COMSOL薄铝板激光超声Lamb波缺陷检测的仿真(2)
作为激光技术与超声技术的交叉领域，激光超声检测技术是指激光束与所检测的材料表层发生相互作用，由此产生的超声波在材料中传播，得到的检测信号携带大量关于材料结构的信息，其具有非接触激发与探测、高保真激励源、多模激发等特点，且很大程度上克服了压电超声中严重的环境约束问题。此外，目前的激光技术已经能产生较小带宽的激光脉冲，这在很大程度上提高了声脉冲的时间与空间分辨率。检测对象是薄膜结构或复合材料时，用短脉冲激光同时激发出纵波、横波和表面波等波型，通过分析这些波进行参数与性能测试[2]。
在薄板结构中进行缺陷检测，传统的纵波、横波检测方法在板件厚度与超声波波长相当时受到干扰，导致检测结果不理想。在波导材料结构中，横波与纵波经过边界反射会发生多次干涉，随声波传播距离的增加，会形成一种新的波形，即导波。所以可以利用导波对厚度与超声波波长相当的板状结构进行缺陷检测，根据导波在薄板材料中传播的特点，声场可以覆盖到整个材料结构内部，不存在检测盲区。Lamb波是导波的主要波型之一，较早应用于金属板的无损检测[3]，至今已有大量有关这方面的研究成果。
采用Lamb波对薄板结构进行无损检测，不同于常规超声的单点扫查，Lamb波由于传播距离较远，可以一次在一段距离内扫查，这一特点很大程度上提高了检测质量，明显优化了检测效率。另外，在检测中，激发与探测可以在薄板的同一表面进行，利于一些特殊环境下的无损检测。实际应用中，国外已经有了在板材生产线上采用Lamb波自动探伤的尝试，却达不到预想的效果。Lamb波理论及检测机理的复杂性造成了Lamb波检测技术在实际应用中的多种难题，如对于不同类型、不同尺寸的缺陷应如何选择检测模式及设定最佳检测参数，如何对缺陷进行定性、定量分析等等，以及如何对缺陷进行定性、定量分析等 [4]。
可以用缺陷已知的试件进行实验完成Lamb波薄板缺陷检测，并借此研究Lamb波与缺陷的相互作用。为Lamb波的理论研究部分通常采用有限元数值模拟。有限元仿真软件在设置检测材料参数以及属性，加载激励源，缺陷等方面更为简易、快捷。仿真技术可以有效地辅助理解Lamb波传播及与缺陷的相互作用过程。
1.2 薄板Lamb波无损检测概况以及国内外研究现状
1.3 本文主要内容
本文的第一章主要介绍了超声Lamb波无损检测技术的发展与现状，以及有限元分析方法数值模拟对超声Lamb波理论研究以及实验的运用。本文将采用软件COMSOL创建有限元模型来模拟在1.5mm薄铝板上表面激光激发Lamb波对板的表面缺陷的检测过程。
第二章主要是对Lamb波的基础理论的阐述，说明了Lamb波的传播特性，给出了Lamb波在铝板中传播的理论相速度与群速度的频散曲线图以及激光在物质表面激发Lamb波的原理。
第三章的内容是简述Lamb波缺陷检测原理，预估计了本文有限元模拟时激发Lamb波的检测模式，并利用回波信号进行缺陷识别，详细说明了缺陷定位方法。
第四章介绍了有限元软件建模的过程，包括几何模型的创建，物理场的选择，激励源的设置，网格划分及边界条件等。
第五章针对第四章的模拟结果，在时域、频域及时频域对接收到的超声Lamb波信号进行分析，得到结果。
2 Lamb波的基础理论
2.1 Lamb波概述
在20世纪初，兰姆先生求解了边界条件为自由的波动方程，该波动解即为Lamb波的数学表达。从波动学角度来说，超声Lamb波是在板厚和超声波波长相当的波导中纵波和横波在上下边界多次反射叠加产生的合成波 。
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