【摘 要】
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本文针对连续激光源移动辐照不同结构表面激发超声信号展开研究,分别在体介质、薄板介质和线性薄膜/非线性基底系统中激发体波、超声Lamb波和声表面波,实现了超声模态的选择性激发。同时利用连续激光移动激发法分别研究了Lamb波S1模态的负群速度效应和薄膜/基底系统中声表面波的传播特性,分别实现了S1模态波传播方向的切换和非色散性声表面波的激发。对移动连续激光源选择性激发超声体波模式进行了理论和实验研究。
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本文针对连续激光源移动辐照不同结构表面激发超声信号展开研究,分别在体介质、薄板介质和线性薄膜/非线性基底系统中激发体波、超声Lamb波和声表面波,实现了超声模态的选择性激发。同时利用连续激光移动激发法分别研究了Lamb波S1模态的负群速度效应和薄膜/基底系统中声表面波的传播特性,分别实现了S1模态波传播方向的切换和非色散性声表面波的激发。对移动连续激光源选择性激发超声体波模式进行了理论和实验研究。基于波动方程和热弹性理论,建立了移动连续激光辐照铝材料表面激发超声体波的理论模型。数值模拟结果表明材料内部超声波波前角θ与连续激光移动速度V和超声体波传播速度cus满足一定的几何关系。此外,通过控制不同的光源移动速度,不仅能够选择性激发超声体波模式,尤其是单一超声横波的激发;而且特定的光源移动速度下,当超声波波前角与该模式的主要传播方向角匹配时,能够激发幅值明显增大的超声信号,提高了信噪比。同时,建立了移动连续激光源辐照激发超声体波的实验系统,实现了单一横波的激发。对移动连续激光源选择性激发超声Lamb波模态进行了理论和实验研究。利用等效移动力源模型模拟了单一Lamb波A0模态和S0模态的激发,得到了特定频厚积下,两种模态的能量沿厚度方向的分布,为后续实验选择性激发合适的模态提供依据。建立了移动连续激光源辐照激发超声Lamb波的实验系统,得到不同连续激光源移动速度下的Lamb波信号,并直接从超声时域信号的功率谱中得到相速度频散曲线。实验结果表明当连续激光源移动速度与某模态的相速度匹配时,能高效地激发该Lamb波模态并抑制其他模态的产生。相比于脉冲激光激发超声Lamb波在任何频厚积下至少存在最低阶A0和S0模态来说,该方法更适合激发单一的Lamb波模态。进一步对连续激光移动辐照聚苯乙烯薄板激发Lamb波S1模态零群速度和负群速度效应进行了理论和实验研究。基于Lamb波的色散特性和各高阶模态满足负群速度存在条件,利用特征频率分析法获得了聚苯乙烯薄板中Lamb波频散曲线,给出了S1模态在零群速度点位置的频率和相速度大小,为后续实验提供依据。实验上,通过设置三种不同超声信号接收位置,采用固定相速度ω/k法,成功观察到S1模态在频厚积约1.13MHz·mm处从正常的前进波转换成后退波的整个过程。建立了连续激光移动辐照线性涂层-非线性基底结构激发非色散超声表面波的理论模型。热弹条件下,移动连续激光源激发超声的方法能够明显提高大振幅声表面波的激发效率,有利于声表面波非线性的激发。数值模拟结果表明特定连续激光移动速度和涂层厚度组合下,声表面波非线性效应完全平衡系统带来的声表面波色散效应,激发出非色散性声表面波,并且传播过程中波形不变。本论文的研究成果可以为激光超声中选择性激发超声模态提供理论参考和实验依据。
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