【《激光相关参数对超声场的影响分析》3300字】

激光相关参数对超声场的影响分析目录TOC\o"1-3"\h\u11490激光相关参数对超声场的影响分析 142371.1引言 1104861.2激光能量对超声场的影响 1150841.3激光脉冲宽度对超声场的影响 3171941.4激光的光斑半径对超声场的影响 5166401.5激光的激发方式对缺陷检测的影响 5引言第二章主要用理论验证的方式分析了热弹耦合以及激光等效高斯方程，很容易推断由热弹效应产生的超声场分布受到入射激光的物理性质，材料的热物性性质以及激光的激发方式等因素影响，本章将通过有限元的方法在Abaqus平台上分析验证激光的相关参数（如激光能量、脉冲宽度、激光光斑尺寸等）对超声场的影响，这将会指导激光超声技术在金属缺陷领域的应用。激光能量对超声场的影响激光的功率密度影响着超声场的分布，其受到激光能量、脉冲宽度以及入射激光的光斑半径影响，其表达式为：I0=E0τA 上式中，I0为激光的功率密度，E0为入射激光的激光能量，τ为激光脉冲宽度，当利用热弹机制产生的激光作用于金属制件的时候，会产生热膨胀作用，热膨胀的剧烈程度与入射激光的激光能量成正比，也即超声波信号的振幅大小与入射激光的能量成正比。综上所述，为提高超声无损检测的灵敏度，可以从入射激光的能量入手，选取适合材料的高能量激光以达到增强金属构件内部的超声波信号的目的。但一定要注意适当增强，否则能量过高会导致融蚀机制的产生，在实验的过程中可能会导致实验的失败甚至实验平台的损毁。为验证上述理论分析的合理性，利用第二章所建立的有限元模型进行模拟分析。激光在金属表面照射的激励点和接收超声波信号的位置如图3-1所示。设置的激励点与接受点同侧，同时激励点与接受点之间的距离设为0.5mm，而接受点与缺陷之间的距离为0.1mm，对金属构件的网格划分设置为0.06mm。在Abaqus中仿真模拟的过程中，利用控制变量法保持激光的脉冲宽度以及光斑尺寸等参数一致，改变激光的入射能量观察超声波信号。设置变量激光能量为1e9J、1图3-1激励点与接受点关于缺陷的相对位置1e图3-2不同激光能量下超声时域信号研究图3-2可以得到，不同激光能量下，超声波信号的振幅不同，且呈正比关系，为分析能量大小与振幅之间的数学关系，选取超声波的首波与回波信号的最大幅值做数学分析，不同激光能量下的超声波信号振幅数据如表2所示。表SEQ表\*ARABIC1不同能量激励下的超声波数据由表格可知当激光能量扩大10倍时，接收到的超声信号的幅值也近似扩大了10倍，也即当激光能量增长10倍后，首波以及回波信号也增长10倍，这表明了激光能量与超声信号振幅成正比关系，与理论分析中得到的结论一致。激光脉冲宽度对超声场的影响由激光功率密度与能量之间的关系公式（3-1）可知，确定脉冲宽度与入党和激光束的半径，，激光功率密度会随激光能量改变呈线性变化，从而使超声场发生改变。同上，当我们确定激光能量与入射激光的光斑面积时，改变脉冲宽度同时也会导致功率密度发生改变，因此下面将从脉冲宽度的角度，来研究其对超声场的影响。为研究脉冲宽度对超声场的作用，利用激光有限元模型对其进行模拟分析。激光在金属表面照射的激励点和接收超声波信号的位置如图3-1所示。在对金属构件进行模拟分析时保证激光能量与激光脉冲半径一致，利用控制变量法，仅改变激光的脉冲宽度，设置不同的脉冲宽度为3ns，8ns，10ns。接受位置接受到的超声时域信号如图3-3所示。图3-3不同脉冲宽度下的超声时域信号脉冲设置的梯度值为纳秒级别，在图3-3中很难观察出信号的明显变化。将首波和回波信号单独拿出放大分析，如下图3-4所示，脉冲宽度发生改变时，不仅会使超声信号的振幅发生改变，激励接受点接收到信号的时间也会相应的发生改变。图3-4不同脉冲宽度下首波与回波信号的局部放大为分析脉冲宽度变化与激励接受点接受到的信号时间与接收到的波形振幅之间的关系，对首波信号与回波信号进行数据分析，整理数据如下表2所示。表2首波与回波质点位移幅值从表2中数据可以得出结论，首波信号与回波信号在激励接受点接收到信号的时间随着脉冲宽度的增加会有一定的延迟，但信号的振幅会随着脉宽的增加而减小。也即，信号接收时间随脉宽增加呈正相关，而信号振幅与脉冲宽度呈负相关关系，且从表中可知关系变化均非线性变化。激光的光斑半径对超声场的影响由公式（3-1）可知，入射激光的激光半径影响着激光的光斑面积，也即会导致激光的功率密度发生改变，从而使得超声场发生改变。针对点源激光，对其光源的光斑面积进行研究时我们发现改变激光光源的半径即可对光斑面积做控制变量法研究，控制脉冲宽度与激光能量在合理值范围内且不变，设置不同的激光半径RG为0.5mm和0.8mm，接收点接受到的超声时域图像图3-5所示：图3-5不同光斑半径下的超声时域图像对超声波的首波信号与回波信号进行合理分析可知，光斑半径会对首波与回波的到达时间产生影响，同时还会对金属超声检测时，设置的接收点所检测到的激光强度产生影响，分析图象可知，随着激光的光斑半径的增加，激光照射到金属上的光斑面积也在增加，而首波与回波的到达时间却随着激光半径的增加而产生延迟，激光接收点接受到的首波与回波的信号强度（也即激光能量）也随着激光半径的增加而减小。因此我们可以得出结论首波与回波在接收点的接收时间与激光半径大小成负相关关系，且与接收点接受到的激光强度也成负相关关系。激光的激发方式对缺陷检测的影响通过上面论文所述可知，选取合适的激光的相关参数对金属缺陷的检测有着重要的意义，而通过阅读文献以及了解激光的产生机制可知，激光激发方式对金属缺陷的检测也有着至关重要的影响。激光的激发方式总体来说可以归纳为两个方面：激光源的形态和激光入射光束的照射方式。激光源的形态包括两种：点源和线源。激光。点源和线源照射在金属表面也会对超声场造成明显的影响。从而影响到对缺陷结果的检测。而另一方面，关于激光光束照射方式指的是激光照射在金属表面，所预期的超声波在金属表面传播路径的情况。由于本文研究的是金属二维模型的情况，无法同时做到对金属照射横向激发和纵向激发，因此不在赘述。激光超声对于激光点源以及线源激发的研究至今为止以及非常成熟，并且在各种实际应用中的仪器里，已经开始应用。在金属缺陷检测领域中，超声表面波均可由点源和线源形式的激光激发出，本章对两者激发的超声波进行对比分析，比较这两种激发方式的激光作用在金属上从而激发的超声波对金属缺陷检测的适用性，从而为金属缺陷检测选择更优的激光源形态。同样我们利用第二章所建立的激光超声有限元模型，在进行有限元模拟的时候，点源与线源均选择合适的位置，接收位置与缺陷位置位于激励的同侧，观察各个时刻的情况，如图3-1所示。在4.3μs时刻，激发的超声波遇到不同介质的缺陷，由惠更斯原理可知，激光会在缺陷处发生折射、反射以及透射等，超声波的各种模态波在遇到缺陷后，会转变成其他模式的波继续传播。从上述研究可以发现，点源激光所激发产生的超声波会像水波一样向周围扩散，且均匀有序，能量被分散开来。而线源激光所激发产生的超声波则会沿着激光线源法线方向传播，线源激光激发产生的表面波具有更好的指向性。从点源激光和线源激光激发缺陷产生的振幅位移图像（如图3-5所示）可知，线源激光在激光激发后遇到缺陷折返被接受点接收之后会有更强的振幅，也即线源激光拥有更高的平均能量。图中所示，激光激发的超声表面波在金属中传播的时候会发生明显的信号衰减情况，而线源激光激发产生的波明显在接受点也能检测到很明显的表面波信号，使得接受点在受到波振动的时候，产生更强的振幅信号，对于金属缺陷的检测更加有利，能更好的分辨出携带缺陷信息的表面波信号。aabb图3-5点