激光超声技术及其在材料分析中的应用

本书为“材料先进成型与加工技术丛书”之一。激光超声具有非接触、光路鲁棒性好、无损以及高频宽带的特点，兼具超声在介质中的高穿透性和脉冲激光的高频和高速可调性，特别适合于各类高精度快速检测的工业需求，尤其在高温、高压等极端环境下进行实时、动态检测方面具有不可取代的优势。本书以激光与材料相互作用的原理为基础，结合作者在激光超声领域的研究成果和国内外研究进展，对激光超声的原理、应用及未来发展进行了详细描述。书中回顾了激光超声技术的发展历程以及国内外研究现状；系统阐述了脉冲调制的激光在不同材料中激励脉冲超声的模型及数值分析方法；接着讲述了基于激光干涉法和非干涉法的激光探测超声的原理和技术；随后针对几种典型的应用场景，如层状材料、管件材料、激光增材制造，从检测系统的构建以及算法的构成等方面进行了阐述；最后，将激光超声方法应用于微观组织结构表征，分别从声衰减法以及声表面波法两方面阐述了激光超声用于表征单晶、多晶金属材料中晶粒大小及多晶材料织构的原理和方法。

目录
总序
前言
第1章 激光超声检测方法概述 1
1.1 光声检测技术的发展历程 2
1.2 光声检测技术的应用 4
参考文献 6
第2章 激光激发超声基本理论和有限元方法 10
2.1 固体材料中激光热弹产生超声波的基本理论 10
2.1.1 固体弹性力学基本理论 10
2.1.2 脉冲光源激励下的热弹效应 21
2.2 激光热弹超声的有限元求解方法 29
2.2.1 有限元方法简介 29
2.2.2 热传导方程的积分形式 29
2.2.3 热弹方程的有限元解法 30
2.3 激光点源/线源激励的超声模型与分析 30
2.3.1 模型定义 30
2.3.2 结果与讨论 32
2.3.3 体热源激发的固体弹性波 33
2.3.4 模拟功能梯度材料 35
2.3.5 激光点源激发的表面波 36
2.3.6 线源激励的声表面波传播特性 38
2.4 瞬态热栅法激励超声的基本理论与有限元分析 40
2.4.1 热传导理论 40
2.4.2 热栅激励超声的有限元模型构建 41
2.4.3 数值模拟结果与讨论 41
2.4.4 声表面波在缺陷材料中的传播特性 43
2.4.5 竖缺陷对声表面波的影响 46
2.5 基于激光超声的固液界面声波 47
2.5.1 超声波在流固耦合界面上的反射与透射 47
2.5.2 阻抗转移定理 48
2.5.3 建模实验 49
参考文献 54
第3章 超声的光学探测技术 56
3.1 刀边法检测系统 57
3.2 基于光偏转的光纤式探测器 59
3.2.1 光纤式探测器原理 59
3.2.2 光纤式探测器系统设计 60
3.2.3 系统结果与分析 61
3.3 双波混合干涉仪原理 64
3.3.1 抗干扰原理 65
3.3.2 系统光路原理图 66
3.4 剪切散斑成像 67
3.4.1 剪切散斑成像的基本介绍 67
3.4.2 数字散斑干涉技术原理 68
3.4.3 剪切散斑干涉成像原理 69
3.4.4 剪切散斑干涉的模拟分析 71
3.4.5 剪切散斑成像的演示系统 72
3.5 激光多普勒测振仪 73
3.5.1 激光多普勒测振仪的测振原理 73
3.5.2 激光多普勒测振仪的信号处理 75
3.6 基于热栅激励的窄带检测技术 76
3.7 单点扫描的数据处理 80
3.7.1 利用一维傅里叶变换获取色散曲线的方法 80
3.7.2 二维傅里叶变换在超声信号处理中的应用 82
参考文献 83
第4章 激光超声在层状材料检测中的应用 84
4.1 层状材料中的声传播理论 84
4.2 实验装置设计 86
4.3 实验信号处理 87
4.4 实验结果与讨论 88
4.4.1 0.3mm薄铝板中导波传播特性 88
4.4.2 三层胶合板中导波传播特性 89
4.5 三层胶合材料中声传播特征的数值模拟 90
参考文献 92
第5章 激光超声在圆管中缺陷检测 93
5.1 周向导波的基本方程 93
5.1.1 单层环中的周向水平剪切波 94
5.1.2 单层环中的周向兰姆型导波 96
5.1.3 多层环状结构 99
5.1.4 周向导波控制方程的数值解 102
5.2 小口径薄壁管纵向缺陷检测实验 110
5.3 样品选择及实验台搭建 110
5.4 高频缺陷检测实验 112
5.5 低频缺陷检测实验 114
5.6 结果和讨论 114
参考文献 117
第6章 激光超声在增材制造部件检测中的应用 119
6.1 有限元模型构建 119
6.1.1 物理场耦合与有限元方程 119
6.1.2 模型构建与参数设置 121
6.1.3 弹性波的激发与传播仿真 123
6.1.4 缺陷对弹性波传播的影响 125
6.1.5 弹性波与不同缺陷相互作用仿真 128
6.2 激光超声检测系统设计与结果分析 135
6.2.1 实验系统设计 135
6.2.2 实验结果分析 137
6.3 适用于激光超声的合成孔径聚焦算法 141
6.3.1 基于激光超声反射式检测的时域多模态SAFT算法 141
6.3.2 基于爆炸反射模型的多模态频域SAFT算法 147
6.3.3 基于激光超声透射式检测的多模态SAFT算法 150
6.4 基于激光超声多模态的SAFT成像实验研究 155
6.4.1 内部深埋缺陷检测 155
6.4.2 亚表面缺陷检测 159
6.5 小结 163
参考文献 163
第7章 激光超声在金属板材组织性能检测方面的应用 165
7.1 研究的背景和意义 165
7.1.1 金属晶粒大小的重要性及其应用 166
7.1.2 金属板材织构存在的普遍性及其应用 167
7.1.3 超声波在多晶材料中的散射 169
7.1.4 超声波衰减法检测金属晶粒尺寸 171
7.1.5 超声波声速法检测金属晶粒尺寸 172
7.2 基于激光超声的316L不锈钢平均晶粒尺寸计算模型 173
7.2.1 实验材料和方法 173
7.2.2 实验结果和讨论 176
7.2.3 本节小结 202
参考文献 203
第8章 基于声表面波特性的晶粒及材料织构分析 206
8.1 立方晶系多晶体金属材料中声表面波传播特性 206
8.1.1 数值模拟与计算 206
8.1.2 分析和讨论 214
8.2 激光超声表征再结晶过程中织构的演变 219
8.2.1 实验材料和方法 219
8.2.2 实验结果 220
8.2.3 数值模拟 224
8.2.4 本节小结 227
8.3 基于激光超声表面波的四阶织构系数预测 227
8.3.1 实验材料和方法 228
8.3.2 织构影响下的声表面波速度色散 228
8.3.3 神经网络专家系统的训练 231
8.3.4 本节小结 236
参考文献 236
关键词索引 238