（测试计量技术及仪器专业论文）激光超声的弹性振子点阵数值模拟.pdf

硕士论文 激光超声的弹性振子点阵数值模拟 摘要 本文在对激光超声无损检测的实验探索和数值模拟等研究方法进行了简要的回 顾的基础上，重点建立了脉冲激光超声的二维弹性振子点阵模型( m l s m ) ，将其运用 于不同材料中的激光超声研究，包括体材料，有表面缺陷材料和双层材料。 首先，本文将激光作用等效为垂直力源，在各向同性体材料中建立弹性振子点阵 模型( m s l m ) ，通过受力分析，推导出多种边界条件下，二维全场节点的弹性振子点 阵格式，得到了单层金属材料表面、对心和偏离对心接收的数值模拟波形。其次，建 立了表面裂痕金属材料中的m s l m ，并对表面、对心和偏离对心接收的激光超声波形 进行了对比和分析。讨论了表面接收的不同波成分在裂痕前后波形的各种变化，分析 了反射、衍射波形的中的各种模式及其变化规律。并通过掠面纵波是否有双峰等特征 去定性的判断裂痕位置。判断出波形中各模式成分，并对比了不同材料中声波的波速 和激发效率。最后，利用躯l m 在处理层状材料模型交界面上的独特优势，数值模拟 出了铝镍基底涂层材料的声表面波的产生和传播。 基于m s l m 的数值模拟结果与其他方法的数值模拟结果及实验结果吻合。由于应 用m s l m ，结合有限差分的成熟算法，能够比较精细地计算出超声波在弹性介质中的 传播过程，且该方法易于处理含有缺陷材料或多层材料中的边界问题，因此将其应用 于激光超声问题研究是很有意义的，且对相关的数值模拟和实验研究具有很好的参考 价值。 关键词：激光超声，弹性振子点阵模型，表面缺陷，双层材料 资助项目：国家自然科学基金资助项目n o ，6 0 2 0 8 0 0 4 ： 江苏省自然科学基金： 教育部高校优秀青年教师奖励计划。 硕士论文 激光超声的弹性振子点阵数值模拟 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o ne s t a b l i s h e sat w o - d i m e n s i o nm a s ss p r i n gl a t t i c em o d e l ( m l s m ) t o m o d e lt h el a s e r - g e n e r a t e du l t r a s o n i cp r o c e s sf r o mt h ed i f f e r e n tm a t e r i a l s ，w h i c hi sb a s e d o nt h eb r i e fr e v i e wo ft h e e x p e r i m e n t a l m e t h o da n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fl a s e r - - u l t r a s o n i c am a s ss p r i n gl a t t i c em o d e li s p e r f o r m e df i r s t l yi nt h ei s o t r o p i cm e d i u ma n dp u l s e d l a s e ri sa s s u m e dt ob eav e r t i c a lf o r c e t h r o u g ht h ea n a l y s i so f f o r c ea c t e do nt h en o d e s t h e m a s ss p r i n gl a t t i c ef o r m u l a t i o no ft h ew h o l ef i e l dw a sd e d u c e du n d e rt h ea l lk i n d so ft h e b o u n d a r yc o n d i t i o n sa n dt h ew a v ef i g u r e si sa t t a i n e d ，w h i c hh a v eb e e nr e c e i v e do nt h e s u r f a c e ，o nt h ee p c i c e n t e rs u r f a c ea n da l s oo nt h ed e p a r t u r e de p c i c e n t e rs u r f a c eo ft h e o n e l a y e rm e t a lm a t e r i a l f u r t h e r m o r e ，t h em s l m i sa l s ou t i l i z e di nt h em a t e r i a lw i t h s u r f a c ec r a c ka n dt h ew a v e f i g u r e sa r ec o m p a r e da n da n a l y z e dw h i c h w e r er e c e i v e do nt h e s u r f a c e ，o nt h ee p c i c e n t e rs u r f a c ea n da l s oo nt h ed e p a r t u r e de p c i c e n t e rs u r f a c e t h e c h a n g e s o ft h ed i f f e r e n tw a v e c o m p o n e n t s ，w h i c ha r e r e c e i v e do nt h es u r f a c e sa r e d i s c u s s e d ，a n dt h ev a r i o u sf o r m a t si nt h er e f l e c t e dw a v e sa n dd i f f i a e t e dw a v e sa n dt h e r u l e so fc o n v e r s i o no ft h e mi s a n a l y z e d e s p e c i a l l y , t h ep o s i t i o n o ft h ec r a c kc a l lb e a p p r e c i a t e do b s e r v a t i o n a lt h r o u g ht h ec h a r a c t e rw h e t h e rt h ed o u b l ep e a k sa p p e a ro rn o t t h ev a r i o u sf o r m a t sc o m p o n e n t si nt h ew a v e f i g u r ea r ea p p r e c i a t e d ，a n dt h es o n i cv e l o c i t y a n de x c i t a t i o ne f f i c i e n c y l a s t l y , t a k i n gt h ep a r t i c u l a ra d v a n t a g e so fm s l mi nd i s p o s i n g b o r d e ro fl a y e r e d m a t e r i a l ，t h eg e n e r a t i o n a n dt r a n s m i s s i o no fs a wi nt h ea 1 n i s u b s t r a t e c o a t i n gm a t e r i a la r en u m e r i c a ls i m u l a t e d t h en u m e r i c a lr e s u l t sb a s e do nm s l m s h o w g o o da g r e e m e n t w i t ht h er e s u l t so f o t h e r n u m e r i c a lm e t h o da n de x p e r i m e n t u t i l i z i n gt h em s l m j o i n t e dw i t ht h ef i n i t ed i f f e r e n c e s o p h i s t i c a t e da l g o r i t h m ，t h eb o r d e rp r o b l e mc a nb ed i s p o s e ds u c c e s s f u l l y i na d d i t i o n ，t h i s m e t h o dc a nc a l c u l a t ep r e c i s e l yt h a tt h e p r o c e s so f u l t r a s o n i cp r o p a g a t i o ni ne l a s t i cm e d i u m ， s oi ti s s i g n i f i c a n to fu t i l i z i n gi ti nt h el a s e r - g e n e r a t e du l t r a s o n i ci n v e s t i g a t i o na n da l s o p r o v i d e sr e f e r e n c ev a l u ef o rr e l a t e dn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h k e yw o r d s ：l a s e r - u l t r a s o n i c ，m a s ss p r i n gl a t t i c em o d e l ，s u r f a c ec r a c k ，d o u b l el a y e r 2 硕士论文激光超声的弹性振子点阵数值模拟 1 绪论 1 1 激光超声原理和研究现状 当液体、固体或气体受到强的激光( 1 a s e r ) 束( 脉冲的或连续调制的) 照射时会 产生激波和声波。激光激发的超声波是伴随激光激发激波而后产生的超声波，也有没 有激波伴随直接由激光激发的超声波两种。不管属于哪一种，凡遇激光导致的超声叫 做激光超声。研究激光激发超声的机理、方法和技术，激光超声在媒质中传播特性， 激光超声的接收原理、方法以及激光超声检测技术的应用等的学科称为激光超声学和 激光超声技术。它是新发展起来的涉及光学、声学、电学、材料科学、生物学、医学 等多学科交叉的学科和技术，有着非常诱人的科学和应用的前景。 1 1 1 激光超声不同的分类方式 ( 1 ) 调制激光超声和脉冲激光超声。前者是一束强度被射频频率的声光或电光调 制器调制的强的连续激光激发超声、后者是用单次或重复频率f = 1 几k h z 的调q ( q s w i t h ) 脉冲激光激发超声、光脉冲的持续时间( 即半高度的全宽度f w h m ) t 为微秒( t ls = 1 0 1 s ) 或纳秒( n s = 1 0 。9 s ) 量级，以及重复频率为7 6 m h z 或8 0 e z 以至 更高的锁模( m o d e l o c k e d ) 或锁模调q 激光激发超短脉冲。激光的子脉冲宽度t 为 几十皮秒( p s = l o 。1 2 s ) 或亚皮秒( l p s ：量级。 ( 2 ) 纳秒或皮秒激光超声。前者激发用光脉冲的t 为纳秒量级，后者为皮秒或 亚皮秒，这两者激发机制和接收方法以及检测均不相同。 ( 3 ) 全光激光超声和非全光激光超声。前者是用激光探针法接收，后者用非激 光探针发接收。 ( 4 ) 非接触式和接触式激光超声。前者用光探针、电容、电磁和空气换能器接 收。后者用压电换能器( 石英。铌酸锂，压电陶瓷及薄膜等) 接收。 ( 5 ) 直接激发和非直接激发的的激光超声。后者指在样品表面覆盖一层液体或 吸收膜，光被液体或膜吸收( 有时亦有一部分光透入样品) 激发声。 1 1 2 激光超声的特点 用脉冲激光激发超声是一种既方便又灵活的方法。 激光激发与压电激发相比是激光超声的特点如下： ( 1 ) 激光激发超声是光直接照射样品产生，光与样品之间无须耦合剂，也不必用水 浸法做检测，是非接触式的。可消除因耦合剂引起的附加影响。 硕士论文 激光超声的弹性振子点阵数值模拟 ( 2 ) 激光源和激光接收系统可放在远离样品( 如已实现的有1 5 5 m 远) 的地方。 它有远距离遥控激发和接收的特点，能在酸、碱、高温高压、及辐射等恶劣环境下进 行检测，具有向工业上在线检测和质量坚控发展的潜力。 ( 3 ) 可以在非压电体( 金属、绝缘体、陶瓷、有机材料等) 中直接激发超声， 不须借助于压电换能器。 ( 4 ) 激光激发超声，能一次同时在体样品中激发出纵波、横波、头波、和声表 面波( s a w ) 。在板中激发出板波。而在电超声技术中一种换能器只能激发一种波形， 不同模式波须用不同换能器。 ( 5 ) 用宽带接收器作非接触式对心( 即在样品激发点的中心垂直正对面称之为 e p i c e n t e r 点) 接收激光超声时，可同时接收到纵波和横波。若样品厚度已知，则可由 一次实验求出该样品的纵波和横波声速，进而求出弹性模量和泊松比。这是一般电超 声方法做不到的。 ( 6 ) 当激光脉冲的宽度为t 时，激发出超声脉冲的脉宽与t 相近而略宽些，而 的加宽程度与材料特性有关。一般调q 脉冲激光器的t 为4 0 n s ( 红宝石激光器) ，8 n s ( n d ：y a g 激光器) 。锁模调q 激光器子脉冲的r 3 5 p s 和锁模染料激光器1 o 2 p s 或f s ( 1 0 。1 5 s ) 。所以激发出的声脉冲亦很窄。具有频带宽的特点。而压电换能器却不 能达到。因而，激光超声技术检测材料特性的时间和空间分辨率可大大地高于电超声 的分辨率。 ( 7 ) 激光声源十分灵活，声源的形状、大小取决于光学元件、系统和调节。小 的为几十微米( t u n ) 大的用扩束实现。有点、盘、线、环及栅状源等等。微小点源或 细线源具有很好的局域性，可对电超声法难以实现检测的薄样品或有固定形状( 如航 空构件) 的试样表面实现检测，包括缺陷、声速、声衰减和各向异性特性的检测“1 。 1 1 3 激光超声的缺点 激光超声的缺点是建立系统的价格比电超声昂贵的多、激发效率比较低，声源性 质与激光功率密度有关，在实行检测时要针对使用全过程的需求调节激光器的工作状 态及光学系统，使其在整个实验过程中相对稳定。对强激光要注意安全防护。 1 1 4 激光超声近些年的发展和应用前景 近年来，利用激光超声研究材料的特性和参量( 特别是弹性性质) ，己引起国内 外学者的广泛兴趣和重视。随着航空航天、微电子工业中各种复合材料、薄膜材料的 出现和应用，非常需要对材料的力学、热学、光学性能和微结构进行测试分析。由于 短脉冲激光能激发宽带声脉冲，并且可以非接触方式同时激发纵波、横波和表面波等 各种波型，因此激光超声技术在对复合材料、薄膜基底系统进行参数、性能测试中 2 硕士论文 激光超声的弹性振子点阵数值模拟 可发挥重要作用。可以说这类研究不但具有科学意义，同时还具有重大的潜在应用价 值。 最早是w h i t e 。3 和a s k a r y a n 。1 于1 9 6 3 年各自独立的提出了用脉冲激光激发声波， 前者考虑固体，后者考虑液体。接着r a m a s d e n “1 和b u n k i n “1 以及s t e g m a n “3 观察到强 激光在固体中产生的爆炸波( 称l s d 波) 和大气中产生的点火和燃烧波( l s c 波) 。 实际上这两者均是激波，由介质破裂引起的，都会随时间和距离增加而衰变为声波。 自此以后激光激发应力脉冲( 声脉冲) 的研究就不断的发展起来，在三种媒质中的激 发研究均有很大进展。鉴于本章关心的是对固体的检测应用，故这儿重点简述固体中 激光超声的发展简史。 在1 9 6 2 、1 9 6 3 年，w h i t e 演示了固体靶由于吸收激光、微波、电子束等辐射脉 冲而产生弹性波的实验，也提出了由瞬态表面热化而产生弹性波的一维理论。不久又 演示了用红宝石激光器激发，用梳状换能器接收声表面波的实验追溯起来，这就是 激光超声技术的开始。 1 9 7 6 年b o n d a r e n k o 等“3 首先将激光超声技术用于材料实验。用调q 红宝石激光 激发，用带宽为5 k h z 至1 5 0 m t t z ，位移灵敏度为l o 。9 m 的干涉仪检测由两层抛光的不 锈钢板钳在一起的人工缺陷。 1 9 8 0 年c a l d e r 等”1 用相似的方法( n d ：g l a s s 激光激发) 检测来自l5 6 m m 的人 工圆柱缺陷的散射波。这人工缺陷是制作在2 5 m m 厚的铝板中心。w e l l m a n 等用能量 为1 j 的红宝石激光器激发，干涉仪检测，分辨出两个直径为2 m m 的平行的人工钻孔 缺陷。之后h u t c h i n s 和n e d e o u 等”1 用n d ：y a g ， o 8 j 和带宽为4 0 n i z ，灵敏度为 i n m 和具有低频稳定系统的干涉仪进行表面缺陷的检测。m o n c h a t i n 建成共焦法b 利 一泊罗( f a b r y p e r o t 简f p ) 干涉仪，首次实现了在l m 远处对未抛光的钢板进行激 光超声的检测试验。b e u r k o f f 等“”采用t = 6 n s ，e o = i 0 2 1uj 的燃料激光器来激发 超声，是使用低能量激光( 比以前用的低几个数量级) 激发超声的开始。 与激光超声技术应用相平行的研究是激光超声激发机制、模式和方法。1 9 7 9 年 l e d b e t t e r 等最先检测到一次激发同时产生的纵、横波和s a w 。只是激光的e = o 3 - i j ， 检测时样品表面有损。a i n d o w 等“”用e = 3 0 叮的激光器，达到同样的结果。后来， 在更低的光脉冲能量和确保样品表面无损时达到相同的结果。值得提出的是1 9 8 0 、 1 9 8 2 年s c r u b y ，d e w h u r s t 等“”人对激光在金属中产生超声波形进行了定量的测量， 并利用面内正交力偶模型解释了热弹条件下激发现象，用垂直力模型解释了融蚀条件 下的激发现象，为激光超声的应用技术打下了基础。1 9 8 4 年r o s e “3 1 运用表面点源表 象，求得在热弹条件下，聚焦激光束在金属表面激发超声波的解析表达式，与前人的 实验结果除了在纵波到达处实验上出现的微小前驱小波( p r e c u r s o r ) 有差别外，可 以定量地符合。可以说这时，已经奠定了热弹条件下激发弹性波的实验和理论基础。 硕士论文 激光超声的弹性振子点阵数值模拟 从6 0 年代开始到8 0 年代中期，脉冲激光超声的快速进展可在若干综述文章和书中看 到。自此以后，激光超声向更深入更实用的方向发展，例如： ( 1 ) 对心接收( e p i c e n t e r ) 波形中的前驱小波( p r e c u r s o r ) 的成因和条件有了进 一步的的认识。s c h l e i c h e r t 等最先提出体源概念，理论上计算出该波的存在。还有 一些在他们之前和之后计及热扩散性效应，光对材料的穿透性，有热波伴随，声波在 埋着的源部分到达上表面产生模式转换反射效应，表面有等效垂直力存在和样品( 金 属) 表面貌似无损，实际上已进入有可逆相变状态而导致( 这一观点可以由重复性地 观察到在某能量闽值下，确实有和没有前驱小波证明) 等等均可归入体源形成之列。 至于什么因素为主则与材料和激光的特点有关。不管如何，这个小波实质上是纵波， 它对材料无损评估( 本文第五章对此有更详细地描述) 十分有用。 ( 2 ) 在半导体中，脉冲激光激发超声，除热效应( 包括热弹和融蚀效应) 外，还有 载流子效应( 对非压电半导体) 和载流予效应加瞬态反压电效应( 对压电半导体) 。 载流子，瞬态反压电效应只有在照射光量子的能量大于和等于e g ( 半导体能隙) 时 占优势。由带间吸收产生电子体积( 即应变) 效应激发s a w 波的效率比热弹效率高。 激发的波形极性与热弹的波形相反( 对s i ) 或相同( g e ) 。取决于畸变势的常数的符 号对s i 为正，对g e 则为负。近表面带间光吸收瞬态反压电效应在体c d s 表面激发表 面波和浅表体波( b g 波) 或在两个材料联结处激发出切变体波( s h 波) 在压电负载 和弹性负载条件下的激发效率都有所增高。对g a a s ，当激光脉冲的t = 2 5 p s 时，电 子效应的激发效率比热弹的约大l o 倍，而反压电效应激发效率比电子效应的又约大 1 0 倍。 ( 3 ) 激光激发板中l a m b 波和应用的研究已用在高温1 2 0 0 。c 下的检测和层析成像。 ( 4 ) 超短脉冲激光超声技术进展迅速已实现了对几十至几百n m 的薄膜，以卜l o n m 的空间分辨率的微结构和参量检测。现在已激发出上限达4 4 0 g t t z 的高频大带宽声。 ( 5 ) 非接触式的激光检测又有了长足进步。己报道的带宽达i o g h z ，和实际上室温 下已检测到9 6 0 9 j l z 的s a w 的光探测方法。在用f _ p 干涉仪对粗糙表面检测激光超声 基础上发展出实现同时在一平面( 可以是粗糙表面) 上检测声表面波的平行和垂直于 表面的位移的双通道f - p 干涉仪以及用长持续时间的脉冲激光作为f p 源，实现5 m 距离远处的在位检测。 ( 6 ) 实现了对一些电超声难以或不能检测的材料进行检测，如衰减很大的p m m a ，复 合材料，几十至几百b m 厚，直径$ n u n 的金属箔或纳米材料等等。 ( 7 ) 非接触式的高温检测，实时监测陶瓷的烧结过程，遥测焊接深度和高温检测板 厚。 ( 8 ) 大型的非平面的构件的实施检测。 ( 9 ) 为了适应工业在线检测需要，保证试样表面无损，而又能获得较高的激发效率， 里兰竺苎燮堂塑兰竺壁丝堡王生堕塑堕堡垫 发展了在工业应用的超声带宽的多元激光源系统“1 。 1 2 激光超声的激发 1 2 1 概况 当液体、固体和气体受强激光束辐照时会产生激波或声波，有些大功率激光器本 身( c 0 2 激光器) 在其腔体内亦有因冲击而产生的声。当激光功率密度 4 1 0 2 w c m 2 时，就观察不到可检测的声。例如：g r i e n z a “”用锁模调q 激光器( 频率2 0 0 m h z ) ， 激发出2 0 0 m h z ，4 0 0 渊z ，6 0 0 n t z 声波，甚至在室温下还观察到2 g h z 的几个回声。 g u f f e l d “5 1 等用氮分子( n 。) 激光器激发出2 0 5 狮z 的超声。 l 2 2 激光激发超声的物理机理 如果单个脉冲的光功率密度足够低，则金属表面不受损伤，这时在照射点附近的 表面薄层产生急剧的热膨胀，正是这个热弹效应激发了偏振方向与表面平行的应力波 即剪切波。激光激发超声的振幅或效率与激光功率密度、波长和材料特性有关。激光 功率密度i 必须达到一定值才能激发出可检测的声波，亦即使晶格动能增加，即温度 升高导致局部膨胀所产生的样品局部应变可检测。 在这个过程中，一部分电磁能被表面吸收并转换为热能，随后在产生膨胀的表面 薄层内产生了热弹应力和应变，只要激光脉冲很短 l o o n s ，热弹源位于很薄的表层 内( 约1 2 微米) 在热弹机制下，如果金属表面为自由表面，则主要应力是与表面平 行的，虽然也有与表面垂直方向的应力，但很小。 所以这种情况下，主要激发出超声横波，相对幅度很小的纵波。此外还激发出瑞 利波。横波和纵波是单极性的，瑞利波是双极性的3 。 小功率激光在介质中产生超声，主要的机理是光能在介质中转换为热能，从而引 起材料的局部热膨胀，导致局部应变，而由于激光是脉冲式的，这种局部应变也是脉 冲式的，这就形成典型的脉冲声源，产生超声波。这种机理称为热弹机理。热弹状态 下的超声的激发是完全无损的。当输出激光被聚焦，照射功率密度增大，达到 1 0 m w c m 2 时，金属表面产生了等离子体，几微米厚的表层被烧蚀，产生了一个反作 用力，此应力的方向与表面垂直，可激发出超声纵波和表面波。激光脉冲的时间宽度 一般很窄，工业上常用i 0n s 级的，这时超声的脉冲时间宽度只稍许大一些，有的频 宽达几十兆赫在实验室中，激光如果是皮秒级的，则超声的频率上限可达百吉赫级。 前面提到，我们把激光通常是用作超声源。对于任何超声源，一般需要了解它会产生 什么样的超声波，即所产生超声波有哪些声学特性。标准的声学特性包括波形、振动 幅度和指向性图案，最后一项标志介质内在不同方向的相对振幅。在8 0 年代初期， 硕士论文 激光超声的弹性振子点阵数值模拟 研究者们对激光在金属里产生超声的这些持性进行了测量，波形的测量比一般的测量 要困难，这是因为一般的测量是用压电换能器来测量，也是由压电换能器产生的超声， 而压电换能器，无论是发射的还是接收的，频带都相当窄，通常只有几兆赫；激光超 声的频带却宽得多，如用压电换能器来测量，只能测量出激光超声的一小段频谱，以 致给出畸变了的波形。为了测量激光超声的真正波形，对于纳秒级的激光源，需要采 用带宽可达几十兆赫或更宽的电容式接收器，或者带宽可达百兆赫的激光干涉仪。这 两种测量仪器，与压电换能器相比，灵敏度日前都较低，但它们仍可测出直接发射的 激光超声波形。所给出波形没有畸变，这可以从下列事实来旁证：一是两种仪器测景 出的波形相同，二是这些波形同理论预计的一致n “。 1 3 激光超声的应用 1 3 1 脉冲激光超声的发生 在传统的脉冲超声的无损检测中，时间分辨率受整个系统的带宽( 包括激发源、 接收器及相关电子设备等) 的限制，只有特殊的情况能达到ns 量级即使如此，对研 究微结构还是不合适的，因为l n s 的时间分辨率相当于空间分辨率约5 9 m 。为研究尺 寸小于1 0 0 0 a 的薄膜或微结构，则要求换能器和信号处理技术具有更高的时间分辨 率。激光技术正是能满足这样的要求，因为有可能产生宽度小于1 0 0 4 s 的光脉冲。现 在已完成利用p s 光脉冲达到声脉冲空间分辨率为1 0 一1 0 a 。 利用此法还曾对于层厚度仅为几百埃( a ) 的多层膜以及超晶格薄膜的声学特性及其界 面微结构进行了检测与研究，并与计算机模拟相结合得出了很好的结果。由于p s 光 源是一个迅速发展的领域，不久的将来，口s 激光超声也一定会显示出更实用的效果m 3 。 1 3 2 脉冲激光超声在无损检测中的应用领域 激光超声，由于具有非接触式、非破坏性等优点，近年来深受重视。其检测机理、 技术和应用均在探索和研究之中，新型光学技术( 如干涉仪和光导纤维) 的运用，无疑 大大提高了激光超声检测的灵敏度，因此有极大的应用价值。一些具体的应用如下： 空气耦合超声换能器通常被用作超声检测的接收装置。由于其非接触操作方式， 近年来引起很大的兴趣。为了使换能器在空气中有良好的发射效率或接收灵敏度，以 及宽带频率响应，对空气耦合电容式换能器的结构、前匹配层以及后背衬均需做精心 设计和制作。目前利用集成电路工艺研制的空气换能器可达数十兆赫带宽，并已用于 无损评价，特别是经常用于薄板中蓝姆波的激发和接收，以在线地检测板中缺陷或有 关的物理参量定征。 硕士论文 激光超声的弹性振子点阵数值模拟 复合材料强度重量比较高且耐高温等，是比较理想的工程材料。它广泛应用于二 航空航天、水下和汽车工业，因此，其结构和可靠性问题引起极大的关注。利月j 传统 的超声无损评价技术可以检测其宏观缺陷( 如断层、裂缝等) ，但对于微细的缺陷( 如纤 维分布不均匀、孔隙率等1 则无法检查。目前已提出一种确定其微观性质的有效方法， 用测量声速以确定其劲度模量( 或弹性系数) ，用测量声衰减以确定孔隙率。由于复合 材料多为层状材料，因此常常采用l a m b 波( 板波) 传播模式。 涂层和界面评价是近几年发展起来的新课题。由于氮化硅( s i 3 n 4 ) 等陶瓷材料具有 高强度、耐磨、耐高温和抗腐蚀等优点，已广泛应用于先进工业零部件的制造。但在 制造过程中可能会在涂层表面、界面和层内产生缺陷，降低涂层的性能。目前利用多 种超声成像、光声成像和红外热波成像技术来检测涂层表面和界面的质量，均取得很 好效果。随着涂层材料品种的变化，检测技术也在不断发展，利用非线性效应建立的 弹性波技术正越来越引起重视“。 剩余应力严重影响材料的性能，利用超声传播速度的精确测定来研究剩余应力分 窃情况是长期研究的课题之一，但由于材料本身各向异性等结构的影响，致使剩余应 力测定不准确。 目前提出了测定二阶和三阶弹性常数的方法，应用表面瑞利波色散技术、切变波 干涉技术等对剩余应力进行绝对测定，从理论和实验两方面对金属和复合材料内剩余 应力分布进行了精确评估。确定混凝土结构表面破损、裂纹等的深度是很重要的。这 方面，目前已将超声技术与多种信号处理技术相结合，研制成各种新型超声仪器，加 数字化脉冲压缩超声测试仪，还采用了补偿超声技术，广谱超声技术和超声层析成像 等。 水下或地下管线检测，主要是利用l a m b 波( 板波凇测技术。 脉冲激光技术广泛的的应用于对气体、液体和固体的特性检测。本文主要讨论对 固体材料的特性检测。 电超声技术在材料的无损检测方面有着广泛的应用，独占一席，至今未衰。但由 于须要用耦合剂或水浸法，以及制造压电换能器本身材料特性的限制等，使得这一技 术的应用有了若干的限制。如一般耦合剂适用温度范围 i 0 0 。p z t 换能器使用温 度 3 0 0 c ，铌酸锂换能器 e 。) 。中问的波形是用f o = 5 t i 肛t z 的矩形i d t 接收， 在热弹区( e 积大 杖i 豫侣石榴石 o 口1 1 02 5 6 0 应用广泛秉藏 ( b i d t y a g ) ( i l lq 】 1 0 6 1 0 0 0 蟹凑对慨重蔓 0 - 0 0 8 o 0 s 3 0 p s 率有效 敏，玻璃 ( n d e a l b ) 1 0 6 l 一1 dl o 一5 0 1 0最高功率应用 ( 滑q ) 红宝石( r u b y ) 0 6 9 4卜一1 0 一5 0 s o 高功率应用。 ( 诵q ) 0 2 4 9 准分子( k r f 为饲) o 1 11 卜2 51 0 z 0 0 激发觳高 0 1 9 3 7 8 m i - i t 馈横染料 d 5 8 0 一o 6 2 a0 2 n j 一1 0 m jo 2 芦一6 n -特超声激发 8 2 m h 氟分子蠢光轴 o 3 3 7 n ml m j0 s m ，s n 激发效率毫 图2 3 固体中，激光超声实验的四种基本配置图 ( - ) 透射式( b ) 斜透射式( c ) 单边测量( d ) 脉冲回声 击 图2 3 中，图( a ) 对检测平面缺陷特别有利，( b ) 适合于热弹机制激发的纵波 和横波检测，( c ) 适合于用表面波检测表面破裂和缺陷以及由体缺陷引起的衍射超声 波的传递时间检测，( d ) 是模仿般回声法的配置。实际上，具体检测系统大同小异， 归纳起来不外乎三种。我们建立了三种系统，其框图见1 , 4 。其中图( a ) 供体波检测 用，图( b ) 供声表面波以及在平面内进行各向异性检测，图( c ) 是另一种体波接 收方式，除了用p v d f 及电容还能器外其他的还能器也都可以，未一一列出。 在许多超声检测的应用中，尤其对声发射检测，是用传递函数来表示还能器或系 硕士论文 激光超声的弹性振子点阵数值模拟 统的传递或接收特性。一旦知道了还能器或系统的传递函数就可以检测到的位移或速 度讯息中除去换能器和系统本身的影响和使其减至最小，以提高检测精度。同时也须 知道在声源处的应力大小、方向和时间分布，使之能与波的传播理论相比较，以求的 过程的表征。因而要求一个带宽的有重复性的声源作为标准声源来校准检测用的换能 器和系统。 以前用的标准声源有电火花( 即瞬态放电法) 、铅笔芯或玻璃毛细管突然断裂、 气体喷注和超声脉冲法等。气体喷注法产生的是连续自噪声，不可能用于对波的传播 理论给出任何标准。铅笔心或玻璃毛细管骤断裂( 又称n s u - n i e l s o n 源) ，若断折力已 知，能给出绝对校准且便宜、容易做。它的缺点是只能模拟垂直的单极作用力，不能 产生其他形式的源。而源的幅度太大不能改变，频带宽受限制。瞬态放电法是又快速 局部加热产生应力场，可近似模拟由一个缺陷产生的准确的应力场，其缺点是样品表 面受损，有些不可重复，在许多场合，为了安全起见而不能使用。用电脉冲激发作为 标准声源，缺点是有耦合的剂影响，难以求得可重复讯号，带宽受限，和产生的应力 场与固体内缺陷产生的不同。 脉冲激光作为声源是一个灵活的声源，接近于理想的6 函数形的空间和时间分布 a ( 0 6 ( t ) 的声源。 源的特性可以由改变激光的功率密度和样品表面状况来改变。在热弹机制下，当 样品确定后，只要准确得到额定激光功率，声源是可重复的，声源的带宽取决于脉冲 激光的1 ，带宽很小。有几个是作者9 9 柏4 1 ，4 2 i 己提出把脉冲激光在一个平的金属表面作 为可重复性的平面声源。s c r u b y 等把它用在热弹机制声发射中，作为点源所产生的应 力场是双极型的，与缺陷产生的应力场非常相似。在热弹机制下激发声脉冲时模拟垂 直力场，则可采取如图2 4 所示的方法。用机械方法在样品中切出4 5 。凹槽，让激光 照射槽口表面，就会得到与中碳钢中( m i d d l es t e e l ) 由劈裂缺陷产生的应力场相似的 应力场( 见图25 ) 。 用这样的激光超声源作为标准声源，对声发射用换能器或一般压电换能器的校准 可如下进行： 趣弹应力 c - i l 1 ( c l 圈2 4 用脉冲激光模拟固体中埋着的缺陷生长所产生的应力场的两种方法的简圈 硕士论文 激光超声的弹性振子点阵数值模拟 旦 魁 图2 5( a ) 吸收脉冲激光的辐射，激光能量4 1 r i d ，沟槽孔径3 m m ，深度2 5 m m 和( b ) 在中碳钢内传播的劈裂缺陷( c l e a v a g em i c r o c r a c k ) 深度1 7 r a m 产生的超声波 形的比较，( b ) 讯号经高通滤波的真实声发射讯号。 2 3 激光超声技术检测固体中缺陷的实验方法 激光超声技术的第一个应用是检测人工缺陷。因为与经典电超声学对固体内部缺 陷的检测是不可缺少的方法相致，实际上虽然激光超声的激发和接收方法与电超声 截然不同。但当超声波形成之后在固体中的传播及其与缺陷的相互作用的原理就完全 一样了。也正是由于激光超声的激发与接收不须耦合剂和水浸法，且可遥发遥接，人 们都试图在原有电超声起作用的基础上使用激光超声，使其检测能扩展至电超声方法 无法应用的场合。因而在激光超声检测固体中的缺陷时，除了早期或特别情形使用压 电换能器接收外，都用非接触式接收，而且多数采用光探针方法。这种光接光发系统 是向高温、高压以及不良环境下进行超声检测发展的基础。 这里不介绍波与缺陷相互作用的理论，只是介绍在激光检测缺陷中曾使用过的三 种方法。 2 3 1 缺陷共振法 利用声波通过有缺陷和没有缺陷时产生的振幅谱的比较来识别缺陷的尺度，采 用脉冲激光超声谱仪技术实现这一测试，见图2 6 。图1 6 ( a ) 给出了脉冲光声表面 波谱仪系统图。一束脉冲激光经圆柱形透镜聚焦至样品表面。另一束连续激光聚焦至 样品表面的另一点( 接收点) 以偏转法接收。接收到的讯号送入数字存储示波器及其 计算机中作频谱分析等处理，图1 7 6 7 1 给出没有缺陷存在时沿光滑表面传播的声表面 波的声谱性质。在图27 ( a ) 和( b ) 中明显地看出p 一波，s 一波和饱和了的表面声 波。同样可求得p z t 样品波形的频谱( 未列出) 。 1 4 硕士论文 激光超声的弹性振子点阵数值模拟 隍咧 图2 6( a ) 脉冲光声声表面谱仪的框图，( b ) 两图2 7 没有缺陷时接收的光声表面波波 种源与探测点配置方式，( a ) 测缺陷反射， 形，( a ) 是( b ) 中2 波形放大 ( b ) 铡透射，s 一源p - - 探w ，c 一缺陷五倍，( b ) 中1 一是在a i 样品 表面检测，2 一是在p z t 表面检 测，( c ) 是( b ) 中讯号的频谱。 当s a w 传经有一定深度h 及宽度a 的表面缺陷时( 见图2 8 ) ，那些具有半波长 与缺陷线度相近的频率的波就会因共振吸收而严重地衰减，其深度共振和宽度共振可 以分别用 五2 篆，工砌+ 1 ) 差 ( 2 2 1 表示，v r 是s a w 速度，由此可推出 h ：盟口：! l 2 a 2 ( 23 ) 式中最，f 1 分别是在有频率选择性地反射( 或透射) 讯号地频谱曲线中相邻 两峰( 或两谷) 的频率间隔，因而可以从谱图上读得的频率间隔求出缺陷的深度和宽 度。 图2 8 给出对陶瓷( p z t ) 样品的 实例。样品直径4 3 r a m ，厚度1 0 r a m ， 表面有一人工沟槽深度d 一- - 0 3 r a m ， 宽度0 1 8 r a m ，长度与直径相等，在 试验中可看作无穷大。由计算求得缺 陷的深度o 2 8 r a m ，与设计值差 6 。对低碳钢1 # 和4 # 样品，样品 的直径为3 8 m m ，厚度为95 r a m ，人 工表面沟槽的深度，宽度见表2 ，2 ， 实测的结果也见表2 2 。7 1 口i $ m h l 圈2 8 ( a 例陶瓷样品，用光探针法接收到传经 和未传经过缺陷的波形广未传经 缺陷，传经缺陷( b ) 波形( a ) 的对应频谱 硕士论文 激光超声的弹性振子点阵数值模拟 表2 2 低碳钢样品，人工沟槽设计及测试结果 沟槽宽沟槽深( 衄)相邻峰( 或爸) 样品估算深度( n u n ) 估算的宽度 m m ( 磨，抛)间隙毛 l #02 50532 5 m04 66 6 6 m h z 02 2 6 4 #i ll3 8 h f 垃l0 1l3 8 m h z 1 0 l 2 3 2 反射系数法 这个方法是利用来自缺陷的反射系数谱来估算缺陷的大小。仍以声面波为例，对 矩形沟槽如图2 8 所示。对三个厚度为4 3 r a m ，直径为3 4 r a m 的低碳钢圆盘，在表面 制作了宽度a ：02 5 r a m ，深度h = 05 ，1 2 ，3 r a m 的表面沟槽，用图2 6 系统按反射 法( a ) 和透射法( b ) 对有h = 1 2 m m 沟槽的样品检测的波形见图2 9 的( a ) 和( b ) 。 t t 埔 图2 9用( a ) 方式和用( b ) 方式接收的光声s a w 脉冲。 图中r ，r i 分别表示直达波和第反 射声表面波，s 是模式转换所达到的 切变波。缺陷的反射系数可以由直达 波和第一反射波，或两相邻反射波的 振幅谱求得。 在理论上可把矩形沟槽看作是 两个相继的不连续区域( 9 0 。角和 2 7 0 。角) 构成。 2 3 3 飞行时间法( t i m e o f f l i g h t ) 飞行时间法也就是波传递到达时间法，这种超声技术是由s i l k 在1 9 7 7 年发展起 来的，与用反射波振幅法来判断缺陷方法不同，它是把缺陷的顶尖作为超声的衍射源， 从测量这些衍射波的到达时间，并将这到达时间与来自固定点( 如背壁) 回波到达时 间相比较来判断缺陷顶尖的位置m 1 。最简单的形式如图1 9 7 4 所示。激发点和接收点 均在样品的同一面，要使得激发和检测均能对所存在的缺陷的顶尖有效。图2 1 0 ( a ) 表示没有缺陷存在时可能接收到的各种波。图( b ) 是表示来自缺陷顶点的各种衍射 波，衍射的纵波( d p p ) 是掠过表面的直达纵波p 波之后，而是p 波从背表面的回波 p p 波到达之前到达，如果裂痕裂开与源点s 和接收点p 之间的表面，则直达波消失， 衍射波也可能很弱，需要用时间平均法来降低噪声“。 1 6 硕士论文 激光超声的弹性振子点阵数值模拟 ( a ) 挣嵌嚣 ( b ) 图21 0 飞行时间技术示意图 p , s ，r 指直达的压缩、切变和声表面波，p p 是p 波的反射p 波，d p p 是p 波作为p 波衍射等等。 ( a ) 在平行扳内各种波到达( b ) 由缺陷尖衍射的各种波到达“” 本章结束语 本章简要回顾了近激光超声无损检测的实验手段和方法，并且着重介绍了跟本文 所傲的激光超声无损检测数值模拟方法近似的一些实验方法和检测结果。 1 7 硕士论文激光超声的弹性振子点阵数值模拟 3 单层材料中的激光超声数值研究 近几年来随着激光超声无损检测技术的发展，伴随实验方法和手段的日益更新， 有关的数值方法也不断地有新的发展，如b l a k er j 和b o n dlj 1 还有d a h a k e g & g r a c e w s k is m 1 用有限差分方法模拟了时间分布为a ( o 的有向脉冲力源作用于 金属材料产生的超声波及其传播过程，逐步地将有限差分法成功地应用到了超声数值 仿真中；近年来许伯强等人创造性地应用有限元法模拟了脉冲激光作用于金属材料 产生的瞬态温度场，并利用该温度场进行了热弹耦合分析成功地模拟出了单层，双层 以及三层材料中的产生的r 。