气-固界面波的激光超声激励与传播特性的研究

摘要

关于液-固界面波目前已经有很多理论和实验的研究。一般而言，在液-固界面存在两个界面波：漏Rayleigh波和Scholte波。这些界面波在地震学、工程和无损检测有着广泛的应用。而自从90年代中期Gusev等人利用激光超声技术对液-固界面波进行了理论和实验研究，由于激光超声的巨大优越性，随后激光超声技术被广泛用于界面波的研究。但出于气体和固体存在巨大的声阻抗差异，目前，气-固界面波的研究还很少。本文对强度高斯分布、脉宽为τ的矩形脉冲线源和强度呈半径a园盘状分布的δ力源，在气固平界面上激发的界面波的法向位移和声压，分别进行了理论求解及数值模拟。用光折变干涉仪，Mirage效应和聚焦超声空气换能器对界面波声速，频谱及气体声场作实验研究。本文共四章。第一章介绍了气-固界面波的发展历史、研究现状和本文研究的主要内容。第二章分别求解了激光脉冲线源和脉冲圆盘源激励模型下的界面波的声场。其主要先采用积分变换技术求解相应的方程，然后直接通过留数定理来计算界面波的模式，最后利用Cagniard-de-Hoop方法得到界面波的时域解，计算表明气-固界面存在漏Rayleigh波和Scholte波。漏Rayleigh波波速CLR略大于固体媒质的Rayleigh波波速CR，沿界面传播时振幅有很小的衰减，而Scholte波波速Cs略小于、几乎等于空气媒质声速，它沿界面传播振幅是不衰减的。Scholte波相比漏Rayleigh波具有很小的位移和较大的声压，并且在空气介质中它沿界面法向方向衰减很缓慢，而漏Rayleigh波则在不到0.1mm的空气薄层内迅速衰减。其次，界面波的脉冲宽度主要取决于源的尺寸a和源的脉冲宽度τ决定。当τ<>Cs，因此，Scholte波相对于漏Rayleigh波将有较大脉冲宽度和较低频的频谱。第三章分别利用光折变干涉仪，Mirage效应，迈克尔逊干涉仪以及压电、空气换能器检测激光在铝-空气激励的界面波的声速，波形，分析它们的频谱与源尺度的关系，以及气体中声压的分布等，从实验上证实了理论预计的结论和它们的声学本质。实验表明干涉仪检测的Scholte波信号主要由气体中的声压引起的光程差变化所致。这也就是干涉仪检测得到的Scholte波信号比漏Rayleigh波信号大的主要原因。第四章对本文进行了总结和展望。关键词：激光超声 气-固界面 界面波

目录

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第一章 绪论

1.1激光超声

1.2气-固界面波研究的历史

1.3半空间表面激光超声激励声场的特性综述

1.4本文的研究内容

第二章 脉冲激光源激励的界面波

2.1脉冲激光线源激励的气-固界面声场分布

2.1.1方程的建立

2.1.2位移、应力、应变表达式

2.1.3界面的位移场分布

2.1.4界面的声压场分布

2.1.5气体中的声压分布

2.2脉冲激光圆盘源激励的气固界面声场分布

2.2.1方程的建立

2.2.2界面的位移场分布

2.2.3界面的声压场分布

2.2.4气体中的声压分布

2.3小结

第三章 界面波的实验测量和分析

3.1激光超声实验系统介绍

3.2气-固界面的二界面波的激光干涉检测

3.2.1界面波波速测量

3.2.2不同尺寸源激励下的界面波频谱测量

3.3利用Mirage效应测量激光点源激励的界面Scholte波

3.4迈克尔逊干涉仪检测Scholte波

3.5空气压电换能器检测Sholte波

3.6小结

第四章 结论和展望

4.1结论

4.2进一步的工作建议

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果