际测量结果的准确率可以超过90%。结果表明：声波在线监测可以有效应用于评估表面加工质量，为抗反射硅表面制备过程的实时监测提供了理论依据。

由微机电系统(MEMS)工艺制作的电容式微机械超声换能器(CMUT), 其具有宽频带, 易与电子电路集成制作等优势, 在医学成像领域具有广阔的应用前景。为了研究一种密排结构CMUT超声换能器的发射声场特征, 该文提出了一种简单的物理域相互作用分析方法。基于薄板的振动理论, 由CMUT单元的声学辐射原理及特性计算得到CMUT阵元辐射声场的解析解。通过振膜振动分布实验验证了采用薄板振动理论一阶振型方程的正确性。通过仿真和实验研究了CMUT发射单元在不同排布方式和条件下的声场分布、声轴声压和指向性, 为CMUT的设计和性能分析提供了理论依据。

由于热障涂层体系结构的复杂和服役环境的恶劣, 极易导致涂层发生界面分层、宏观断裂和剥落失效。首先利用声发射技术实时监测了热障涂层在三点弯曲载荷下的失效过程, 结合微观形貌特征、声发射参数分析、K-means聚类分析识别了热障涂层损伤失效模式。然后利用Fourier变换、小波包变换等分析了4种失效模式的波形特征, 其中宏观断裂或剥落失效信号无明显频带, 而基底变形、表面垂直裂纹、剪切型界面裂纹、张开型界面裂纹对应的频率分布范围分别在62.5~125.0 kHz、187.5~250.0 kHz、250.0~312.5 kHz、375.0~437.5 kHz。采用机器学习的方法对原位声发射信号进行了深度处理, 提取小波能量系数作为机器学习反向传播神经网络的特征向量, 结合收敛曲线、混淆矩阵、受试者工作特征曲线、F1值评价了该模型优劣性, 实现了对于热障涂层失效模式的判别, 为热障涂层失效预测和寿命评估提供参考价值。

中国修建于20世纪的大批基础设施工程正逐渐达到高龄服役期, 随之带来了较突出的水泥基材料劣化问题。声发射作为一种材料在能量释放下所表现出的本征物理现象, 其蕴含的丰富信息为精敏感知材料及结构性态提供了有益基础。在简要阐述声发射感测基本原理与主要分析方法的基础上, 重点围绕水泥基材料的碱骨料反应、锈胀开裂、疲劳、冻融剥落等劣化行为, 评述了基于声发射现象进行水泥基材料劣化行为表征、性态判识评估、劣化致因剖析方面的研究现状, 考虑水工大尺度结构时变服役特征, 给出了声发射在水泥基材料劣化研究方面今后需着力加强的方向。

为了揭示干湿界面状态下混凝土与环氧胶泥黏结损伤演化机理, 采用轴拉试验研究了环氧胶泥-混凝土复合体的黏结强度, 并通过声发射技术获得了复合体拉伸过程中振铃计数、b值以及声发射源空间位置, 分析了复合体黏结损伤的空间演化过程。通过数字图像相关法获得了干湿界面状态下复合体断裂表面的应变和位移损伤演变特征。结果表明: 干燥界面下黏结强度相比潮湿界面下高约60%。潮湿界面下混凝土-环氧胶泥的声发射源空间位置集中在界面处, 并在界面处形成1条规则的应变集中带, 表现出界面破坏特征; 而干燥界面下混凝土内部出现大量的声发射源, 断裂面存在多条不规则的应变集中带, 整体表现为混凝土基体破坏模式。