光热调制裂纹张合的激光超声检测研究(3)
1.2 国内外研究现状 激光超声是将超声学与激光技术相融合后形成的一门交叉学科，自其诞生以来，国内外的众多学者专家便针对这项技术开展了大量的研究工作。用激光在材料中激发超声波／声波的机理、方法和技术，超声波在材料中的传播特性，激光接收超声波／声波的原理、方法以及对激光超声检测技术的应用等都是众人研究的热点问题。随着众多学者的不断探索，激光超声技术已取得了长足的发展。 1963 年，White[1]和 Askaryan[2]ᨀ出了用脉冲激光激发超声波的方法，区别在于，White针对的是固体，Askaryan 针对的是液体。White 还ᨀ出了，由瞬态表面热化激发弹性波的一维理论，并且演示了如何用红宝石激光器激发声表面波，以及利用梳状换能器来接收声表面波的实验[3]，自此，激光超声技术华丽登场。在此基础上，1985 年，Bourkoff 等[4]采用脉宽为 6ns，能量约为 10-21μJ 的染料激光器在材料中激发了超声波，这一事件成为了使用低能量激光激发超声的开端。 在激光超声技术发展的初期，大量的研究工作都是围绕着如何给脉冲激光激发超声建立一个等效的热弹性力源模型的问题上，同时，人们还力图解释，为何激光能在材料中同时激发出多种模式的超声波。激光辐照的一维模型就是由 White和 Ready[5]ᨀ出的，他们分析了材料中超声波的产生机制以及材料受热后发生形变的瞬态物理过程， 合理地解释了纵波的激发。然而，这种局限在一维平面内的讨论并无法对表面波以及剪切波的产生给出合理的解释。 1980年，Scruby[6]等ᨀ出了点源模型，这一模型较为接近于激光激发超声的实际物理过程，他把激光的热效应考虑在内，将激光源的作用同机械载荷联系了起来，并且ᨀ出了表面中心扩展源模型。Rose[7]把脉冲激光看作中心扩展力源，将热扩散效应忽略掉，用数学方法证明了弹性半空间的点源模型。上面几个模型都是将表面力源和弹性理论结合起来，忽略掉光源的热扩散效应，纯粹地视激光源为一表面力源，无法体现激光光斑的大小对超声波的影响，也无法解释实验中在对心位置接收到的前驱小波从何而来。Dewhurst 和 Hutchins[8]对力源模型进行了修正，虽可解释前驱小波，但依然没有将热扩散效应考虑在内，无法解释激光源对参数的影响。Doyle[9]在考虑了材料的热扩散效应后建立了他的理论模型，对激光在热弹条件下激发的超声信号中的前驱小波进行了研究。事实上，表面力源和体力源的共同作用下促使了前驱小波的形成，对于研究激光源参数对超声波的影响，这一模型的ᨀ出意义重大。随后，McDonald[10]凭借热弹理论解释了光斑大小和脉冲上升时间是如何对超声波波形产生影响的，但想要明确解释温度场和位移场之间相互耦合、相互作用的过程却依然实现不了。在前人的基础上，Arnold [11]通过对脉冲激光的空间、时间分布是如何对超声激发效率产生影响的这一问题，ᨀ出了调整超声激发的效率可以通过调整光斑半径和脉冲宽度来实现。Sanderson[12]ᨀ出激光激发超声的过程其实是一个三维问题，由于激光的热效应，表面中心扩展源和热偶极子共同促成超声波的形成。这一三维模型定量地分析了热温度场和力学位移场的耦合过程，将激光超声的激发理论进行了进一步地完善。
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