基于光声机理的激光超声关键技术研究

发布时间：2017-04-02 04:10

  本文关键词：基于光声机理的激光超声关键技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：超声检测技术在医疗和工业领域中的应用越来越广泛。随着工业技术发展,在实际应用中对检测技术的精度、有效性以及可靠性等方面提出了越来越高的要求。激光超声无损检测技术作为超声无损检测领域的一种新技术手段,具有高精度、高灵敏度、高分辨率、无死区的优势,并且可以实现非接触式检测。然而,由于目前激光超声无损检测技术具有光声能量转换效率低的缺点,在实际应用中为获得理想幅值的超声信号需要使用高功率密度激光,这通常会对检测对象造成损坏。因此对光声能量转换效率的改进技术成为近年来激光超声领域的研究热点之一。本文以激光超声技术为基础,建立了接触式激光激发超声波的模型,系统地分析了激光特性与检测对象特性对超声产生的影响,设计了一种基于约束能量吸收层方式的接触式激光激发超声波的结构,旨在提高光声能量的转换效率,在不损坏检测对象的前提下获得理想幅值的超声信号,并推导了这种结构相比直接在物体表面激发超声波的光声能量转换效率的提高倍数。在建立的激光超声模型的基础上,利用ANSYS软件对不同结构的激光激发超声过程进行仿真,同时采用实验室具备的激光器进行实验验证,并通过实验数据对比确定最有效的激发结构。接着,论文深入研究了激发结构中各部分材料、几何尺寸以及工工艺对激发超生的影响,设计了收发一体式后向接收的激光超声探头。最后,设计了相应的实验对激光超声探头的性能进行了全面、直观的验证。实验结果表明:与激光直接在物体表面激发超声波相比该激光超声探头拥有更高的幅值;与传统压电超声相比激光超声探头有更高的频带,因此具有更高的检测灵敏度、分辨力、精度。本文在提高光声转换效率方面展开了深入的研究,并据此设计了高效率的收发一体式后向接收激光超声探头,为后续的扫查式检测与成像提供了理论与技术基础。
【关键词】：激光超声 无损检测技术 光声转换效率 后向式激光超声探头
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB302.5
【目录】：

• 中文摘要4-5
• abstract5-10
• 注释表10-11
• 第一章 绪论11-17
• 1.1 论文研究意义11
• 1.2 论文研究背景11-13
• 1.3 激光超声技术理论研究现状13-14
• 1.4 激光超声检测技术的研究现状14-15
• 1.5 论文研究安排15-17
• 第二章 激光激发超声波的理论基础17-32
• 2.1 激光能量吸收特性分析17-20
• 2.2 基于激光能量吸收的物体表面温度场分析20-26
• 2.2.1 金属物体表面温度场分析20-25
• 2.2.2 非金属物体表面温度场分析25-26
• 2.3 激光照射物体表面后发生的物理现象26-31
• 2.3.1 热弹效应26
• 2.3.2 辐射压效应26-27
• 2.3.3 表面熔化效应27
• 2.3.4 烧蚀、蒸发、等离子形态效应27-29
• 2.3.5 在气体与液体中激发超声波29-30
• 2.3.6 外界温度改变对激光超声的影响30-31
• 2.4 本章小结31-32
• 第三章 基于表面约束的激光超声仿真与实验32-52
• 3.1 激光超声建模32-35
• 3.1.1 激光超声 1D模型32-33
• 3.1.2 激光超声 3D模型33-35
• 3.2 激光器参数分析35-37
• 3.2.1 激光波长35-36
• 3.2.2 脉冲能量36
• 3.2.3 辐照区域与光束能量分布36
• 3.2.4 脉冲宽度与脉冲重复率36-37
• 3.3 激光激发超声纵波的仿真与实验分析37-51
• 3.3.1 激光超声仿真背景与实验系统介绍37-38
• 3.3.2 样件自由表面激发超声的仿真与实验38-43
• 3.3.3 基于能量吸收层覆盖的激发结构实验43-44
• 3.3.4 基于透明固体与液体约束层的激发结构实验44-45
• 3.3.5 基于约束液体层的激发结构仿真与实验45-46
• 3.3.6 基于约束金属薄膜层的激发结构仿真与实验46-51
• 3.4 本章小结51-52
• 第四章 一体式后向接收激光超声探头设计52-61
• 4.1 两种激光超声探测模式对比分析52-53
• 4.2 一体式后向接收激光超声探头设计53-55
• 4.2.1 激光入射能量吸收层的角度54
• 4.2.2 石英块几何尺寸确定54-55
• 4.2.3 光纤与透镜55
• 4.2.4 光纤与透镜55
• 4.3 激光超声的接收方法55-56
• 4.4 能量吸收层56-58
• 4.4.1 金属膜层选择56-57
• 4.4.2 金属膜层加工方案设计57-58
• 4.4.3 约束液体层功能分析58
• 4.5 一体式后向接收激光超声探头模拟实验分析58-59
• 4.6 本章小结59-61
• 第五章总结与展望61-63
• 5.1 总结61
• 5.2 展望61-63
• 参考文献63-66
• 致谢66-67
• 在学期间的研究成果及学术论文情况67

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