激光声表面波及其探测表面缺陷的机理研究

论文摘要

本文采用有限元法研究了激光点源和环源在铝板表面热弹激发超声的物理过程，建立了激光线源激发声表面波的有限元模型，进而研究了线光源激发的声表面波与铝板表面缺陷的相互作用过程。 建立了轴对称的有限元模型，模拟了不同光斑半径及脉宽的点光源激发出的超声导波波形，得到了激光能量的时空分布特征对超声信号波形的影响；模拟了环光源激发的超声导波在样品表面及内部的叠加过程，为利用环光源半径控制各种声波模式的聚焦深度提供了理论依据。 基于平面应变的弹性理论，建立了线光源在铝板中激发声表面波的有限元模型；利用该模型研究了线光源激发的声表面波模式组成及波形特征，分析了具有不同半宽线源激光对声表面波位移信号特征的影响。 采用有限元法模拟了激光线源激发的声表面波与不同深度表面缺陷的相互作用过程，讨论了Rayleigh波中心频率的反射与透射系数随表面凹痕深度的变化规律；分析了反射声表面波中各模式成分的到达时间随表面凹痕深度的变化规律，给出了反射表面波中不同模式成分的产生过程。 采用优化的平面应变有限元模型模拟了激光在靠近表面缺陷的不同空间位置上激发的声表面波；波形信号随激发位置改变而呈现的变化特征，证实了移动激光线源扫查技术(SLLS)在检测表面微小缺陷方面具有的优越性；通过分析表面凹痕产生的反射声表面波的模式成分，研究了规则的表面凹痕导致超声波散射及模式转化的物理过程，解释了SLLS技术中位移信号变化的机理。数值模拟结果还表明：当表面缺陷的深度不大于激光激发的Rayleigh波的中心波长时，反射的Rayleigh波位移信号中含有明显的振荡成分；且振荡周期由表面凹痕的深度决定，与激光线源的半宽无关。 本文的研究结果为激光声表面波的理论与数值模拟研究，以及移动激光光源扫查表面微裂纹的检测技术研究提供了理论依据。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1. 激光超声无损检测的研究进展
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究现状
• 1.3 超声检测中的信号处理技术
• 1.4 本文的主要研究工作
• 2. 点状及环状脉冲激光源激发超声的有限元分析
• 2.1 点光源激发超声的理论模型
• 2.2 热弹性耦合的有限元方程
• 2.3 数值模拟结果与讨论
• 2.4 环光源激发超声的理论模型
• 2.5 环光源激发超声的数值模拟结果
• 2.6 本章小结
• 3. 激光线源激发声表面波的理论模型及有限元模拟
• 3.1 瞬态热分析的理论模型及有限元分析
• 3.2 结构动力学分析及有限元方法
• 3.3 数值模拟结果与分析
• 3.4 本章小结
• 4. 线光源激发的声表面波与表面缺陷的相互作用
• 4.1 线光源辐照铝板模型
• 4.2 反射与透射声表面波的数值分析
• 4.3 反射Rayleigh波成分的数值研究
• 4.4 本章小结
• 5. 移动激光源扫查材料表面微裂纹的机理研究
• 5.1 理论模型
• 5.2 移动激光线源扫查表面缺陷的有限元模拟
• 5.3 移动激光线源扫查表面缺陷的机理分析
• 5.4 反射Rayleigh波中的振荡信号
• 5.5 本章小结
• 6. 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 参考文献