激光激发声表面波及其用于表面缺陷检测的实验研究

摘要

该文从理论和实验研究了激光超声的生成机理、声表面波的传播特性和应用于表面缺陷检测的原理技术.首先讨论了热弹机制下脉冲激光超声的激发原理,并利用有限元法数值模拟激光热弹机制下激发板状材料中的超声导波.从声波方程出发,阐述了声表面波的基本性质和传播特性.在比较了几种激光超声检测方法的基础上,建立了基于光偏转法的光外差检测系统.该系统具有结构简单,易于调节,光电转换效率高,抗干扰能力强,接收频带宽等优点,可用于激光声表面波的探测和样品表面缺陷检测.分别分析了激光激励超声的点光源和线光源模型,实验得到了声表面波同光源种类、线光源能量、探测位置的关系.实验结果验证了激光激发表面波理论模型的合理性,证实了线光源产生的表面波具有信号强、方向性好等优点.实验检测了表面带有人工缺陷的铝样品中的激光激发的声表面波,得到了声表面波经缺陷产生的反射回波和透射波的特征波形,同时基于FFT变换得到了在缺陷前后瞬态声表面波能量的频谱分布.

目录

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1绪论

1.1国内外研究概况及发展趋势

1.2课题的理论意义和应用背景

1.3本文的主要研究工作

2脉冲激光激发声表面波

2.1脉冲激光超声的激发原理

2.1.1热传导理论

2.1.2热弹方程

2.1.3有限元方法

2.2脉冲激光激励超声的光源模型

2.2.1热弹机制下激发超声的点光源模型

2.2.2热弹机制下激发超声的线光源模型

2.3声表面波的基本性质

2.3.1声表面波的势函数及传播速度

2.3.2声表面波的质点运动轨迹

2.3.3声表面波的振幅衰减特性

2.4激光超声技术检测固体中的缺陷

2.4.1缺陷共振法

2.4.2反射系数法

2.4.3飞行时间法

本章小结

3脉冲激光超声的接收

3.1接收脉冲激光超声的几种常用方法

3.2基于光偏转法的光外差检测系统

3.2.1激光超声光外差检测系统

3.2.2光偏转法差分检测机理

3.2.3平衡接收器的工作原理及使用方法

3.3激光激发声表面波的实验方法

3.4实验结果与讨论

3.4.1声表面波信号与探测距离关系的研究

3.4.2不同光源产生声表面波信号的比较

3.4.3脉冲激光能量与声表面波关系的研究

本章小结

4激光超声用于表面缺陷检测的实验研究

4.1表面微裂纹检测的常用方法

4.2激光超声用于表面缺陷检测的实验方法

4.3实验结果与讨论

4.3.1声表面波对表面缺陷的反映

4.3.2不同深度时反射回波波形的比较

4.3.3表面无损和有缺陷时透射波波形的比较

4.3.4反射回波和透射波的频谱分析

本章小结

5结论与展望

5.1结论

5.2展望

致谢

参考文献