（光学工程专业论文）激光在金属楔形板中激发超声导波传播规律的研究.pdf

硕，i ：论文激光在金属楔形板中激发超声导波传播规律的研究 摘要 本文从理论方面对脉冲激光在楔形板中激发超声导波的规律和超声导波在楔形板 中传播的频散特性进行了研究。 基于弹性力学的基本理论，建立了楔形板导波传播的理论模型，采用位移势函数法 求解n a v i e r s t o k e s 方程，并结合自由楔形板的零应力边界条件推导出楔形板的频散方 程，通过数值方法求解频散方程得到频散曲线。比较并分析了几种不同角度楔形板的频 散曲线，得到频散特性随楔形板角度变化的规律。小角度楔形板和大角度楔形板内导波 的频散特性有较大区别，小角度楔形板厚度变化缓慢，导波频散曲线和平板中的情况相 近；大角度楔形板厚度变化明显，导波频散特性较平板中有较大差异，随楔形结构角度 不同频散特性也有明显变化。最后对楔形板内导波频散行为变化的原因给出了解释。 基于激光超声的热弹激发理论，考虑脉冲激光作用于楔形板表面激发超声导波，并 忽略热扩散效应与光学穿透效应，将激光作用等效为表面脉冲点力源。将脉冲激光作用 等效力视为边界条件，采用双积分变换法求解波动方程，并结合边界条件确定出积分变 换解v ( k ，c o ) 的四个系数，再对v ( k ，c o ) 采用二维i f f t 数值运算得到导波波形。编程求 解了几种不同角度楔形板内导波波形，通过比较分析不同位置的波形，得到导波在楔形 板中传播时波形的变化规律。导波在楔形板内传播时，波形随板厚度变化而变化，在板 厚度小的位置波形有明显的l a m b 波特征，随着导波传播波形逐渐发生改变，厚度大的 位置波形出现r a y l e i g h 波的特征，并且随楔形板角度增大，这种转变趋势越明显。最后 通过实验研究了楔形板中导波波形的变化情况，和理论计算结果取得较好的符合。 本文的研究成果为金属楔形板和楔形结构材料的激光超声无损检测提供了理论依 据。 关键词：激光超声，金属楔形板，导波，频散特性，波形 a b s t r a c t d i s p e r s i o np r o p e r t i e so fg u i d e d - w a v ea n dw a v e f o r m so fg u i d e d w a v ee x c i t e db yp u l s e d l a s e ri nm e t a lw e d g ea r es t u d i e dt h e o r e t i c a l l yi nt h i sp a p e r e s t a b l i s h e dat h e o r e t i c a lm o d e lo fg u i d e dw a v ep r o p a g a t i o ni nm e t a lw e d g eb a s e do n e l a s t i c i t y u s i n gd i s p l a c e m e n tp o t e n t i a lf u n c t i o nm e t h o df o r s o l v i n gn a v i e r - s t o k e s e q u a t i o n s ，d e r i v e dd i s p e r s i o ne q u a t i o no fg u i d e d - w a v ei nm e t a lw e d g ec o m b i n e dw i t hf l e e s t r e s sb o u n d a r yc o n d i t i o n s u s i n gn u m e r i c a lm e t h o df o rs o l v i n gt h ed i s p e r s i o ne q u a t i o n ，a n d d i s p e r s i o nc u r v e sf o rd i f f e r e n tw e d g ea n g l e sa r ec o m p a r e da n da n a l y z e d s m a l l a n g l ew e d g e a n dw i d e - a n g l ew e d g e d i s p e r s i o np r o p e r t i e so fg u i d e d w a v ea r eq u i t ed i f f e r e n t g u i d e d w a v e d i s p e r s i o nc u r v e sa r es i m i l a rt ot h ec a s ei nf l a ti ns m a l l a n g l ew e d g ew i t hs l o w l yl i n e a r l y v a r y i n gt h i c k n e s s d i s p e r s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fg u i d e d - w a v e si nt h ew i d e a n g l ew e d g eh a v e q u i t ed i f f e r e n tt h a nt h ef l a t ，a n dw a v e f o r mv a r i e sw i t ht h ew e d g e a n g l e f i n a l l y ，r e a s o n sf o r t h ec h a n g e so f g u i d e dw a v ed i s p e r s i o nc h a r a c t e r i s t i c sa r eg i v e nt oe x p l a i n b a s e do nt h et h e r m o e l a s t i cm e c h a n i s mo fl a s e ru l t r a s o u n d ，a n di g n o r et h et h e r m a l d i f f u s i o na n do p t i c a lp e n e t r a t i o ne f f e c t ，c o n s i d e rt h ep u l s e dl a s e ra sap o i n tf o r c es o u r c e e x c i t a t i o ng u i d e dw a v e si ns u r f a c eo fm e t a lw e d g e s o l v i n gw a v ee q u a t i o ni ne l a s t i cm e d i a u n d e rt h e p o i n tf o r c es o u r c eb o u n d a r yc o n d i t i o n s u s i n g d o u b l ef o u r i e rt r a n s f o r m m e t h o d d e t e r m i n ef o u rc o e f f i c i e n t so fi n t e g r a lt r a n s f o r ms o l u t i o nw i t ht h e b o u n d a r y c o n d i t i o n ，a n do u t o f - p l a n ed i s p l a c e m e n t ( w a v e f o r m ) i sc a l c u l a t e du s i n gd o u b l ei f f tm e t h o d p r o g r a m m i n gt os o l v eg u i d e d w a v ew a v e f o r mw i t hs e v e r a ld i f f e r e n ta n g l e sm e t a lw e d g e ，a n d w a v e f o r m so nd i f f e r e n tp o s i t i o n sa r ec o m p a r e da n d a n a l y z e d g u i d e d w a v es h a p ev a r i e sw i t h t h et h i c k n e s so fw e d g e ，t h el a m bw a v ew a v f o r n lc h a r a c t e r i s t i c ss i g n i f i c a n t l yi nt h es m a l l t h i c k n e s sp o s i t i o n ，a n ds h o wt h er a y l e i g hw a v ec h a r a c t e r i s t i c si nt h el o c a t i o no fl a r g e t h i c k n e s s a n dw i t ht h ew e d g e a n g l ei n c r e a s e s ，t h i sc h a n g em o r eo b v i o u st r e n d f i n a l l y ， c h a n g e so ft h ew a v e f o r mi na l u m i n i u mw e d g ea r es t u d i e de x p e r i m e n t a l l y ，a n dc o n s i s t e n tt h e t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nr e s u l t t h i ss t u d yr e s u l tp r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o rl a s e r - u 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 i n go f m e t a lw e d g ea n dw e d g e s h a p e dm e t a ls t r u c t u r e k e yw o r d ：l a s e ru l t r a s o n i c s ，m e t a lw e d g e ，g u i d e d w a v e ，d i s p e r s i o nc h a r a c t e r i s t i c s ， w a v e f o r m j i 声明 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。 研究生躲地 帅年多月泔 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。 繇堵卅臼渺 硕一i j 论文激光在金属楔形板中激发超声号波传播规律的研究 1 绪论 1 1 研究背景 随着现代工业和科学技术的发展，工业生产中对材料的质量、构件的可靠性、生产 的安全性的要求越来越高，从而需要对材料和构件进行无损检测，以保证生产的安全和 产品的质量。特别是在航空航天工业、汽车工业、船舶工业、能源与材料工业等高新技 术集中的领域，对无损检测技术有着更高的要求。 无损检测技术( n d t ，n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ) 就是在不损害或不影响被检测对象 使用性能的前提下，利用材料内部结构异常或者缺陷的存在所引起的对热、声、 光、电、磁等反应的变化，来检测各种工程材料、零部件、构件等内部和表面的 缺陷，并对缺陷的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及变化做出判断 和评价【1 1 。 无损检测技术涉及了光学、电磁学、声学、原子物理学和计算机、数据通讯、 信号处理等学科，已广泛应用于现代工业领域和高科技产业之中，在保证工业生 产安全和产品质量上发挥着重要作用。工程中最常用的五大常规无损检测技术是： 涡流检测( e t ) 、超声检测( u t ) 、液体渗透检测( p t ) 、磁粉检沏j j ( m t ) 、射线照相检测 ( r t ) 。其它常用的无损检测技术还有：声发射检测( e t ) 、热像，红外( t i r ) 、泄漏试 验( l t ) 、交流场测量技术( a c f m t ) 、漏磁检验( m f l ) 、远场测试检测方法( r f t ) 等。 其中超声检测是指通过超声波与试件相互作用，对反射、透射和散射的超声波波进 行研究，对试件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的 检测和表征，进而对其特定应用性进行评价的一种无损检测技术。由于超声波具 有穿透能力强、对材料和人体无损伤、检测准确度高、方向性好等优点，因而得 到最广泛的应用【2 1 。 随着激光技术的迅速发展，激光具有单色性好、方向性好、相干性好、亮度高 和能量集中等优点，因而被引入无损检测领域中，并形成新的激光超声无损检测 技术。当液体、气体、固体受到强的激光束照射时会产生激波与声波，主要有伴 随激光激发激波而后产生的超声波和直接由激光激发的超声波两种情况，这种由 激光激发的超声就称为激光超声。研究激光激发超声的机理、方法和技术，激光 超声在材料中传播特性，激光超声的探测方法及激光超声检测技术的应用的学科 称为激光超声学1 3 】。激光超声是超声学与激光技术相结合而形成的新兴交叉学科， 涉及到光学、声学、电学、材料学、生物学、医学等多门学科，已发展成为超声 学的一个重要分支【4 曲j 。 1 绪论硕十论文 与传统的超声无损检测技术相比，激光超声技术具有如下特点【3 j ： ( 1 ) 非接触激发与检测。激光激发超声是由激光直接照射样品产生，激光与样 品之间无需耦合剂，是非接触激发，可消除耦合剂引起的附加影响；采用光学探 测方法，激光接收系统可放在远离样品的地方。因此激光超声有远距离遥控激发 和接收的特点，能够在高温、高压、有毒、放射性等恶劣条件下进行远距离无损 检测。 ( 2 ) 能同时激发多种波型。激光超声源能一次同时在样品中激发纵波、横波、 头波和声表面波( s a w ) ，在板中能激发出l a m b 波。而传统的电超声技术中一种换 能器只能激发一种波型，不同的波型必须用不同换能器。 ( 3 ) 频带宽。与常规超声换能器相比，激光超声检测系统具有很宽的频带。通 常使用的调q 脉冲激光器的脉宽约在10 5 0 n s 之间，利用这样的脉冲激光器产生的 激光脉冲与光脉冲的宽度在同一数量级，其频率上限可达几十个m h z 。因而激光 超声在时间和空间上都有极高的分辨率，大大提高了探测微小缺陷的能力和测量 的精度，非常适合超薄材料的检测和物质微结构的研究。 ( 4 ) 适合对形状不规则物体检测。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。激光超声源有点、线、盘、环、栅等，微小点源或线 源有很好的局域性，能对电超声法难以实现检测的薄样品或空间狭窄的部位进行 检测，还可以通过光导纤维将激光诱导至难以接近的区域，为形状复杂的构件提 供了检测手段。 ( 5 ) 激光超声技术相比于常规超声技术具有很多优点，但是其本身也有一定的 缺陷。建立激光超声系统价格昂贵，技术复杂，不易操作；光声能量的转换效率 较低，激发效率不高；样品表面光洁度要求高；超声信号检测灵敏度低等。 因此研究应用激光超声技术并不是要完全取代传统超声检测技术，而是在某些 常规技术不适用的领域发挥优势。随着科学技术的进步，特别是激光技术的发展， 激光超声学将会取得新的突破，应用前景也将更加广阔。研究激光超声技术不仅 具有理论方面的意义，更具有应用上的价值1 7 喵j 。 1 2 研究意义 金属板材在航空航天工业、汽车工业、船舶工业、化工工业、机械制造等方面都有 着广泛的应用。板材在加工成形的过程中会引入一定的缺陷，如夹杂、分层、孔隙、裂 纹等，对构件的使用和生产的安全造成威胁。同时板材在使用时由于外部应力的作用和 使用环境湿度、温度的变化，都可能引起其内部缺陷的扩展，引成金属疲劳并酿成破坏 事故。因此必须对金属板材进行无损检测，以确保生产的安全。 2 硕一i ：论文激光在余属楔形板中激发超声导波传播规律的研究 超声波无损检测通常采用纵波和横波进行检测，但是对于板形构件特别是薄板无论 是横波探伤还是纵波探伤都很困难。由于薄板上下表面不断反射超声波，使得超声波在 传播一定距离后不再是普通的横波或纵波，而是另一种超声波即l a m b 波。l a m b 波是 一种在厚度与激励波长为相同数量级的声波导中由纵波和横波合成的特殊形式应力波， 具有传播速度快、传播距离远的特点，非常适合板形结构的大面积无损检测，因而l a m b 波检测技术最早应用于金属薄板的无损检测中。随着无损检测技术的发展，l a m b 波不 仅可以用于金属薄板探伤，还可以用于各种复合材料的检测、输油输气管道的无损探伤 及安全监控，已成为超声波无损检测技术中最常用的一种导波形式。因此对l a m b 波进 行理论和实验上的研究对促进无损检测技术的发展有重要意义，对工业生产也极具应用 价值。 l a m b 波的传播特性十分复杂，主要体现在它的频散特性和多模式现象。所谓的频 散特性就是l a m b 波的速度随频率的变化而发生变化，而多模式就是同一频率下对应着 不止一种l a m b 波模式。频散特性是l a m b 波应用于材料无损检测的主要依据，而各模 式的频散特性使l a m b 波检测变得十分复杂，想要在无损检测中有效地应用l a m b 波， 就必须了解l a m b 波的传播规律，并根据其频散特性确定检测方案。 激光超声无损检测技术利用脉冲激光在金属板材中激发l a m b 波，由于激光源十分 灵活，可以聚焦成为很小的点源或很细的线源，较传统的电超声技术更适合用来对小而 薄的样品进行有效的检测。另外激光超声信号频带较宽，可以扩展至电超声检测的盲区， 采用激光超声技术检测板形构件较常规检测技术更具优势。 厚度非均匀的板形构件在工业材料及其零部件中也有广泛应用，需要对此类结构进 行无损检测。板材之间的焊接区域就可以近似为厚度高斯形变化的结构，厚度呈线性变 化的板形结构即楔形板是厚度非均匀的板形结构中较简单的一种情况。因此研究激光在 厚度变化的板材中激发导波的传播规律是很有必要的，也极具工业价值。 要用激光超声技术对金属板材进行无损评价和性能检测，就必须了解金属板材中 l a m b 波的激发、传播和频散特性。国内外许多学者已经进行了大量的理论研究和实验 研究，为厚度均匀平板的无损检测技术提供了有价值的指导。但是对于厚度不均匀的板 材，只有少数学者用实验方法和有限元方法( f e m ) 进行了研究，理论上还有许多问题尚 待解决，因此有必要建立正确的理论模型，找到激光在金属楔形板中激发超声导波的规 律和导波的频散特性。 1 3 国内外研究进展 1 3 1 激光超声激发研究进展 在1 9 6 0 年美国科学家m a i m a n 发明了红宝石激光器之后，最早由r m w h i t e 9 1 和 3 l 绪论 硕i ：论文 a s k a r y a n 1 0 】各自提出了利用脉冲激光束在固体和液体中激发超声波的方法，自此激光激 发超声的研究就开始发展起来。特别是上世纪八十年代以来，欧美的工业发达国家相继 进行了大量的理论分析和实验研究，促进了激光超声理论的发展并为激光超声技术在无 损检测中的应用打下了良好的基础。目前国内外学者激光超声技术的研究主要集中于三 个方面：激光超声的激发；激光超声的探测；激光超声技术的应用。其中激光激发超声 的理论研究工作主要采用解析计算方法，有双积分变换方法、格林函数法、本征函数展 开法等。 激光超声激发的早期研究主要利用弹性理论和激光等效作用弹性力源。c b s c r u b y 等【l l 】( 1 9 8 0 ) 首次提出了激光超声的点源模型，并考虑到激光作用的热效应，将激光作 用和机械力点源相联系，提出了表面中心扩展源的模型，理论计算的波形和实验的结果 相一致。r l w e a v e r 和y i h h s i n gp a o 1 2 】( 1 9 8 2 ) 将激光作用等效为垂直作用于板面的 瞬态阶跃力作用来计算激光在厚大圆板中激发l a m b 波的波形，采用本征函数展开法求 解了n a v i e r s t o k e s 方程，结果表明本征函数展开法不仅能研究厚板中的纵波、横波和瑞 利波，还能研究薄板中的r a y l e i g h l a m b 波模念。r o s e 掣1 3 】( 1 9 8 4 ) 忽略热扩散效应把 激光脉冲看成纯粹的表面中心扩展力源，并利用积分变换法给出了弹性点源的数学证 明，求出热弹条件下脉冲激光在金属表面激发超声波的解析表达式。j d a u s s e l 掣1 4 j ( 1 9 8 8 ) 同时考虑了热弹扩展力源模型和融蚀力源模型，对激光超声扩展力源进行了理 论和实验研究，得到材料中传播的纵波、横波、头波、以及表面波，理论分析的结果和 实验取得的表面位移和对心位移具有相同的时间分布。l f b r e s s e 和d a h u t c h i n s i j 纠 ( 1 9 8 9 ) 基于l a p l a c e h a n k e l 变换和c a g n i a r d d e h o o p 方法，提出了作用在固体表面的 等效圆盘垂直力源模型，该模型能给出固体内部任意一点的径向和轴向位移，理论计算 和实验波形取得较好的一致性。d a v i d h h u r l e y 等【l6 】( 1 9 9 9 ) 忽略光学穿透和热扩散效 应，考虑激光在横观各向同性半无限大介质中热弹激发超声波，采用f o u r i e r - l a p l a c e 变 换和c a g n i a r d d e h o o p 方法求解点力源作用下的对心波形，并和实验结果做了对比。 b e m s t e i n 和j b s p i c e r 1 1 7 】( 2 0 0 0 ) 分析了激光线源在铝材中激发声波的情况，采用双 l a p l a c e 积分变换法求解热弹方程，再使用c a g n i a r d d e h o o p 方法反演而得到位移的精 确解，解析求解的结果和实验得到的波形基本一致。y i j u ns h i 等l l8 j ( 2 0 0 3 ) 研究脉冲激 光在各向同性板中融蚀激发l a m b 波，将激光融蚀作用等效为垂直表面脉冲力源来计算， 并考虑了环形和线性两种激光作用等效力源，用f o u r i e r h a n k e l 变换结合i f f t 数值运算 求解了板中的波形，理论计算结果和实验波形相接近。以上研究都忽略了热扩散效应， 而将激光作用等效为弹性力源考虑，这样处理虽然能得到和实验相吻合的波形，但是不 能真实地反映激光激发超声的物理过程。 要应用严格的热弹性理论建立精确的激光超声模型，就必须对激光作用源的特征进 行分析，综合考虑激光的光学穿透效应和热扩散作用。p a d o y l e l l 9 1 ( 1 9 8 6 ) 考虑, 了金属板 4 硕一i j 论文激光在会属楔形板中激发超声导波传播规律的研究 材中的热扩散效应，将热源等效为体积有限大小的体力源，在表面力源和体力源的共同 作用下，对心波形中产生了前驱小波，并且随着激光脉冲上升时间增加，前驱小波的脉 宽增加，振幅下降。该理论能够更精确地描述激光激发超声的物理过程。m c d o n a l d l 2 u j ( 1 9 9 0 ) 考虑了热扩散效应，利用经典的热弹性理论研究了激光脉冲上升时间和光斑大 小对对心波形的影响，并解释了前驱小波的产生。j b s p i c e r l 2 1 j ( 1 9 9 0 ) 用l a p l a c e h a n k e l 变换和数值联合反变换求解热弹性方程，比较了激光热弹激发l a m b 波的理论波形和实 验波形，对无限大、各向同性、均匀的板材的弹性常数和厚度进行了测定。t s a n d e r s o n 等【2 2 】( 1 9 9 8 ) 认为激光作用源由表面中心扩展源和热偶极子组成，并且表面中心扩展源 与热偶极子相互独立，二者的共同作用下产生纵波，并清楚地解释了前驱小波产生的物 理本质。m u r r a y 和w a g n e r 2 3 】( 1 9 9 9 ) 分析了激光融蚀铝材的真实物理过程，建立了在 真空环境下脉冲激光在铝材中融蚀激发超声波的模型，其结果和实验取得良好的一致， 说明了模型的准确性。d r o y e r 2 4 】( 2 0 0 0 ) 建立了激光线源在各向同性材料中热弹激发 声表面波的理论模型，并用硬铝板材做实验，得出近场声表面波为单极性而远场声表面 波为双极性的结果，理论和实验能够定量符合。i r e n ea r i a s 等1 2 5 - 2 6 j ( 2 0 0 3 ) 分析了激光 线源在各向同性、线弹性半无限大介质中热弹激发超声的二维理论模型，该模型说明了 光学穿透和热扩散效应的影响。 南京大学l e iw u 、j i a n c h u nc h e n g 和s h u y iz h a n g l 2 m 9 j ( 1 9 9 5 ) 基于经典的热弹方 程，利用本征函数展开法研究了轴对称激光源在不同厚度板材中的激光超声波。他们确 认了激光作用是一个热弹性源，而不是纯粹的机械力源，综合考虑了激光辐照表面扩展 源和由热扩散、光学穿透效应产生的体热源的基础上，建立了三维的激光超声模型。通 过计算得到薄板材料中的l a m b 波是由对称模态和反对称模态组成，并且随板厚度增加， 波形逐渐失去l a m b 波形，当样品的厚度增加到一定程度产生r a y l e i g h 波。他们还解释 了表面热源和体热源的共同作用下产生了前驱小波。j i a n c h u nc h e n g 等1 3 1 j ( 1 9 9 9 ) 将 本征函数展开法应用于建立板状币交各向异性材料的激光热弹激发超声模型，并研究了 正交各向异性板中的l a m b 波。s h e nz h o n g h u a 等【3 2 ( 2 0 0 0 ) m i 对考虑了面热源与体热源， 在三维轴对称模型中采用本征函数展开法研究脉冲激光在固体中热弹激发声表面波，并 讨论了光学穿透效应、光斑半径以及激光脉宽对声表面波脉宽的影响。 钱梦脲等【3 3 】( 1 9 9 5 ) 根据一维的热传导方程和n a v i e r s t o k e s 方程，对光的强或弱吸 收介质在钳紧或自由边界条件下，由脉宽为t 。的矩形激光脉冲所激发的超声应力脉冲的 特性做了理论研究。胡文祥等【3 4 1 ( 2 0 0 0 ) 采用双重f o 嘶e r 变换方法求解激光脉冲线源作用 下弹性介质中的波动方程，获得位移解的积分表达式，再采用双重i f f t 算法数值计算了 位移波形。激发源分别考虑了热弹了烧蚀两种情况，计算了铝介质在半无限空间的表面 位移和背面位移，并与实验结果进行比较，证实了数值计算结果的可靠性。孟振庭【3 5 。3 6 j ( 2 0 0 1 ) 采用更接近脉冲激光实际的梯形脉冲模型，应用热传导方程矛i n a v i e r s t o k e s 方 1 绪论硕十论文 程，对半无限大介质中激发的超声脉冲特性进行理论研究。高会栋等【3 7 j ( 2 0 0 1 ) 在考虑热 弹激发的条件下建立三维轴对称模型，利用本征函数展开法对固体材料中脉冲激光激发 的声表面波进行了理论研究，得到了激光光源的脉宽和聚焦半径对固体材料中声表面波 信号的时域及频域的影响。苏琨f 3 引( 2 0 0 2 ) 通过对点源激励声表面波的分析，推导出线光 源激励的表达式，并通过实验将线光源和点光源产生的声表面波信号进行比较，最后将 实验结果和理论分析进行对比，不仅验证理论模型的正确性，而且说明了线光源产生的 声表面波具有信号强、方向性好的优点。孔令剑等1 3 9 j ( 2 0 0 6 ) 提出一种新型的激光激发 超声波的方法，即激光定相位排列激发超声波。激光光源经过定相位排列后，在某一方 向上产生的超声波幅度比传统单一源产生的超声波幅度要强得多，此方法能很好的解决 激光能量到超声能量的转换问题，并实现对超声信号方向和强度的有效控制。 激光激发超声的理论研究除了解析计算方法外，有限元数值模拟( f e m ) 也是较为 常用的方法。有限元方法不仅能灵活处理各种复杂结构中波的产生与传播，还能利用有 限元模型分析物理参数随环境变化的影响。利用有限元方法研究激光超声的激发与传播 在近年来得到迅速发展与广泛应用 4 0 - 4 6 j 。 1 3 2 均匀平板中超声导波研究进展 2 0 世纪初英国力学家h l a m b l 47 】按平板自由边界条件解波动方程得到的一种特殊形 式的波动解，后人把这种波动命名为l a m b 波以纪念它的发现者。l a m b 波是超声无损检 测中最常用的一种导波形式，对于板形构件的检测具有纵波和横波难以比拟的优势，非 常适合大面积板材的无损检测。要在无损检测中有效应用l a m b 波，就必须了解l a m b 波 的传播特性，并根据l a m b 波的频散特性确定检测方案。 在h l a m b 发现l a m b 波之后，由美国人f a f i r e s t o n e 在4 0 年代首先将l a m b 波应用于 薄板探伤。6 0 年代，前苏联学者i a v i c t o r o v 4 8 】出版了一本关于r a y l e i g h 波和l a m b 波的经 典著作。d c w o r l t o n l 4 9 】( 1 9 6 1 ) 研究了铝和锆中l a m b 波的频散曲线，并指出利用其频 散特性进行无损检测。r j d e w h u r s t 等【圳( 1 9 8 7 ) 用激光激的l a m b 波测量薄金属片的厚 度，对厚度为3 0 p m 的金属薄板的测量精度达到2 。j b s p i c e r l 2 1 ( 1 9 9 0 ) 用l a m b 波对无 限大、各向同性、均匀板材的弹性常数和厚度进行测量。n a k a n o l 5 1 1 ( 1 9 9 1 ) 研究了从激光 产生l a m b 波的反对称态中提取特征频率。r d a n i e lc o s t l e yj r 1 5 2 1 ( 1 9 9 4 ) 采z a 隹f o u r i e r 变换方法提取了板中l a m b 波的频散曲线，该方法是识另l j l a m b 波模式的一个重要方法。 m a j o h n s o n 5 3 1 ( 1 9 9 6 ) 研究了铜版纸中的l a m b 波。m i c h a e ld s e a l e l 5 4 1 ( 1 9 9 8 ) 利用l a m b 波检 测复合材料中的疲劳与热损伤。j l r o s e l 5 5 1 ( 1 9 9 9 ) 用位移势函数法求解n a v i e r s t o k e s 方 程，并用零应力边界条件出自由平板的r a y l e i g h l a m b 频散方程，再用数值方法编程求解 频散方程获得l a m b 波频散曲线。t h a y a s h i t 5 6 1 ( 2 0 0 2 ) 等采用二维f f t 方法从l 锄b 波模态 中提取出4 和s 。模态。 6 硕1 j 论文 激光在金属楔形板中激发超声导波传播规律的研究 国内学者也从理论和实验上对l a m b 波进行了大量研究。刘镇清1 5 。q ( 1 9 9 9 ) 介绍了板 中的l a m b 波及其频散特性，并给出了l a m b 波的激发方法及振动位移变化，为l a m b 波在无损检测中的有效应用奠定了基础。刘镇清和他得安1 5 卅( 2 0 0 0 ) 用二维f o u r i e r 变换识 别l a m b 波模式，理论计算和实验结果的比较表明了二维f o u r i e r 变换技术的有效性。郑 祥明”州( 2 0 0 3 ) 对垂直耦合方式下单层铝板中的超声信号及多模式l a m b 波用时频分析方 法( s t f t ) 进行研究，能够精确获得l a m b 波局部群速度频散曲线。郑祥明【6 叫( 2 0 0 3 ) 对 r a y l e i g h l a m b 频散方程进行了分析，给出了无限大板中l a m b 波频散曲线的数值计算 方法。张海燕等【6 u ( 2 0 0 4 ) 用二维f o u r i e r 变换对实验测得的l a m b 波信号进行分析，并给 出了各向同性和各项异性材料中传播l a m b 波的频散曲线，研究表明二维f o u r i e r 变换能 够有效识别l a m b 波模式。刘增华等【叫( 2 0 0 5 ) 推导出自由单层板频散方程的矩阵表达式， 通过m a t l a b 编程和极小值法对频散方程进行数值求解，得到铝板中的相速度、群速度 频散曲线。王杜、郑祥明等1 6 3 】( 2 0 0 7 ) 分别在两种厚度的钢板上激发l a m b 波检测钢板 中的孔洞类缺陷，并采用时频分析方法( s t f t ) 识别l a m b 波模式及模态转换现象，初步 确定缺陷形态对l a m b 波在板中传播的影响。冯占英等畔】( 2 0 0 7 ) 研究了大型铝板中 l a m b 波的激励和模态的鉴别方法。李富才【6 5 】( 2 0 0 7 ) 利用连续小波变换方法对铝合金 板中的窄频带l a m b 波信号进行分析，识别l a m b 波信号各信息包的模式，并匹配出窄 频带l a m b 波在铝合金板结构中传播的实际频散曲线。 以上工作主要集中于l a m b 波在单层板内传播的研究，而实际运用中单层板只是作 为复合材料板的一个单元，工程中广泛使用的是多种方向上铺层组成的多层板。对于此 类多层各项异性介质中的l a m b 波主要采用传递矩阵法或全局矩阵法进行研究【6 7 石9 1 。 1 3 3 厚度非均匀板材中超声导波研究进展 厚度非均匀的板形构件在工业材料及其零部件中也较为常见，需要对此类构件进行 无损检测。但是对激光在厚度非均匀板材中激发导波及导波的传播情况，只有很少数学 者用实验和有限元模拟方法进行过研究。 m e c h c h e r i f e l k e t t a n i ，f l u p p e 和a g u i l l e t l 7 0 1 ( 2 0 0 4 ) 用有限元方法( f e m ) 和实验方 法研究了在小角度( 1 。、2 。) 弹性楔形板中沿板厚变小的方向传播的导波。他们称在厚度变 化板材中传播的导波为绝热模态( a d i a b a t i cm o d e ) ，绝热模态的相速度、波数会在传播过 程中随板材厚度变化而连续变化。实验装置如图1 1 所示，实验采用角度为l o 和2 。的硬 铝板材，使用中心频率为2 m h z 的压电换能器激发超声波，在板的另一面用激光测振仪 接收超声波。激光测振仪每隔2 m m 移动一步，共移动1 0 c m 的距离，在每个位置都记录 下所对应厚度的超声信号，这些信号由示波器所记录，并保存于计算机中。通过激光测 振仪扫描可以记录下一个矩阵，矩阵的行对应于板材上的位置，列对应于时间，矩阵的 的元素就是超声波的振幅。再通过两次f f t 并结合滑动窗口技术就可以将信号从时一空 7 碗l 论文 域变换到频率波数域并得到频散曲线圈，图12 说明了超声波信号的处理过程。 me c h c h c r i fe 1 k e t t a n i 等人通过实验和有限元模拟观察到当导波沿板厚度减小方向传 播时，会到达其截止厚度( 1 h i c k n e s sc u t o m ，导波在截止厚度的位置会发生两个现象： ( 1 ) 导波在该位置被反射，并沿板厚度增大方向传播： ( 2 ) 在截止厚度位置导波会发生模态转换，变为较低阶模态继续传播。 脉冲发生器数字示波器 图】1 实验装置示意l 鍪l _ 育而寸忑：= 高怕 幽12 信号处理过群示意吲 p m a r i c a l m e c h - c h e r i f e l k e t t a n i 和m vp r e d o i l 7 1 ( 2 0 0 7 佣实验方法和有限元方法 研究了厚度呈高斯形曲线变化的铝板材( 图l3 ) 中的导波。在厚度变化区域中传播的导波 称为绝热波( 模态) ，并在该区域内观察到导波在对称态和反对称态之问发生模态转换现 象。其实验装置如图1 4 所示，用激光测振仪测得的超声信号采用双重f f t 方法和滑动 窗it 技术进行处理，实验结果和模拟结果符合得很好。 i t 女激光n 一金属楔形板中辙笸超声导被传播规律研究 区亟习：”“叵三互习 ：呈三里二奎二坚 激发信号 压电换能嚣 削i4 实验装置示意幽 fj e n o t 和mo u a f l o u h 等【7 2 1 ( 2 0 0 7 ) 建立了导波在厚度线性变化铝板中传播的有限元 模型，楔形板示意图见图l5 。他们主要计算了几个不同角度下 模态的频散曲线，并 和厚度均匀平板中 模态的频散曲线做了比较。在小角度楔形板中的4 模态和平板中 的 模志频散曲线1 分接近，立u 图1 6 所示。 盏) 图1 5 厚度线性变化板示意幽 酬1 64 楼态的频散曲线的对比 特论论史 m v p r e d o i 和m e c h c h e r i f e i k e t l a n i 等”( 2 0 0 8 ) 用有限元方法研究了小角度楔形铝 板( 图17 ) 中导波沿厚度变大方向传播的规律。当楔形板角度小于3 。的时候，墨模态的 频散曲线和自由平板能很好符合( 围l8 ) ，但当角度逐渐增大后，两者之间并不完全符合。 文章中计算了3 7 2 。和5 1 4 。两种情况，在频厚积较大的区域，楔形板和平板的墨模忐的 频敞曲线出现差片( 陶l9 ) ，并且随着角度增大差别越明显( 图l1 0 ) 。对于这个现象一 个可能的解释是由于导波在传播过程中板厚度逐渐发生变化，使导波模态发生了转化。 i7 司- _ 、| 图i7 楔形板结构示意图 h ) 豳18s o 模态在15 3 楔形板和平板中 的频敏曲线之比较 h n h l 豳1 9 s o 模态在3 7 2 。楔形扳帛l 平板中的 频散曲线2 比较 图l1 0 s o 模态在51 4 ”楔形扳和平板中 的频教曲线之比较 硕i j 论文激光在会属楔形板中激发超声导波传播规律的研究 1 4 本文主要研究工作 在查阅国内外相关文献资料的基础上，并结合激光激发l a m b 波在工业无损检测领 域的应用，确定本文的主要研究方向，从理论上对激光在金属楔形板中激发超声导波的 波形及频散特性进行研究。本学位论文主要包括以下几个方面的研究内容： ( 1 ) 首先介绍了激光激发超声的机制；介绍了激光点源、激光线源在热弹机制下激发 超声波的模型；再概述了脉冲激光超声的接收方法；最后简要介绍l a m b 波及其 频散特性。 ( 2 ) 采用位移势函数法求解n a v i e r s t o k e s 方程，并根据自由楔形板的零应力边界条件 得到楔形板内超声导波的频散方程。再用m a t l a b 数值计算方法求解频散方程， 可得到超声导波在楔形板中传播的频散曲线。并对几种不同角度楔形板内的频散 曲线进行比较分析。 ( 3 )以激光热弹激发超声为基础，对金属楔形板中导波的激发进行理论研究。采用二 维f o u r i e r 变换方法求解激光等效脉冲力源作用下弹性介质中的波动方程，并结 合应力边界条件获得离面位移解的积分表达式，再采用二维i f f t 方法数值计算 出位移波形。对激光在几种不同角度楔形板内激发的导波波形进行比较分析，得 到导波在楔形板内传播时波形的变化规律。 2 激光超声的幕奉原理硕1 ：论文 2 激光超声的基本原理 当激光辐照到固体材料表面时，部分激光能量会被材料迅速吸收，引起材料中温度 上升并伴随有超声波的产生。激光超声不仅能在固体中产生，同样可以在液体、气体中 产生，脉冲激光源能同时激发出纵波、横波和表面波，在薄板中还能激发出l a m b 波。 为了在无损检测领域更有效地利用激光超声技术，实现高效的激光超声激发和检测，就 要提高激光超声的激发效率和检测效率。本章重点介绍了激光超声的产生机制、激发模 型和接收原理，这些都是深入研究激光超声理论的基础。 2 1 激光超声的激发机制 激光与物质相互作用产生超声的过程也就是电磁能转换为声能的过程。激光激发超 声波的机制主要有热弹效应、烧蚀效应、光辐射压力、电致磁致伸缩、汽化膨胀、电子 应变和介质破损等【3 】。光辐射压力是指电磁波作用于样品表面所产生的压力，能量转换 效率非常低，并且辐射压强和由此在固体样品中产生的应力较其它效应要小几个数量 级，因此激光激发超声中可以忽略该效应；一般材料中的光生电致、磁致伸缩引起的形 变非常微弱；汽化膨胀的发生是瞬时激烈的，并且难以控制；如果作用激光的波长很短 并且脉宽很窄，相应光子能量很大，受激发的局部样品可以接收极高瞬时激光功率而不 产生温升，此时仅有电子体积应变或者断键产生超声波，前者为电子应变效应，后者为 介质破损效应，目前还处于实验与定性研究阶段。因此，在实际应用中不考虑采用以上 四种方式激发超声波。 按入射激光的功率密度和固体表面的条件不同，通常激光激发超声