激光超声国内外研究现状综述(3)

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的检测。在激光声表面波检测表面缺陷方面，目前研究较多的方法是远场区域的脉冲回波法和投捕法。即激发光远离缺陷区域。探测的是远离激光激发区域的声表面波，根据该远场声表面波的特征来实现对缺陷的检测。主要的方法有两种，一种是探测激光激发的声表面波与表面缺陷相互作用后幅值、频谱等变化对缺陷进行检测；一种是时间飞行衍射技术。前一种方法的精度受到信号噪声影响很大，并且当缺陷尺度比声表面波波长小得多时，声表面波的幅值变化很小，因此很难探测尺度小于声表面波波长的微裂纹。而时间飞行衍射技术利用缺陷尖端衍射产生的超声的飞行时间来探测缺陷尺寸，这种方法利用信号的飞行时间而不是幅值信息，在利用缺陷进行测长、测高的定量研究时精度相对较高。

但是这些远场缺陷的识别方法受缺陷的取向影响很大，而且适用于探测尺寸与声波波长相当的缺陷。要想探测更小的微缺陷，就要提高激发和探测到的表面波频率。由于受到激发源和探测装置的带宽限制，以及高频超声波在材料中的衰减很大，因此这种方法对微缺陷检测能力的提高是有限的。

4 激光超声的数值计算研究进展

在激光热弹机制激发超声的理论研究工作中，大部分工作在求解热弹方程过程中采用解析计算方法，其中主要的有双积分变换方法四、格林函数法和本征函数展开法。应用时间坐标的Laplace变换和空间坐标的Fourier变换或Hankel变换这种双积分变换方法求解热弹方程的变换解相对较容易，但是，要将变换解逆变换回到时问．空间坐标系中时比较困难，一般情况下难以用解析方法获得，而要借助于数值联合反Laplace-Fourier变换或数值联合反Laplace—Hankel变换，而数值联合反变换是比较困难的。格林函数法求解时采用点源模型而忽略了激光作用的热穿透效应而成为表面热源。本征函数扩展法比较适用于很薄的薄板中Lamb波的分析，因为很薄的薄板中Lamb波仅需要考虑低阶的本征模态的作用，而当样品厚度增加时不仅要考虑低阶模态的高频分量，而且要考虑高阶模态，因而使计算较复杂。另外，在激光作用过程中，由于温度的变化，材料的热物理性能也随之发生变化，而所有这些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。

脉冲激光热弹激发超声波精确解析求解的主要困难是求解高度耦合的偏微分方程，因为这一物理过程不仅包括瞬态热扩散，而且包括瞬态弹性波的激发和在有限空间的传播。X．M．Wu等用有限元数值模拟了圆柱体中的Rayleigh波，M．Kass用有限元方法研究了单层铜材料中激光激发的频率低于100 kHz超声信号。Lee和Burger提出了激光Lamb波的有限元数值模型，研究了网格大小对温度场和应力场的影响，借助已有解析解的低阶模态的波形，数值模拟了这些低阶模态的波。他们的工作中既没有讨论Lamb波的色散特性，也没有讨论激光输入参数、材料参数和超声波形特征参数之间的定量关系。但是说明了热弹性方程的有限元数值模型的可行性和有效性，另外，需要一个有效的工具来分析瞬态超声波的特征。

有限元方法是建立在严密的数学理论基础上，具有能处理复杂的几何构形、对各种物理问题具有可应用性、以及适合计算机实现的高效性等特点。有限元方法不仅能够灵活处理各向同性及各向异性材料等复杂的结构中波的传播问题，还能利用有限元模型处理物理参数随环境变化的影响等，如：热扩散过程、光学穿透和材料参数随温度变化的实际情况，并能够得到全场数值解。利用有限元方法开展激光超声传播研究是近年来迅速发展起来的数值技术，它不仅能对复杂媒质和结构的声场分布作模拟，而且能对结构上某点的位移波形作较精确的描述。因此，在本文的研究中，我们采用有限元方法来研究激光激发超声的产生和传播。