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硕士论文热驱动型s m p 材料加热过程中激光超声衰减特性研究 摘要 本文采用有限元方法分别建立了常温和加热情况下脉冲激光线源在热驱动型s m p 材料( 形状记忆高分子聚合物) 中激发声表面波的数值模型，并在此基础上开展对激光在 热驱动型s m p 材料中激发超声表面波波形及传播特性的数值模拟及实验的研究。 从激光超声的激发机制出发，分别介缉声表面波的基本性质和激光声表面波常用的 检测方法。随后重点论述了脉冲激光线源分别作用于室温态和加热态的样品上时激发超 声波的解析模型，分析两种模型各自的特点，为进一步的理论研究奠定基础。 在不考虑粘性劲度系数的情况下，基于平面应变的弹性理论，建立了脉冲激光在热 驱动型s m p 材料表面激发r a y l e i g h 波的有限元模型。与考虑粘性劲度系数的模拟结果 相比较，分析了随传播距离增加，r a y m g h 波振幅衰减的原因。基于平面热粘弹理论、 结合激光脉冲能量的空间分布特征和热驱动型s m p 材料板材变温时的各向同性粘弹性 特征，建立起脉冲激光激发热驱动型s m p 材料产生声表面波的有限元模型，重点研究 热驱动型s m p 材料中激发点和探测点之间局域加热的过程中声表面波衰减特性。建立 了利用p v d f 传感器接收经过三倍频所得的紫外波长激光激发的声表面波的实验装置， 分析了去噪后的实验结果，并与数值模拟结果作比较，发现随材料升温，材料的粘性特 征变得明显的同时，弹性性能不断减弱，表现为材料升温至玻璃化温度附近时，声表面 波形衰减至几乎消失。可见，对弹性性能的研究可以作为评价材料粘性特征的有效手段。 超声衰减是声学特性及无损检测的重要参量，本文研究的热驱动型s m p 材料中激 光声表面波衰减特性的数值模拟与实验测量的结果，为开展应用激光超声技术检测新型 复合材料的物理特性和检测材料内部缺陷的研究提供了理论依据。 关键词：激光超声，r a y l e i g h 波，粘弹性，有限元方法，相变，p v d f 传感器 a b s t r a c t硕士论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) i sa p p l i e dt os i m u l a t et h ep h y s i c a l p r o c e s s e s ，w h i c hi n c l u d et h eg e n e r a t i o na n dp r o p a g a t i o no ft h es u r f a c ea c o u s t i cw a v e ( s a w ) i nt h es m p ( s h a p em e m o r yp o l y m e rc o m p o s i t em a t e r i a l ) m a t e r i a lo nt h ec o n d i t i o no ft h e r o o ma n dr i s i n gt e m p e r a t u r er e s p e c t i v e l y t h e n , w a v e f o r m sa n di t sp r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s o fs a w se x c i t e db yt h e r m o e l a s t i cl a s e ri n t h es m pm a t e r i a la r es t u d i e db yc o m p u t e r s i m u l a t i o nc o m b i n i n g 、析t he x p e r i m e n t f r o mt h ee x c i t a t i o nm e c h a n i s m so fl a s e ru l t r a s o u n d ，t h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so fs a w s a n dt h ed e t e c t i o nm e t h o d su s e di nl a s e r - g e n e r a t e ds a w sa r ei n t r o d u c e di nac o m m o nm a n n e r s u b s e q u e n t l y , t w om a i na n a l y t i c a l m o d e l so ft h el a s e r - g e n e r a t e du l t r a s o u n da r eg i v e n , c o n s t r u c t e db yl i n es o u r c ei r r a d i a t i n go nt h es a m p l ea tr o o mt e m p e r a t u r ea n dr a p i dr i s i n g t e m p e r a t u r er e s p e c t i v e l y t h ef e a t u r e so fe a c hm o d e la r ea l s oa n a l y z e d a l lt h e s ew o r k sa r e p r e p a r a t i o n sf o rt h ef u r t h e rt h e o r e t i c a ls t u d y w i t h o u tc o n s i d e r i n gv i s c o s i t ym o d u l u s ，i no r d e rt os i m u l a t et h el a s e r - g e n e r a t e ds a w s ， t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l so ft h el i n es o u r c ei r r a d i a t i n go nt h ep l a t eo fs m pm a t e r i a li s e s t a b l i s h e db yt h ee l a s t i ct h e o r yo fp l a n es t r a i n c o m p a r e d 、析t l lt h er e s u l t sc a l c u l a t e db y m e a n so ff i t t i n gv i s c o s i t ym o d u l u s ，t h ec a u s e so fa m p l i t u d ea t t e n u a t i o no fl a s e r - g e n e r a t e d r a y l e i g hw a v e s 、访t hi n c r e a s i n gp r o p a g a t i o nl e n g t ha r ea n a l y z e di nt h i sp a p e r t h e n , c o m b i n e d 、析t l lt h es p a t i a ld i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fl a s e rp u l s ee n e r g yd e n s i t ya n d i s o t r o p i cv i s c o e l a s t i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h es m p m a t e r i a lu n d e rv a r i e dt e m p e r a t u r e s ，b a s e do n t h et h e r m o v i s c o e l a s t i c i t yo fp l a n es t r a i n , t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o di se m p l o y e dt os i m u l a t e t h ei n t e r a c t i o n so ft h el a s e r - g e n e r a t e dr a y l e i g hw a v e s 、) i ，i t l lt h em a t e r i a l ，w h i l et h ea r e ao f s m pm a t e r i a lb e t w e e ne x c i t ep o 硫a n dd e t e c tp o 缸i sh e a t e dt op r o d u c ep h a s et r a n s f o r m a t i o n m o r ei m p o r t a n to fa l l ，t h ea t t e n u a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h es a w sa r es t u d i e db yu s i n gf e m m e t h o dw h e nh e a t i n gm a t e r i a li st a k e ni n t oa c c o u n t f i n a l l y , t h ee x c i t a t i o na n dd e t e c t i o n s y s t e m sa c c o r d i n gt ot h ea c o u s t i cp r i n c i p l ea r es e tu p a f t e rs e r i a l so fu l t r a s o u n dp u l s e s f r e q u e n c i e sa r em u l t i p l i c a t e d ，s a w ss i g n a l se x c i t e db yu l t r a v i o l e tl i n es o u r c ec a n b ed e t e c t e d b yp v d f ( p o l y v i n y l i n d e n ef l u o r i d e ) t r a n s d u c e ra tt h es a m ep o i n to f t h es a m p l es u r f a c e t h e d e n o i s e de x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ec o n s i s t e n tw i t hs i m u l a t i o na n a l y s i s ，w h i c hd e m o n s t r a t e s t h a tt h em o r ev i s c o u sm a t e r i a lb e c o m e s ，t h el e s se l a s t i ci tw i l lr e f l e c t ，a l o n g 嘶t ht h e t e m p e r a t u r er i s i n g w h e nt h et e m p e r a t u r ei sa b o u tt or e a c hg l a s st r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e ，t h e t t 硕士论文热驱动型s m p 材料加热过程中激光超声衰减特性研究 s a w sa l m o s td i s a p p e a r t h u s ，w ec a l lo b t a i nt h a te l a s t i cb e h a v i o rc a i lr e p r e s e n tp h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fv i s c o s i t ye f f e c t i v e l y u l t r a s o u n da t t e n u a t i o np l a y sav i t a lr o l ei nt h ee v a l u a t i o no fu l t r a s o n i cp r o p e r t i e sa n d n o n d e s t r u c t i v et e s t i n gt e c h n o l o g y t h er e s u l t so ft h i sp a p e rm a yp r o v i d et h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a lr e f e r e n c e sf o rs a w sa t t e n u a t i o nm e a s u r e m e n tu s i n gl a s e ru l t r a s o u n d , a n d a c c e l e r a t et h e d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no f l a s e ru l t r a s o n i cn o n d e s t r u c t i v et e s t 堍 t e c h n o l o g yf o rt h en e wc o m p o s i t em a t e r i a l s k e yw o r d s ：l a s e ru l t r a s o n i c ，s u r f a c ea c o u s t i cw a v e ( s a w ) ，v i s c o e l a s t i c ， f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ( f e m ) ，t r a n s f o r m a t i o n ，p v d ft r a n s d u c e r i i i 声明尸明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：垒塑翌蚕沙p 年月砂日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 。2 研究生签名：型1 翌釜 沙d 年6 月日 硕士论文热驱动型s m p 材料加热过程中激光超声衰减特性研究 1 绪论 1 1 研究背景 上世纪，自w h i t e 1 j 和a s k a r y 锄相继提出采用脉冲激光激发超声导波，慢慢衍生出了 激光超声学，激光超声学是研究利用脉冲激光来激发和检测超声，并开展超声传播和媒 质特性等研究的学科，激光超声学是超声学与激光技术相结合而形成的新兴交叉学科， 涉及光学、声学、电学、材料学等学科，近年来已发展成为超声学的一个重要分支1 2 。 随着激光技术的迅速发展，激光所具备的单色性好、能量高度集中、方向性强等独特优 点，被科研学者们引入到无损检测领域中，而其在超声检测中的应用不断扩大，并逐渐 形成了激光超声无损检测新技术。超声检测技术的诞生和发展为现代工业带来了生机， 而激光的应用则进一步推动了超声检测技术的发展，进而推动激光超声学这一新兴交叉 学科的诞生和发展1 3 j 。 由于声表面波的近表面传播特性，声表面波更适合表征材料的近表面层的特性。利 用声表面波做研究主要包括以下几个方面：一是利用声表面波在层状或非均匀材料中传 播时的色散特性，根据声传播理论反演层状材料和非均匀材料的声学参数；二是传播媒 质的弹性参数决定了材料表面传播的声表面波特性，利用声传播媒质与周围介质的相互 作用关系，发展各类声表面波传感器，例如引入注目的氢传感器；三是声表面波脉冲对 材料表面和亚表面微小缺陷非常敏感，根据材料中声表面波脉冲及其反射波时空分布， 能够计算出材料内部缺陷的位置1 4 1 。激光声表面波技术是利用脉冲激光辐照固体材料表 面，材料吸收激光能量后产生热膨胀，由此产生在近表面层传播的声表面波，通过检测 和分析该声波，能够建立材料近表面层残余应力、应变与声表面波传播特性之间的相互 关系，并可以得到材料的相关参数。然而，利用声表面波对材料近表面层微裂纹缺陷表 征等方面仍有许多问题，如复杂表面r a y l e i g h 波传导过程及动力机制等尚未完全解决。 相对于传统的超声检测技术，激光超声技术无需使用耦合剂，易于实现远距离的遥控， 适用于如高温高压高湿、有强腐蚀性、有辐射等恶劣环境中，并且能实现工件的实时在 线检测，具有快速、非接触、不受被检对象结构形状影响等优点，被广泛地用于复合材 料和纳米材料的无损评价、声衰减和弹性参数表征等。 粘弹理论的主要研究方向是地球物理，考虑到地球本身作为一个粘弹体，科研学者 研究地球表面的粒子运动发现了地球体的粘滞模量、切变模量以及角频率与椭圆轨迹的 关系，进而从波的角度分析了地球的粘滞特性，并且对地球r a y l e i g h 波的衰减和频散关 系进行理论和实验验证。近年来，科研学者在对粘弹l a m b 波、粘弹s h 波的研究已取得 了初步进展，而利用激光超声技术研究粘弹r a y l e i g h 波还处在起步阶段。脉冲激光作用 于粘弹性材料表面激发出声表面波，通过研究声表面波的传播特性，可以对粘弹性材料 1 1 绪论 硕士论文 的性能进行评价。 1 2 研究意义 脉冲激光辐照到样品表面时，所激发出的超声波具有瞬态、宽频带和多种模态结构 的特点，使得激光超声检测在无损检测领域有着广泛的应用【5 l 。当入射激光源能量较低， 未引起材料的融蚀时，激光超声的主要激发机制是热弹激发；当入射光功率密度高于 1 0 6 w c m 2 时，材料表面温度急剧升高至材料的熔点，表层被烧蚀，并伴有等离子体飞 出，产生与表面垂直的反作用应力，此时超声的激发机制主要就是融蚀激发 6 1 。在热弹 机制下，激光激发出的超声对样品表面不会产生大的破坏，并且由激光激发的超声波可 以重复测量，所以这种激发机制最适宜无损检测。激光以一定的输入能量加载到样品表 面，使材料内部产生超声振荡的同时激发出超声波，在材料内部传播的超声波在遇到缺 陷时会发生反射或透射现象，这些反射或透射的超声波信号携带有材料的弹性性能和结 构特征等相关信剧7 】，而超声无损检测的核心问题就是对超声信号进行正确的分析与解 释。超声信号的处理是从接收到的信号中提取具有针对性的研究信息，通过对信号幅值、 频率和相位等的分析反演出材料的相关特性i 引。 利用超声表面波作为检测媒介的超声无损检测方法特别适合对材料的近表面层进 行力学性能的评价。国内外已将激光检测技术用于制造过程中的在线检测、复合材料结 构的快速检测、逾龄飞机的检测和热障涂层缺陷的表征与评估等，越来越多地应用于航 空领域复合材料零件和结构的无损检测。在复合材料结构复杂的情况下，材料表面的弹 性形变诱发材料内部的应力应变所产生的声表面波，即r a y l e i g h 波，容易受材料温度影 响，因此研究温变情况下高分子复合材料与r a y l e i g h 波相互作用具有更为重要的意义。 1 3 国内外相关研究进展 激光超声技术的发展从w h i t e 和a s k a r y a n 各自应用脉冲激光束在固体和液体中激发 出超声波，到利用等效弹性力源模型建立的脉冲激光超声理论来解释实验中由激光激发 的多种超声波模式，再到激光超声技术成熟地应用于材料的无损检测、性能评价，已有 近半个世纪。 1 3 1 激光超声技术的研究进展 在热弹激发机制下，脉冲激光激发出的纵波、横波和表面波呈阶跃式变化，指向性 均呈中空对称，且振幅幅值和入射光功率密度成正比【9 1 。在融蚀激发机制下，激光激发 出的纵波呈中强对称，横波呈中空对称；纵波的幅度增强，而横波的幅度在开始产生等 离子体时达到最大，并且与功率密度成反比【l o 】。 近年来，国内外科研学者们对激光超声技术的研究主要集中在热弹机制下，应用扫 2 硕论文热驱动型s m p 材料加热过程中激光超声衰减特性研究 描激光源技术对脉冲激光源激发出的各种超声信号进行相关实验和理论研究【l h ”。在激 光激发声表面波的实验研究方面，主要考虑光源的选择和光束的调制对实验精度的影 响，空间调制最基本的方法是将激光器投射出的光束通过柱面镜变为线光源。选择线光 源的好处是可以通过在不破坏材料表面的前提下输入更多的能量的方式提高信噪比。同 时陡峭的单极性波形取代点源激发出的较平缓的双极性波形，改善了超声波形，提高了 超声波束的指向性。更为复杂的是时间调制，& 口对激光器本身或其发出的光束在时域内 进行处理，常用的技术包括激光器腔内锁模、激光阵列的定时激发和b r a g g 声光调制等 ”。通过空间和时间的双重调制，在改变光束形状的同时，让光源或照射到样品上的光 线随时间变化。 声表面波可以深入到固体中一个波长量级的深度，其透射深度随着波长的变化而变 化，但能量仍受限于表面。因此，声表面波也可以被认为是导波，可以提供材料弹性性 能和结构组成的空间分辨信息。目前，表面声波广泛地用于纳米、微米和单晶薄膜、平 板以及晶体的弹性性能的检测。在微电子机械系统m e m s 和纳电子机械系统( n e m s ) 中， 利用檄光超声表面波擐4 量各种线性和非线性的力学性能，如杨氏弹性模量( 杨氏变的胡 克定律近似) 和断裂强度。但是热弹激发机制下激光激发线性宽带声表面波脉冲的同时， 也有可能存在非线性声表面波脉冲，这种脉冲由“吸收层”技术产生的陡峭冲击波前导 致，容易引起脆性材料的动态断裂。考虑到声表面波由垂直于表面的面外位移和传播方 向上的面内位移椭圆极化而成，线激光源激发的声表面波传播方向容易定义。此外，在 均质媒介中，声表面波是没有色散的但是当材料中的层或者梯度引入了特征长度标量 时，分层介质则会出现色散“”。 近年来，激光超声机理和技术方面的研究有了突破性的进展，尤其是激光超声信号 的激发、接收和传播理论及应用方面。科研学者采用不同的激光超声办法激发和检测声 表面波。基于激光激发声表面波的基本方法有三种，a ) 束皮秒激光在表面发生干涉：b ) 通过投射栅状物在衰面产生；c ) 过柱面棱镜将激光辐射汇聚产生一条线源。 碰士论文 0 圈1l 激光激发声表面波的三种基本方法 如图12 ，检测声表面波的基本方法也有三种，a ) 迈克尔逊干涉仪法：b ) 连续激光 探测光束偏转法；c ) 压电金属薄膜传感器。 圭 o 硬论文 热驱动型s m p 村料加热过程中激光超声衰减特性研究 图12 声表面波的探测的三种基本方法 1 3 2 粘弹r a y l e i g h 波的研究进展 地球本身就是一个粘弹体，对粘弹r a y l e i g l l 波的研究虽早是出现在地震学中，地震 是一种破坏性极强的自然灾害，是地球在运动和发展过程中，地壳和地幔上部的岩层相 互作用而产生并向外释放能量的一种过程。为了减轻地震灾害的影响，已经形成了一套 完整的抗震理论，并研究出了多种适用于该理论的新型材料，尤其是结构半主动控制技 术为抗震设计提供了新的途径。而研究结构半主动控制热驱动型s m p 材料( 即形状记忆 聚合物，s h a p em e m o r yp o l y m e r ) 的力学、形状记忆性能及阻尼特性变得尤为重要。 基于形状记忆聚合物形变量大、价格便宜、加工性能好、相对密度小、形状记忆回 复温度范围宽、耐腐蚀、电绝缘性和保温效果好等特点，在许多领域都具有潜在的应用 价值。日本的石田正雄认为，热驱动型s m p 的形状记忆原理可看作两相结构，即由记 忆起始形状的固定相和随温度变化能可逆地固化和软化的可逆相组成。可逆相为物理交 联结构，如较低的结晶态或t 较低的玻璃态，而固定相可以分为物理交联结构和化 学交联结构，其中将物理交联结构作为固定相的称作热塑性s m p ，将化学交联结构作为 固定相的称作热固性s m p 。热驱动型s m p 的形状以及过程分为四个阶段【1 q ： 1 绪论硕士论文 1 将热驱动型s m p 材料加工为一定的初始形状； 2 加热材料，温升超过疋( 玻璃化温度) ，在加热软化材料的过程中，材料易于加工， 当温度在附近时对材料进行加载塑形。 3 塑形完成后直接对材料进行降温冷处理，当降温至疋以下，确保材料完全固化后， s m p 材料在温度c 时所塑造的形状就固定了。 4 对材料再次升温超过疋，s m p 材料的形状会随着温度的升高而逐渐恢复，温度达到 疋的临近值时，s m p 材料就会恢复原来的形状，即所谓的形状记忆特性。 这种材料在常温下，应变很小，可以看作是弹性材料，但是随着温度的升高，材料 的粘性特征越来越明显。当超声波在这种粘弹性材料中传播的时，粘性特征会引起能量 的耗散，主要表现为超声波的衰减以及波的频散。地球物理学领域，对粘弹波的研究一 直在不断完善中，如c a r l o 提出一个利用特征值复数法在一般线性粘弹介质求解表面波， 以绘制出在任意阻尼材料传播的r a y l e i g h 波的色散和衰减曲线，求解出各向异性材料的 表面位移和应力的特征方程【1 7 1 。n i c o s 基于相位谱法利用时频分析法提取瞬态r a y l e i g h 波频散曲线，比较结果认为该方法具有较高的精度，避免对相位差的限制【1 8 】。t h o m a s 探讨在m a t l a b 环境下应用有限差分法对均匀各向同性弹性半空间介质进行全波场模拟， 并讨论了地震剖面上使用该方法的可行性【1 9 1 。岳庆霞研究了土体中r a y l e i g h 波的传播特 性，根据r a y l e i g h 波的特点，首次提出了近似r a y l e i g h 地震波场的概念，并利用傅立叶变换 求得近似r a y l e i g h 地震波场，研究了地下综合管廊结构在r a y l e i g h 波作用下的响应。该 研究表明，对于浅埋地下结构而言，r a y l e i g h 波的影响不可忽略，且呈现出与剪切波作用 不同的特点，结构顶面对应点的轴向应变幅值是对应底面点的2 倍左右【2 0 】。 随着材料工业的发展，对粘弹材料及相关结构中的各种模式粘弹波的研究都在不断 完善中，如粘弹s h 波，粘弹l a m b 波以及粘弹r a y l e i g h 波，但是很多文献都是定性的 阐述物理事实，很少给出定量的研究结果。本文主要是探究粘弹性材料中r a y l e i g h 波激 发和传播，目的就是通过理论计算和实验研究得到粘弹性材料的粘性特征所引起的 r a y l e i g h 波衰减结果。 1 3 3 粘弹材料超声波衰减特性的研究进展 随着高聚物材料和复合材料等新型材料的不断发展，学者们开始更加关注原本固体 力学中所不考虑的粘弹性特征。近年来，将激光超声技术应用到粘弹性材料缺陷的无损 检测及其物理性能评价，已经成为炙手可热的研究课题。对于一般的弹性材料，在表面 张力作用下容易产生的表层张裂现象，即所谓的表面缺陷。在外界载荷作用下，裂纹底 部的应力集中将会引起表面裂纹迅速扩张，进而导致材料的致命性断裂，大大缩短了材 料的使用寿命，因而在航空及机械工业材料的无损检测领域中对机件的表面缺陷进行检 测具有相当于重要的意义。考虑到粘弹性材料中粘性特征受温度的影响，因此粘弹性材 6 硕士论文热驱动型s m p 材料加热过程中激光超声衰减特性研究 料中超声导波的激光激发、传播及其与材料缺陷相互作用的问题变得迫切需要解决。现 今在粘弹性材料的性能检测方面，主要采用的是压电换能器激发和检测超声导波来研究 粘弹性材料的物理性能。超声导波在粘弹性材料中传播时，材料粘性特征引起的能量耗 散，表现出波的衰减和频散。超声导波传播过程中，如果遇到声特性阻抗( 材料密度与 声速的乘积) 有变化时( 如出现缺陷) ，入射波也会发生反射、衍射及衰减等现象。在超声 导波中一般选择弹性表面波，即r a y l e i g h 波做检测，因为r a y l e i g h 波是由介质的弹性形 变诱发材料内部的应力应变而产生的，它只在厚度远大于其波长的物体表面层上沿面传 播。考虑材料的弹性性能，纵波和横波相互独立并分别以不同的速度传播，声表面波则 是纵波与横波在材料表面相互耦合的结果，位移轨迹呈现椭圆形状，振幅随传播深度的 增加衰减很明显，到达距表面一个波长以上的位置时，r a y l e i g h 波振幅已很微小。 沿弹性固体材料表面传播的声表面波与材料表层之间的相互作用相当明显，并具有 无色散、不易衰减等特征，但是在粘弹性材料中传播时，材料的粘性特征会引起波的幅 值衰减及频散。利用这一特性，研究声表面波振幅衰减特性是检验粘弹性材料物理性能 的理想方法，有助于评估材料的空隙率、微观裂纹分布、颗粒尺度、材料强度及软体组 织结构、以及定位和表征粘弹性材料的近表面区域缺陷。 南京大学声学实验中一巴, ( 1 9 9 5 ) t 2 l j 研究了在不同脉冲激光功率密度的情况下，p m m a 材料表面激发出的声表面波具有不同的信噪比，比较得出，功率密度为3 0 m w c m 2 的 脉冲激光激发出声表面波的信噪比最小。另外，测定了不同温度下( 2 5 6 0 c ) 声表面波衰 减程度，得出声表面波衰减与p m m a 粘弹特性的关系。脉冲激光在p m m a 表面激发超 声波的实验装置图如1 3 所示。数值模拟后，得到温度在2 5 6 0 之间变化及频率在 1 0 6 0 m h z 范围内变化时，p m m a 中激发声表面波的三维图1 4 ，从图中可以观察到声 表面波与材料温度相关的衰减特性。 图1 3p m m a 材料中激光激发超声波实验装置刚2 1 1 7 硕士论文 图i4 温度2 5 毒0 c 及频率10 - 6 0 m h z 变化时，p m m a 中声表面波的衰减三维图【2 1 i 韩庆g ( 2 0 0 6 ) 蚓基于基本粘弹理论推导出粘弹r a y l e i g h 波频散方程及位移表达式， 探讨了粘弹模量对波频散特性及衰减特性的影响。最终得出结论：在粘滞较小的情况下， 粘弹特性对相速度影响不大，波的衰减和粘滞模量近似成正比，而同样量级的体变粘滞 引起的频散及衰减比切边粘滞要小得多，经过数值计算枯弹r a y i d g l l 波瞬态波形，得出 与理论一致的结果。 图1 5 环氧半空间r = 5 m m 处及r = 7 m m 处瞬态r a y l e i g h 波形的衰减特性 一f 叁 言2。三垦n邑 硕士论文熟驱动型s m p 材料加热过程中激光超声衰减特性研究 孙宏祥( 2 0 0 9 ) 【2 3 1 研究在频域内建立粘弹性材料中激光激发r a y l e i g h 波的有限元数值 模型，通过比较粘弹材料和弹性材料中激光激发r a y l e i g h 波的差异，验证了有限元频域 数值模型的正确性，进而讨论激光激发粘弹r a y l e i g h 波的传播特征，分析了材料的粘性 劲度系数参量的变化对r a y l e i g h 波特征的影响。 蓉 强 篁 j 盘 图1 6 掠面纵波( s p ) 和r a y l e i g h 波( r ) 的振幅与粘性劲度参量倍数m 的关系曲线【2 3 1 激光超声技术在研究粘弹性材料方面是有效的。由于粘弹性材料本身的复杂性和多 样性，不同的粘弹材料粘性劲度参量不同，随着粘性劲度参量的增加，在同一接收点的 声表面波衰减的幅度增加，频散特征增强。而r a y l e i g h 波在粘弹性材料中传播的距离越 远，波的能量耗散越多，表现为振幅衰减加剧及频散特征增强，但是对于弱粘弹性材料， 在超声处理时，可近似看作是弹性材料。 本文主要考虑在热驱动型s m p 材料中激发点和探测点之间局域加热的过程中，对 声表面波衰减特性进行理论及实验的研究。随着材料的升温，材料的粘性特征变得越来 越明显，因此越来越多的声表面波被吸收和耗散，表现为材料升温至玻璃化温度附近时， 声表面波幅度衰减了三四个数量级。在同一数量级的坐标系中比较声表面波波形，可 见随着温度的升高，声表面波的振幅几乎衰减至零。 1 3 4 数值模拟的研究进展 到目前为止，理论上主要采用解析计算方法求解脉冲激光热弹激发超声的热传导方 程和热弹方程，其中包括双积分变换法、本征函数展开法和格林函数法。粘弹性材料中 激光激发超声导波的传播问题，一般是应用时间坐标的l a p l a c e 变换和空间坐标的 f o u r i e r 变换或h a n k e l 变换这种双积分变换方法求解热弹方程的变换解【2 4 】。但是将变换 解经过逆变换得到时间空间坐标系中的解比较困难，一般情况下难以用解析方法获得， 此逆变换需要借助于数值联合反l a p l a c e f o u r i e r 变换或反l a p l a c e h a n k e l 变换，但是数 9 l 绪论硕士论文 值联合反变换操作起来相当困难，并且该方法局限于简单几何结构的处理，只能得到表 面的垂直位移场。本征函数扩展法【2 5 】主要用于解决薄板中l a m b 波问题，因为薄板中 l a m b 波不需要考虑高阶本征模态的作用，当样品厚度增加时，需要同时考虑高阶模态 和低阶模态的高频分量，其计算较为复杂。格林函数法【2 6 】求解时采用的点源模型因忽略 激光热穿透效应而成为表面热源。在热弹机制下，脉冲激光激发出超声波的物理过程中， 这些解析方法都无法考虑到材料热物理参数随温度变化的实际情况。 与此相比，有限元方法是建立在严密的数学理论基础上，在结构力学、热力学等数 值计算领域中都有着广泛的应用，利用有限元方法开展激光超声的相关研究能够灵活地 解决复杂的几何机构，并且能够得到求解偏微分方程的全场数值解，这在激光超声的理 论研究中发挥着重要的作用。有限元方法可以处理物理参数随周围环境变化的影响，模 拟出各向同性、各向异性材料等复杂的结构中波的传播问题等，如实际问题中的热扩散、 光学穿透和材料参数随温度变化的，并能描述出结构中任一点时间与位移之间的响应曲 线。j j w a n g ( 2 0 0 6 ) 口7 】应用有限元方法研究热弹机制下激光在非金属材料中激发出声表 面信号。r a v i 和g u i l l e r m o ( 2 0 0 7 ) 1 2 8 】利用有限元方法对低频激光在低于波长厚度的样品层 中激发p 波的过程进行模拟，模拟中测量出不同层的机械常量( 厚度、弹性模量、泊松 比、密度和衰减) 和真实材料之间差别甚小。a c h l a d k y - h e n n i o n ( 1 9 9 8 ) 2 9 】利用有限元 时域方法研究了浸在液体中的超声导波的传播，并给出了浸入液体结构的理论公式，考 虑树脂玻璃和黄铜楔形板的不同角度，分别模拟出楔形波的传播和激发。a o i s h i 等人 ( 2 0 0 1 ) p o 】通过神经网络反演分析方法利用激光超声来确定固体表面下的缺陷，反演方 法包含三个子过程：首先，识别样本数据的常量，相应地，用动态有限元方法计算表面 上许多监测点的位移动力响应；然后，用样本数据计算后向传播的神经网络；最后，将 建立好的神经网络用于缺陷定位。实验和数值模拟相对于样品厚度分别有1 2 5 和4 的误差。r q x u 等人1 3 l j 利用有限元法模拟计算出了脉冲激光辐照铝板表面，在表面层 附近有限区域内形成的瞬态温度场，提出将温度场作为结构分析的载荷数值计算了脉冲 激光在单层和双层材料中激发出超声信号的位移场。 在本文的研究中，采用有限元方法对脉冲激光作用于热驱动型s m p 材料表面激发 出声表面波的物理过程进行模拟。通过热力循环拉伸实验【3 2 】测出弹性模量随温度的变化 值，并拟合与温度相关的导热系数、密度、热扩散系数及焓值来考虑材料局域加热的实 际问题。数值模拟结果表明弹性模量在加热过程中不断减小，对声表面波的影响最大， 因此对材料弹性模量的研究可作为评价材料粘性特征的有效手段。 1 4 本文的主要研究工作 通过查阅国内外有关激光超声与粘弹性材料方面的文献资料，结合激光源加载方式 对改善系统信噪比的影响，确定了本文的主要研究方向。对常温和热驱动型s m p 材料 1 0 硕士论文热驱动型s m p 材料加热过程中激光超声衰减特性研究 局部加热状态下，脉冲激光线源激发声表面波物理过程分别进行有限元模拟，并对模拟 结果进行分析和比较。在实验上，利用激光源三倍频后的紫外光进行声表面波的激发， 分析p v d f 传感器探测到的结果，并与数值模拟结果进行比较。本文的工作主要从以下 几个方面展开： 1 在不考虑粘滞系数的情况下，建立脉冲激光线源辐照热驱动型s m p 材料表面的理论 模型，采用有限元方法对该模型中r a y l e i g h 波产生的物理过程进行模拟，比较不同 接收点r a y l e i g h 波波形的相关特征，讨论影响r a y l e i g h 波位移信号幅值变化的因素。 2 建立材料激发和探测点之间加热时脉冲激光线源辐照热驱动型s m p 材料表面的理论 模型，应用有限元方法对该模型中声表面波与加热区域的材料相互作用的物理过程 进行数值模拟，研究加热的不同阶段材料粘性特征对声表面波信号影响，即弹性特 征减弱与声波面波波形变化趋势的关系。比较数值模拟结果，分析材料加热软化过 程中脉冲激光线源激发出r a y l e i g h 波的衰减特性。 3 建立了热驱动型s m p 材料表面应力分布的激光超声探测系统，该系统利用大功率脉 冲激光器经过三倍频产生的紫外光在样品表面激发r a y l e i g h 波，用p v d f 薄膜附着 在微型柱状刀劈上，通过声电转换的方式接收超声表面波。同时，采用电烙铁简单 加热方式对材料的激发和探测点之间进行局部加热，实现了在样品加热过程中 r a y l e i g h 波的激发和探测。 2 脉冲激光线源激发粘弹声表面波的有限元模型硕士论文 2 脉冲激光线源激发粘弹r a y l e i g h 波的理论模型 脉冲激光采用不同的激发方式( 如点源、线源和阵列等) 辐照到材料表面，会激发出 不同特征的超声波( 如体波、声波面波、薄板材料中的l a m b 波以及多层材料的l o v e 波等) 。由于在能量相同的前提下，脉冲激光利用线光源产生的信号要比点光源产生的 信号幅度强度多( 大约5 - - 1 0 倍) 郾l ，本文采用线光源加载方式。同时，线光源的能量分 布在线长度范围内，因此不仅能量密度被降低了，而且不会烧蚀材料表面，所以本文将 脉冲激光用柱面镜汇聚成一线光源为线光源，照射到固体表面，这样在不破坏表面的情 况下，输出更高的能量，明显地提高了信噪比，改善了超声波形。 粘弹性材料是自然界广泛存在的一类材料，如聚合物、复合材料、岩土等，有些材 料尽管常温下不呈现粘弹性性质，但是在高温，或长时间历程上考虑具有粘弹性。粘弹 材料兼具某些粘弹性液体和弹性固体特性的材料。粘性液体在一定受力状况下具有损耗 能量的能力，不能储存能量；而弹性材料能储存能量而不耗散能量。粘弹性材料介于两 者之间，当它产生动态应力和应变时，部分能量能够储存起来，而另一部分被转化为热 能耗散掉 3 4 1 。这种能量的转化和耗散，表现为机械阻尼，起到良好的减震和降噪作用。 粘弹性材料根据其本身的掺杂程度的不同，粘性劲度参数也不同。随着粘性劲度参数的 增大，在同一检测点的声表面振幅衰减程度也增加，频散特性也增强。对于弱粘弹性的 材料，在处理激光超声问题时，可近似地将其作为弹性材料处理；而随着材料温度的升 高，材料产生相变，则粘性特征变得更加明显，即材料的粘滞系数也随着温度的升高而 大幅度增加，明显加快了超声波的衰减【3 卯。 本章主要是基于热粘弹理论，建立热驱动型s m p 材料激发和探测点之间局部加热 过程中脉冲激光线源激发声表面波的理论模型。 2 1 热弹激发超声的理论模型 在热弹机制下，当激光点源辐照到形状记忆高分子复合材料表面时，由于粘弹性材 料在常温下可以近似的看作是弹性材料，因此考虑该材料各向同性的弹性性质及载荷强 度在空间上轴对称的分布特征，可以将三维空间的问题简化为二维平面问题进行求解。 而当脉冲激光线源辐照到非金属样品表面时，复杂的弹性问题则需要借助于物理模型及 载荷强度在z 方向上的均匀分布，基于平面应变理论也可把这类问题简化为二维平面问 题进行求解。 在脉冲激光源热弹激发超声波的过程中，不仅包括瞬态热扩散，而且还包括瞬态弹 性波的激发和其在有限空间中的传播，而一般的解析方法都无法考虑材料热物理参数随 温度变化的实际情况。而本文在考虑相变所带来的材料物理参数随温度的变化的同时， 1 2 硕士论文熟驱动型s m p 材料加热过程中激光超声衰减特性研究 利用有限元方法处理各向同性且结构复杂的材料中波的传播问题，由此来得到全场数值 解。 2 1 1 热扩散理论模型 图2 1 为激光脉冲线源辐照到形状记忆高分子复合材料样品表面的示意图，其中入 射脉冲激光束经柱面透镜会聚成线激光源，选取激光线源的长轴方向为y 轴。激光能量 在y 轴方向上服从均匀分布，于是在描述表面载荷强度分布的函数关系式中无y 轴方向 的分量，而沿x 方向具有高斯分布的特征。在热分析中，模型在y 轴方向上不存在温度 梯度，所以不发生热交换。为了对理论模型进行简化，假设模型在y 轴方向上的尺度远 远大于其它方向，且入射激光能量很低，激光脉冲作用使非金属产生温升，但是不引起 相变。同时，为了分析方便，同时我们假定材料的热学性质不随温度发生变化。 对于半无限大的板层( 半空间) 中的热传导方程是 v 2 t + 垒：一