超声无损探测中光致声波的原理及应用

摘要

激光超声技术是近年来活跃在无损检测领域的一种新型检测手段。本文详细的介绍了光学无损检测的原理和实验技术。实验系统采用共焦Fabry-Perot干涉仪（CFPI）对激光超声信号进行接收和提取。本文重点针对CFPI系统进行光学检测原理的分析和检测系统的结构设计，文中还对光纤Fabry-Perot（F-P）干涉系统在激光超声信号的接收和提取进行了理论设计。对有源腔干涉系统在激光超声信号检测方面的应用前景做了实验研究。
　　本文详细论述了激光脉冲激励固体表面产生超声脉冲的原理。利用有限元法(FEM)对板状金属铝材料中激光超声导波进行了理论研究。对不同激光光源激发条件下产生的超声信号进行了分析和讨论。从声波方程出发，阐述了声表面波的基本性质和传播特性。
　　激光超声无损检测可解决很多常规超声检测方法无法解决的问题，本文对激光超声在材料特性测定、缺陷探测及新型复合材料评估检测等方面的应用进行了研究。验证了一种检测金属材料弹性系数的方法——通过将激光超声在金属内传播的纵波和表面波相结合，分析运算出金属材料弹性系数的方法。建立了激光线源激发声表面波的平面应变有限元理论模型，分析了激光声表面波与不同深度的表面缺陷的相互作用过程。分析了反射声表面波中两种模式成分的到达时间随表面凹痕深度的变化规律。分析结果表明反射声表面波两峰的时间间隔随表面缺陷的深度增加而增加，而与缺陷宽度无关。
　　本文分析了激励源、检测距离、检测手段以及样品特性等因素对检测效果的影响，说明了线光源激励产生的表面波具有指向性好，幅度强等特点。通过理论分析，得出减小探测激光入射角和检测方向散射角可以增大输出光强。适当减小共焦F-P干涉仪的带宽、增加腔长、增大镜面反射率，可以提高系统的信噪比。

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第一章 引言

1.1无损检测技术的概况及发展

1.2本课题的研究意义

1.3课题研究的主要内容

第二章 检测原理及光学系统的设计

2.1检测原理

2.2光学系统的结构和原理

第三章 脉冲激光在固体板状材料中激励超声波的研究

3.1脉冲激光产生超声的理论基础

3.2脉冲激光超声的激发原理

3.3脉冲激光产生超声脉冲的光源模型

3.4激光超声的基本性质

第四章 激光超声的应用研究

4.1金属材料性能检测

4.2利用激光超声检测材料表面缺陷

4.3其它方面的应用

第五章 检测条件对检测效果的影响

5.1脉冲激光的影响

5.2检测距离对声表面波信号的影响

5.3共焦Fabry-Perot干涉仪的影响

5.4样品特性对检测超声波的影响

5.5其他因素的影响

第六章 结语

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果