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通过对固体非线性超声传播模型的研究，分析了裂纹静态压力与超声波作用力对裂纹超声非线性响应的影响，建立了反映裂纹区应力-应变非线性关系的弹性接触机制超声非线性响应模型以及反映裂纹闭合状态转换的碰撞接触机制超声非线性响应模型。通过实验研究发现，裂纹尖端区的二次谐波激发效率与裂纹的开口区和闭合区及裂纹最终扩展的极限长度有关。因此，可使用二次谐波激发效率作为定量表征金属试件疲劳微裂纹缺陷的特征参数，实验中使用了自主研制倍频双晶复合换能器，这种倍频双晶复合换能器在工程实际应用中更为方便、实用。