用于缺陷检测的激光超声数值模拟

作     者：闫怡旭 

作者单位：中北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈友兴;董朝阳

授予年度：2020年

学科分类：0810[工学-信息与通信工程] 080901[工学-物理电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0835[工学-软件工程] 0803[工学-光学工程] 081002[工学-信号与信息处理] 

主      题：激光超声 有限元 仿真软件COMSOL 数值模拟 缺陷回波 

摘      要：激光超声检测技术凭借非接触测量、激发超声波频带范围宽、能检测出微小缺陷等优点,在缺陷检测领域应用越来越广泛。由于激光激发超声的机理较为复杂,超声传播路径不唯一,波形交叠现象严重,影响实际缺陷的检测与识别。本文围绕激光超声检测金属缺陷的光声转换与传播问题,以有限元数值模拟为手段,分析了脉冲激光激发超声波的物理过程,研究了激光超声在金属中的传播规律以及缺陷检测的表征方法,为实际激光超声在缺陷检测中的应用奠定基础。本文基于激光超声的基本理论,采用仿真软件COMSOL Multiphysics建立了激光线源热弹激发超声波的二维平面应变模型,数值模拟了脉冲激光激发出的瞬态温度场、应力场以及总声场,研究了三个物理场的变化规律,并且通过实验验证了仿真回波信号的正确性;针对影响回波信号因素的问题,讨论了模型厚度和激光线宽对回波信号的影响,确定了有限元仿真的具体参数,有效保证了缺陷检测数值模拟的有效性;依据激光超声在表面及内部缺陷模型中的传播原理,仿真得出缺陷试件的激光超声回波信号,分析了缺陷深度、位置对回波信号幅值、渡越时间的影响,并以此为依据实现了缺陷的粗略定位。本文得到的结论,可为激光检测实验提供理论指导,也可进一步为缺陷的类型识别,重构奠定基础。