流-固界面上超声波与缺陷相互作用的理论研究(2)
早在激光器诞生不久之后，1962年，White[2]和Aakaryan[3]分别提出了脉冲激光激发超声波的方法，并在实验中得以实现，从此关于激光超声技术的研究就不断地发展起来。经过几十年的发展，研究从理论到实验，从激光激发超声到激光超声的检测，从原理分析到实际应用，激光技术得到了快速的发展，激光超声有着非常可人的应用前景。
激光超声发展至今已经是涉及多学科的学科与技术，涉及的学科包括：光学、声学、力学、电学、光电子学、材料学、固体物理学、等离子体物理学、生物学、医学等，有着非常广阔的应用前景[4]。相比于传统超声技术，激光超声技术有许多优点：
1) 非接触性，远离样品。适用恶劣环境以及远距离对材料进行无损检测与评估。
2) 无需耦合剂。避免与材料接触导致材料受到污染进而影响其特性，可以满足“无损”的技术要求。
3) 同时可以激发多种模态。激光不仅可以激发出多种体波，还可以在存在边界条件时激发出多种模态的导波[5]，满足不同检测需求；
4) 频带宽。利用调Q、锁模等技术可以有效减小激光脉冲宽度，激发的超声波频带可达上百兆赫兹甚至几十GHZ，可以用于检测微小的缺陷，提高检测的精确度；
5) 光源大小、形状可控。利用光学元件及系统不仅可以聚焦成很小的点源，还可以形成线源、环源等，适用于不同被测对象；
6) 超声波激发与检测设备相对简单等等。
激光超声技术具有众多优点，不仅弥补了传统超声技术的不足，而且实现了更多技术的可能性（如对纳米材料的分析[6]），拥有更广阔的应用前景。对激光超声的研究就是充分利用其优点，实现更好、更多的应用。
尽管激光超声技术经过多年的研究得到很快的发展，但因为实际检测对象及环境的复杂性，激光超声技术在实际检测中应用还比较有限。事实上，工业检测对象通常处于流体环境中（如暴漏在空气中的结构，水下的机械部件等），流体的存在使固体中超声波在流固耦合的作用下不断向流体中泄露，最终形成流固界面波：泄露波（泄露Lamb波或泄露Rayleigh波）和Scholte波。有关流固界面波的理论研究虽然已经开展，但仍需完善，在实际应用中流固界面波的激发与检测以及检测结果分析问题也亟待解决。
1.2 激光超声技术研究进展及现状
1.3 本文研究内容
经过多年的研究发展，我们已经很好的认知激光超声技术的原理与方法，然而激光超声技术神秘的面纱仍未完全掀开。为了在实际应用中更好的应用激光超声技术，还需更多的研究工作。关于流固界面激光超声的研究虽然已经开展，但仍相对较少，还没有完善的理论研究。本文采用有限元模拟的方法，对流固体材料中超声波的激发及其与缺陷的相互作用进行理论模拟研究，探究激光超声实际应用到检测流固界面缺陷的理论依据。本文主要内容如下：
1) 回顾流固界面激光超声的研究进展；基于激光热弹效应，结合热传导方程、热弹运动方程以及流固界面耦合方程，建立流固界面激光超声的激发与传播的理论模型。
2) 以变分原理为基础，建立脉冲激光在流-固界面上激励超声波的有限元计算模型以及有限元算法。通过有限元软件模拟计算，分析脉冲激光在流-固界面上激励超声波的典型结果。
3) 建立脉冲激光在有缺陷的流-固界面上激励超声波的有限元计算模型，通过编程计算，讨论脉冲激光在有缺陷的流-固界面上激励超声波的特征及其与缺陷相互作用过程。
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