一维圆杆声传播的激光超声研究

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1、第27卷第S期2008年10月声学技术TbchnicalAcOusticsVr01．27．No．5Pt．20ct．，2008一维圆杆声传播的激光超声研究王赞洁1，王茜2，潘永东2，仲政1(1。嗣滂大学靛空靛天与力学学蒎，上海20∞92；2。瓣游丈学声学研究搿，上海2。∞92)117VaVepropagationina1DrodstudiedbyIaserultrasonics’暖气P《G’y-un_；iel，’～‘6。NGQian2，PANYⅣong-donf，zHoNGzhen91器。Scl

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3、{船黼sp鑫秘嚣蘸爵雠er瓴g谢卸pli馥融ec酝癍cs。弱建西U韩妇封舔镑s酝憋酝i2∞092。ch谶；2I酗娃毵娃e霹Aco潞妇焉约喇f￡搬vers锄S妇醒妇f2蚴92，C矗i嘲1引言功髓梯度材料是一耪新型复合材料，其材料常数和性能随着厚度呈现为梯度变化。由于该种材料具有较高的机械性能、耐黼温性能等优点，所以它被广泛的应用于航空航天、生物医学、电子材料、核戆等领域。鉴于该种材料有着广泛的应震，有必要对其进行无损检测。激光超声技术可以作为检测手段。为了更好的利用激光超声技术对材料进行检测与评估，需要先

4、对材料受激光激发所产生的声场进雩亍研究。这也是众多后续研究及应用的基础，例如，探测材料中缺陷的大小、形状及位置，测定材料常数等。本文先用激光超声技术来研究～维圆杆中的声传播问题。2激光超声实验激光越声技术具有宽频带、菲接触、一次可激发多模态等优点，本文采用激光超声作为实验手段。实验装置示意图1所示。固定激光干涉仪，以它的高度为基准，依次调整激光发射器、蘸个反光镜的高度，健激光干涉饺和激光发射器发出的激光在嗣一高度，并且保证激光照射在反光镜的中心位箴，这样可以确保能够测得试样背中心的数据。实验中，利用Pc

5、机控制精密移动台、激光器，浍拳平方淘等闻距测出多缎信号波形，通避反复测量、采集、比较得到背中心的检测信号波形图。对应圆杆而言，考虑到它的长径比，可简化为一维问题，因此没有严格意义的背中心。霭2是长∞翻篮直径5撼铝圆柱，一端激光激发一端干涉仪检测得到的位移波形，图巾霹以清楚地看到纵波在圆杆中的来回反射。薹金璜丑：凰容穗然科学基金重点项翻(10432030)舞考舞夯；王赍渍f19S6．羹女，}：海，汉，本季季在读，激光超黟；蠢羲嚣蠢：疆永窳ty闽@m鑫il．§∞委i．礤n．鼹鬻l实验装譬示意羯Fig．1Sk

6、e曲ofexpe咖entaI∞t‘lp圈2长60m瓣，蹇弪5衄豹固柱豹激光激发位移F醯2h辩f霉e酣糟辩ddi$疼a嚣瑾c雕of强al黼蛙嚣黼l刚of6。啦臻遮length5衄indi卸嘴teL3解析理论求解势孵释实验缀栗，这里把实验试样考虑成一个一维圆杆，长度凳五，其一端自融，一端受激光脉冲作用，自由端用干涉仪检测。一维杆的声波方程第5期王赞洁等：～维圆杆声传播的激光超声研究193可表示如下砌。(工，f)一p“。(工，f)+q(工，f)一o(1)E是杨氏模量，p是密度，f(x，t)为单位体积的体力。初

7、始条件如下“Ir‘o-o叱。一o(2)而激光脉冲激励可用delta函数表示日(工，f)zP6(z)6(f)(3)用变换方法进行求解，可得此声传播方程的解如下“(工，f)一∑[H(f／屯一(2n+工／工))+Ho／fL一(2(玎+1)一工／工))]肛1(4)其中tL=UC为纵波首波到达时，C=(可p)1尼为纵波声速，H(t)为HEAyISIDE阶跃函数。Fig．3I)is叫a∞ment砒V枷。峭pc略itio砸cm删【latedon岫∞c锄e凹ionm柚alyt棚∞Iu石∞．图三是根据方程解(4)计算得到

8、的一维杆不同位置的位移时间波形，图中可看到纵波在杆两端的来回反射。图中缺少实验中位移变化的细节，是因为实验的试样还不能严格看成一维的，进一步的分析还要考虑杆的横向尺寸的影响。这里有限元方法是一个可以考虑的选择。4有限元求解这里采用有限元多物理场耦合分析软件c0MSOLMultiphysics【11中的偏微分方程模块。采用这一软件是因为用户可以根据具体需要，将自己编写的程序嵌入该软件中，这对于研究工作是一大优势。在这里我们选用系数型偏微分方程式，其典型的物理方程可表示为如下的形式巳“口+d。“，+V·(一

9、dV“一们‘+y)+声’VH+口“=，inQ元·(cV“+口Ⅱ一)，)+gHtg一^7∥onaQJIl“=ronaQ根据理论模型中的方程确定软件中方程式的系数【2】乞。尸c，E选取函数模拟激光脉冲力。将各个参量输入后即可得到结果。下图四是计算得到一维杆端点位置的位移波形，可以看到类似实验的位移阶跃变化，也和解析的计算结果～致，这说明了有限元方法的可行性。T¨‘图4由有限元计算得一维杆端点位置的位移Fig．4Displa∞mentat山cba