弹性波模式分离方法及弹性波模式分离系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 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 波模式分尚系统。
【背景技术】
[0002] 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宄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】
[0003] 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。
[0004] 本发明人经过研宄发现，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。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 进一步，上述方法中，所述新虎克材料是橡胶。
[0011] 进一步，上述方法中，所述新虎克材料是可压缩的。
[0012] 进一步，上述方法中，所述新虎克材料是不可压缩的。
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015] 进一步，上述方法中，所述弹性波接收装置是弹性波波导。
[0016] 进一步，上述方法中，所述弹性波接收装置是波收集装置。
[0017] 进一步，上述方法中，所述弹性波接收装置是信号分析系统。
[0018] 进一步，上述方法中，所述信号分析系统包括一位移传感器。
[0019] 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。
[0020] 进一步，上述系统中，所述新虎克材料是橡胶。
[0021] 进一步，上述系统中，所述新虎克材料是可压缩的。
[0022] 进一步，上述系统中，所述新虎克材料是不可压缩的。
[0023] 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。
[0024] 进一步，上述系统中，所述系统还包括一个剪切波接收装置。
[0025] 进一步，上述系统中，所述系统还包括一个压缩波接收装置。
[0026] 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。
[0027] 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。
[0028] 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。
[0029] 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】
[0030] 图1为本发明弹性波模式分离器的结构示意图。
[0031] 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。
[0032] 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。
[0033] 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。
[0034] 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。<