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Elastic constants of components are usually determined by tensile tests in combination with ultrasonic
experiments. However, these properties may change due to e.g. mechanical treatments or service conditions during
their lifetime. Knowledge of the actual material parameters is key to the determination of quantities like residual
stresses present in the medium. In this work the acoustic nonlinearity parameter (ANP) for surface acoustic waves is
examined through the derivation of an evolution equation for the amplitude of the second harmonic. Given a certain
depth profile of the third-order elastic constants, the dependence of the ANP with respect to the input frequency is
determined and on the basis of these results, an appropriate inversion method is developed. This method is intended
for the extraction of the depth dependence of the third-order elastic constants of the material from second-harmonic
generation and guided wave mixing experiments, assuming that the change in the linear Rayleigh wave velocity is
small. The latter assumption is supported by a 3D-FEM model study of a medium with randomly distributed microcracks as well as theoretical works on this topic in the literature.
Zerstörungsfreie Verfahren zur Messung von Eigenspannungen
erfordern, abhängig vom gewählten Verfahren, die Kenntnis gewisser
Kopplungskonstanten. Im Falle von Ultraschallmessverfahren sind das neben den
elastischen Konstanten zweiter Ordnung (SOEC) vor allem die Konstanten dritter
Ordnung (TOEC). Elastische Konstanten fester, metallischer Bauteile werden in der
Regel in Zugversuchen bestimmt. Zur Ermittlung der TOEC werden diese mit
Ultraschallmessmethoden kombiniert. Durch äußere Einflüsse, wie etwa mechanische
Nachbehandlungen der zu untersuchenden Bauteile können sich diese Konstanten
jedoch ändern und müssen folglich direkt am veränderten Material bestimmt werden.
Mithilfe von Simulationen wird die Ausbreitung der zweiten Harmonischen und
der nichtlinear erzeugten Oberflächenwellen in Wellenmischexperimenten analysiert
und der akustische Nichtlinearitätsparameter (ANP) bzw. der Kopplungsparameter
aus der Amplitudenentwicklung berechnet. Insbesondere wird untersucht, welchen
Einfluss ein gegebenes Tiefenprofil der TOEC auf den ANP hat (Vorwärtsproblem)
und inwiefern sich aus den Messungen des ANP auf ein vorliegendes Tiefenprofil der
TOEC schließen lässt (inverses Problem). Außerdem wird diskutiert, welchen
Einfluss lokale Änderungen der SOEC auf den ANP haben können und wie groß diese
Änderungen sein dürfen, um die TOEC dennoch bestimmen zu können. Die
Untersuchungen hierzu wurden auf der Basis eines 3D-FEM Modells mit zufällig
orientierten Mikrorissen durchgeführt. Die numerischen Rechnungen zeigen dabei
auch eine gute Übereinstimmung mit einem aus der Literatur bekannten und für dieses
Problem erweiterten, analytischen Modell. Neben der rissinduzierten Nichtlinearität
kann bei diesem auch die Gitternichtlinearität berücksichtigt werden.
Existing ultrasonic stress evaluation methods utilize the acoustoelastic effect for bulk waves propagating in volume, which is unsuitable for a surface treated material, possessing a significant variation in material properties with depth. With knowledge of nonlinear elastic parameters – third-order elastic constants (TOEC) close to the surface of the sample, the acoustoelastic effect might be used with surface acoustic waves. This work is focused on the development of an independent method of TOEC measurement using the effect of nonlinear surface acoustic waves scattering – i.e. the effect of elastic waves interaction in a nonlinear medium.
In this paper, the possible three wave interactions of surface guided waves and bulk waves are described and formulae for the efficiency of harmonic generation and mode mixing are derived. A comparison of the efficiency of surface waves scattering in an isotropic medium for different interaction types is carried out with the help of nonlinear perturbation theory. First results for surface and bulk wave mixing with known second- and third-order elastic constants are shown.