ASF楔波激光激发楔波的模态转换的数值模拟研究(2)

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总结 22

致谢 23

参考文献 24

1 绪论

1.1 研究背景和意义

几十年里以来激光技术自诞生就得到了巨大的发展与进步。激光以其方向性好、亮度高、单色性好、相干性好等特点，现已广泛应用于工业、农业、科学研究等众多领域。

激光与物质相互作用原理涉及的领域有热力学、固体电子学、力学、声学等等，而这些作用过程对应的原理为:当激光束作用于物质时，光能先转换成物质中粒子的激发能，然后再转化为化学能、热能或机械能等。在整个过程中，物质中分子结构和物质的形状都将以多种形式发生变化[1]。

激光超声学主要研究脉冲激光在媒质中激光激发超声的机理、传播过程和检测方法。激光超声采用强度调制的激光束入射到闭合介质空间而产生声波，所用的激光为脉冲激光。与传统上用压电材料或电弧放电激发超声相比，激光超声可以重复产生很窄的超声脉冲，在时间和空间上都具有极高的分辨率。激光不仅可以在不同形状的材料中非接触的激发超声，同时也可以在高温、高压、有毒和放射性等恶劣环境下进行超声检测，适用于超薄材料的检测和物质微结构的研究。因此对其进行理论和实验研究具有重要的意义。

针对不同结构、组分、形状的材料，研究激光在其中产生的超声波特性，可以了解材料的特点。随着光子晶体和声子晶体的飞速发展，人们对周期性结构材料有了更多的认识。由于周期性结构的波带隙特性，对不同组成的周期性材料，其带隙的频率范围不同，带隙频率范围内的波在材料中传播时会被抑制，而其它频率范围的波将在色散关系的作用下没有损耗的传播。因此，我们可以人为地利用周期性材料来控制ASF楔波的传播；反之，通过研究激光在周期性材料激发得到的ASF模式楔波，可以了解材料的组成及结构等特点。

ASF模式楔形波，在楔尖处激发和探测，对于复杂的楔体，传统的压电方式激发或探测，显然行不通，将激光超声技术用于ASF模式楔形波的研究，符合无损检测的要求，结合了激光超声技术的优点。ASF楔形波是一种弹性声导波，它综合了Lamb波的A0模态和瑞利波的特性，按照波传播相对于中顶面的对称性，可以分为对称弯曲模式楔形波（Symmetric Flexural modes）和反对称弯曲模式楔形波（Anti-Symmetric Flexural modes）。当超声激发源平行于顶轴时，可以激发出对称弯曲模式楔形波；当超声激发源垂直于顶轴时，可以激发出反对称弯曲模式楔形波。其中反对称弯曲模式的楔形波因为其一些特殊的性质，尤其引人注目。论文网

ASF模式楔形波沿理想的楔顶传播时，无频散和衍射现象，传播速度很慢，而且能量几乎全部集中在楔体顶端。ASF模式楔形波的传播速度受楔体材料的顶角和材料本身的影响；当楔体为非理想状态时，即顶面非无限锋利时，ASF模式楔波在实际传播过程中存在着频散；此外，ASF模式楔波在传播过程中存在的模态数与其楔体的顶角密切相关。

ASF模式楔形波有着具有广阔的应用前景：可应用于特殊工程材料、非线性信号处理设备等的无损检测[2]、水下超声学[3]等。在空气中，对特殊结构的楔体的无损检测表现为：检测机械工具的刀刃、螺旋状钻头、飞机螺旋桨桨叶等；非线性信号处理的应用之一为发展一种ASF模式的传感器，类似于表面波SAW传感器；在水中的一个重要应用就是水下推进[4-5]，设计制造特殊的机翼状结构，利用楔形波能量集中于楔顶的特性，根据流体力学原理，推动船只或核潜艇前进，这种推进的方法很安静，不会破坏海洋生物的环境，对人和生物而言，既环保又安全。