1.2  国内外研究进展

1.2.1  激光超声研究进展

1.2.2  ASF模式楔波的国内外研究进展

1.3  本文主要工作

本文的主要研究工作是了解激光超声的原理、技术及应用，并通过有限元法分析激光在不同角度的楔形板中激发产生的楔波的模态、模态转变以及能量变化，重点是不同角度楔体模型对波特性的影响。首先，论述激光激发ASF楔波的原理机制，并总结ASF模式楔形波的基本理论；其次，利用ANSYS软件模拟不同角度的楔体中楔波激发的传播过程；最后，利用OriginPro 8.5软件分析之前的计算结果，得出不同楔角的楔形波的模态转换过程图和能量衰减图。

2  激光激发ASF模式楔形波和有限元法的理论基础

2.1  激光超声的原理

高能量的激光脉冲照射到金属材料表面时, 其表面吸收激光辐射, 引起材料的快速加热, 产生振动, 发出超声脉冲。根据激光的功率密度和固体表面条件的不同, 主要有热膨胀机制和热烧蚀激励。

 热膨胀激励是在激光的功率密度较低及激光脉冲投射到样品表面上时, 部分激光能量被材料吸收引起局部温度升高, 由材料热膨胀带动和单位面积动量变化引起压力变化而产生的表面运动。当激光功率密度小于107W/CM2时, 激光照射金属材料表面后, 其能量被表面附近的薄层吸收, 此薄层的热能增加, 并且传导到材料的内部。在材料中,当吸收快于热传导时, 受热层膨胀并对邻近的材料施加一个应力脉冲, 这样就产生了穿透材料的压缩冲击波。热弹性激励超声脉冲就是这种条件下产生的。文献综述

    相对于热膨胀激励, 热烧蚀激励功率较高, 可能会造成材料表面的少量损伤, 但是几乎不会影响材料的性能。当激光功率密度大于107W/CM2时, 激光照射金属料表

面后, 其表面温度急剧升高, 部分金属被激发, 甚至形成等离子体, 并以很高的速度离开金属表面, 同时又对金属表面产生一个反作用力,在激光照射的表面运动并产生一个压缩脉冲。

 2.1.1热膨胀激励

2.2  ASF模式楔波的基本理论

楔波是一种弹性声导波，通过传统的超声源方法就可激发楔形波，该楔形波能够沿一系列楔体形状的物体的边缘传播，如山脊状的物体，倾斜的裂缝、倾斜的交叉凿洞、螺旋状的钻头、螺旋桨桨叶等等。在理想楔体中传播的楔形波无频散和衍射现象，能量集中，且波速缓慢。凭借这些特点，楔波尤其是ASF模式楔波被广泛应用于非线性信号处理，带边机械结构的无损检测等。如今，随着激光超声技术的不断发展，借助激光超声源来激发楔形波越来越受到人们的重视。来~自^751论+文.网www.751com.cn/

然而，对楔波的理论研究目前仍存在许多瓶颈，现有物理模型（如薄板近似理论、几何声学理论等）虽然能近似得到ASF模式楔形波的速度表达式，但要么只能适用小角度楔体，要么不能得到精确解析表达式等等。本文采用有限元方法得到一些数值解来分析ASF模式的楔形波。