中文摘要：

界面反向散射超声散斑包含了散射界面变形的信息。超声散斑存在于气体、液体和固体中，其特性受环境影响较小。本项目提出的特殊条件下的超声散斑测量新方法的研究，旨在实现在尘、雾和液下等特殊环境中，对不透明实物内层界面的位移以及振动体频率、振幅和相位进行非接触式测量。这类测量需求广泛存在于国民经济建设和科学研究中，而现有实验力学方法目前还难以解决，因此新方法拥有广阔的应用前景。本项目将进行在特殊条件下应用超声散斑对固体变形和振动测量的基础研究；建立超声散斑测量新理论；建立实验室条件下的超声散斑测量系统；根据散斑相关性和相干性原理，实施在大位移(位移大于散斑平均直径)情况下和小位移（位移小于散斑平均直径）情况下，对水下物体内层界面面内位移和离面位移的实测；应用频闪和相移技术，实施对水下物体振动频率、离面振幅和相位的实测。根据超声波波列性质，所实施的超声波数字干涉、数字相移和频移，在技术上是个创新。

结论摘要：

超声散斑在许多情况下被视为噪声，但它分布特性和运动包含了散射界面的物理特性和运动状态的信息。超声散斑的研究和应用在医学影像领域中的应用有大量的报道，但超声散斑在工业领域中研究和应用报道很少，对此激光散斑却有着很广泛的研究和应用。相比激光散斑，超声散斑在液下受水流、温度影响小，特别是它还存在于固体内部并能被检测，基于这些特点，超声散斑测量技术有其特殊的应用前景。本项目研究目的是创建实验室条件下的超声散斑水下测量系统，建立和完善相关的超声散斑测量理论和技术，实测水下固体内、外层界面的变形和振动。研究内容包括在大位移和小位移情况下，分别用超声数字散斑相关法和相移法对水下物体内、外层界面的变形进行测量的研究；应用频闪和时移技术对水下稳态振动物体的频率、振幅和相位进行测量的研究。至今，研究取得了如下成果。首先，成功组建了水下物体位移、应变和振动测量的超声散斑实验系统。其次，采用步进扫描,聚焦采集水下试件内、外界面的超声散斑信号，再取它们的振幅谱值组成矩阵元素并进行相关运算，这组成了超声散斑相关法测量新技术的基础。经插值和拟合后内层界面离面和面内位移测量分辨率可达0.01mm，最大误差为5.7%，对外层界面应变测量的分辨率可达0.001ε，最大误差为6.7%。针对相关法测量中的突出问题，本研究创新性地对信号采用多谱值取值，辅以多次相关运算，有效避免了相关系数主峰的误判；所采用的自适应遗传算法可减少测量误差、提高运算速度并适用于全场变形测量。再则，在对小位移测量的研究中，物面散斑信号与同步发生的参考信号在微机内进行数字干涉以及参考信号的数字相移，这组成了超声散斑相移法测量新技术的基础，其位移测量分辨率也是0.01mm，当位移小于二分之一散斑尺寸时位移测量误差小于8%。此外，对试件外层粗糙界面对内层变形测量影响的研究表明，一般工程条件下的外层界面应变对相关法内层变形测量的影响较小，而对相移法内层变形测量的影响较大，但经粗、细打磨，外层界面的粗糙度系数Ra达到5微米的量级时，超声散斑相移法就能较好适用。最后，对触发脉冲的频闪频率和延时的调控以及对散斑信号驻留的自动判断，这组成了超声散斑水下稳态振动逐点扫描、非接触测量新技术的基础，其实测频率、振幅和相位的最大误差分别为0.51%，4.4%和1.7度。这种振动测量方法为工程实验模态分析提供了一个有效手段。