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文 献 综 述 激光超声探伤技术及其数值模拟 摘要 主要概述了基于激光超声铝表面微裂纹检测的背景，介绍了检测形式现状，分析了数值模拟在铝表面微裂纹检测的实验研究。 关键词 激光超声；微裂纹检测；数值模拟 0引言 随着材料科学及结构设计理论不断发展,在机械制造、冶金、电子、航空航天、航海、石油化工、铁路运输等工程领域普遍采用高性能工程材料[1]。然而材料中广泛地存在早期细微损伤，并随损伤程度增加不断改变结构的强度与刚度，引发结构损伤的累积，从而导致工程结构产生突发性失效，造成灾难性的事件。这些工程结构的安全性和可靠性仍然是科学和技术领域专家所面临的主要挑战。因此，有效地对重要的工程结构进行在线监测，不仅能降低工程设施的维护成本，而目能够对新结构的设计提供理论指导。研究及时准确地识别结构材料中早期微损伤(位置、取向及损伤严重程度)的检测理论和开发新的监测技术具有十分重要的科学意义和工程应用价值。 1应用背景 作为一门新的无损检测技术，激光超声技术有着一系列优点超声的激发是非接触的，可以大大提高检测的速度，尤其在扫描大型构件时具有更大的优势激光光束的聚焦光斑面积可以非常小，这就使得在复杂曲面上进行超声检测成为可能光学方法可以进行远距离激发和探测，这就给一些高温、高压等危险环境的检测需求提供了一种比较安全的检测方法激光可以激发出从kHz到GHz频率的超声波，频带非常宽，对应的短波长声波可以提取材料微小结构或者薄膜的信息。 由于激光超声波具有瞬态、宽频带和多种模态结构的特点，在无损检测领域得到越来越广泛的应用[5-7]。激光超声主要包括热弹性激发、融蚀激发两种。热弹激发超声时，由于样品表面没有受到破坏并目由激光产生的超声波形可以重复测量，因此在材料的无损检测得到广泛应用。通过控制激光的输入能量、激光脉冲上升时间和激光光斑半径等参数，材料的弹性性质和缺陷特征可以通过对反射或透射的超声波形特征参数或反射透射系数进行分析而获得。激光超声是激光直接照射样品产生，光与样品之间无须耦合剂，可消除因耦合引起的附加影响。激光源和激光接收系统可远离样品，能在酸、碱、高温高压、以及辐射等恶劣环境下进行检测，可望在工业在线检测和质量实时监控领域得到广泛的应用。 |
2发展历史
为对材料的无损评价和新材料的性能检测，就必须理解超声的产生、传播概述特征和信号的分析，因而国内外许多学者已进行了大量的理论研究和实验研究。但由于复杂结构材料和新型功能材料的激光超声的产生过程和激光超声的特性极为复杂，因而还有许多问题尚未解决。激光超声无损检测中亚待解决的问题主要有：一是理论模型，即需要能够建立超声产生机制及激光输入参数、材料参数和超声信号之间的定量关系二是超声信号的分析与处理技术，无损检测中需要对宽频带的超声导波及散射信号的时域及频域特征进行分析处理来提取和反演材料中的待测信息。因此，有必要进一步开展激光与材料的相互作用机理，建立正确的理论模型，建立激光输入参数、材料参数、波形之间的定量关系和信一号的特征提取及相应的实验研究工作。
早期的激光超声技术的理论研究主要是基于线弹性理论，采用激光作用的等效力源模型，分析超声波的特征，达到材料性能评价和无损检测的目的。其发展过程主要经历了三个阶段。
第一个阶段代表性的理论是由White（1963）[4]和Ready（1971）[8]提出的一维超声模型，即考虑激光辐照均匀分布，基于一维热传导方程和一维线弹性理论分析得到激光辐照能量密度和热弹性位移之间的关系，但该模型的不足之处是没有能够考虑激光热源的空间分布和时间分布，并目忽略材料的切向应变，因此无法预示剪切波和表面波的存在。
第二阶段的主要理论是由Scruby（1980）[9]基于格林函数[10]提出表面应力偶极子点源模型，并目得到了与实验波形可比较的理论波形。该模型将激光辐照区域看成一个点，激光辐照在该点引起介质的体积突然变化，即将激光作用源看成t=0时刻作用于介质表面的三个相互正交的应力偶极子。Rose（1984）[11]基于双积分变换法数学证明了半弹性空间内柱坐标下点源模型，该模型忽略热传导而将激光作用看作表面中心扩展力源。表面中心扩展源模型能够预示激光超声波型的主要特征，并目与实验结果相一致，特别对于高度聚焦光源（小光斑半径）、短脉冲激光（纳秒量级）和远场接收超声波的情况尤为适用。但是由于点源模型忽略了热扩散过程，因此无法精确分析激光辐照的空间和时间分布对超声波频率的影响，也无法解释实验波形中出现的前驱小波。
第三阶段理论的主要标志是Doyle（1986）[12]在考虑材料中热扩散效应的基础上理论分析了激光超声波形。在弹性板空间内将激光辐照产生的热扩散等效为材料表面处的体膨胀应力分布，并通过数值计算得到对心波形中的前驱小波，并目分析了激光脉冲的上升时间对前驱小波波形的影响。在此基础上,McDonald（1990）[13]基于经典热弹性理论和双曲型热传导方程研究了激光参数对激光超声对心波形的影响。Wu（1995）[14]等采用本征函数展开法，基于经典热传导方程数值计算得到脉冲激光热弹激励超声波波形，指出波形中的正向前驱小波是由于激光能量沉积形成的体力源和介质表面的热弹模态转换形成的表面力源的共同作用。理论模型很好地揭示了温度场和位移场之间的藕合关系，得到的数值结果与实验波形可以很好地吻合，这为进一步完善激光激励超声波的理论并应用于实际奠定了良好的理论基础。
近年来随着新型功能材料、微结构器件和激光超声技术的不断发展，超短脉冲（皮秒和飞秒）激光与金属介质相互作用的热过程已经无法用经典热传导方程精确描述，研究者们将介质内的电子和晶格看作两个温度相互祸合的子系统，提出了双温热扩散模型[17]，这些研究成果进一步拓展了人们对于脉冲激光和辐照介质相互作用的理解。
激光超声的理论研究大都采用解析法和数值法研究分析超声波的产生和传播。激光超声的解析法主要求解热弹性祸合方程，主要有积分变换法[15]、格林函数法[13]和本征函数展开法[16]等。应用时间坐标的Laplace变换和空间坐标的Fourier变换或Hankel变换这种双积分变换方法求解热弹方程的变换解相对较容易，但是，要将变换解逆变换回到时间-空间坐标系中时比较困难，一般情况下难以用解析方法获得，而要借助于数值联合反Laplace-Fourier变换或数值联合反Laplace-Hankel变换，而数值联合反变换是比较困难的。解析求解能够得到声波场的特征方程，能够精确分析各种模态波的传播特征，缺点是解析方法只能适用于规则的几何界面，并且波形的精确解还需要借助数值分析进行逆变换才能得到。格林函数法求解时采用点源模型而忽略了激光作用的热穿透效应而成为表面热源。本征函数扩展法比较适用于很薄的薄板中Lamb波的分析，因为很薄的薄板中Lamb波仅需要考虑低阶的本征模态的作用，而当样品厚度增加时不仅要考虑低阶模态的高频分量，而月要考虑高阶模态，因而使计算较概述复杂。另外，在激光作用过程中，由于温度的变化，材料的热物理性能也随之发生变化，而所有这些解析方法都无法考虑材料热物理参数随温度变化的实际情况。
4展望
光声成像技术能够实现对从亚细胞结构到细胞、器官等多尺度提供成像分辨率和深度适宜的图像，提供了宏观形态到基因、分子等微观成像的技术，对生物医学的研究有着很大潜力。但光声成像本身也存在着一定的局限性，当组织声学特性很复杂时，产生的图形畸变会导致信息存在很大误差，因此克服光声成像的这个缺点，可以极大扩大光声成像的应用范围，通过提高换能器的灵敏度、频率和频带宽度，从而提高换能器对产生的光声信号的检测质量，进一步优化图像。随着光声成像技术性能的进
（皮秒和飞秒）激光与金属介质相互作用的热过程已经无法用经典热传导方程精确描述，研究者们将介质内的电子和晶格看作两个温度相互祸合的子系统，提出了双温热扩散模型[15]，这些研究成果进一步拓展了人们对于脉冲激光和辐照介质相互作用的理解。
3数值模拟
激光超声的理论研究大都采用解析法和数值法研究分析超声波的产生和传播。激光超声的解析法主要求解热弹性祸合方程，主要有积分变换法[13]、格林函数法[11]和本征函数展开法[14]等。应用时间坐标的Laplace变换和空间坐标的Fourier变换或Hankel变换这种双积分变换方法求解热弹方程的变换解相对较容易，但是，要将变换解逆变换回到时间-空间坐标系中时比较困难，一般情况下难以用解析方法获得，而要借助于数值联合反Laplace-Fourier变换或数值联合反Laplace-Hankel变换，而数值联合反变换是比较困难的。解析求解能够得到声波场的特征方程，能够精确分析各种模态波的传播特征，缺点是解析方法只能适用于规则的几何界面，并且波形的精确解还需要借助数值分析进行逆变换才能得到。格林函数法求解时采用点源模型而忽略了激光作用的热穿透效应而成为表面热源。本征函数扩展法比较适用于很薄的薄板中Lamb波的分析，因为很薄的薄板中Lamb波仅需要考虑低阶的本征模态的作用，而当样品厚度增加时不仅要考虑低阶模态的高频分量，而月要考虑高阶模态，因而使计算较概述复杂。另外，在激光作用过程中，由于温度的变化，材料的热物理性能也随之发生变化，而所有这些解析方法都无法考虑材料热物理参数随温度变化的实际情况。
数值方法主要有有限差分、有限元法和边界元法。有限差分具有计算速度快，但求解不稳定的特点。边界元法的优点是只需对表面进行离散，但无法分析超声波在材料内部的传播特征。有限元方法是建立在严密的数学理论基础上，具有能处理复杂的几何构形、对各种物理问题具有可应用性、以及适合计算机实现的高效性等特点。有限元方法不仅能够灵活处理各向同性及各向异性材料等复杂的结构中波的传播问题，还能利用有限元模型处理物理参数随环境变化的影响等，如：热扩散过程、光学穿透和材料参数随温度变化的实际情况，并能够得到全场数值解。利用有限元方法开展激光超声传播研究是近年来迅速发展起来的数值技术，它不仅能对复杂媒质和结构的声场分布作模拟，而目能对结构上某点的位移波形作较精确的描述。
借助于不断发展的计算机技术和商用有限元处理软件，可以快速高效地对大量网格进行划分和计算，大大提高了计算精度。课题组[16-18]基于有限元方法对金属、复合材料板以及涂层基底结构的激光超声问题进行数值模拟研究，分析了激光超声波的产生、传播及超声波与缺陷的相互作用，得到了许多有价值的结果。因此,在本文的研究中，我们采用有限元方法来研究激光激发超声的产生和传播。建立了激光输入参数和产生的超声波特征之间的定量关系，为进一步应用激光超声的无损检测提供了依据。
以激光声表面波为代表的用于微小缺陷无损检测的激光应用技术的研究，是目前国际学术界一个研究热点一，日益成为超声工程和无损检测领域的一个重要内容，其理论和实验都还有待于更为系统的、深入的研究。
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