导波模式控制激发与波导结构无损评价的激光超声方法研究

This proposal will conduct a NDE research by using guided waves in waveguide structures for the non-contact laser ultrasonic technique. The object type for this NDE mainly focus on plate, pipe and the compounds for plate and pipe, and the guide mode type used here will be Lamb mode in plate, and logitudinal modes in pipe. The primary task needed to do is to implement single guided mode control due to the complexity of guided waves. This problem could be resolved through developing a comb transducer type exciting source of laser line array with adjustable period. Meanwhile, the software implementing method for scanning means of laser line source combined with data post-processing will be also studyed. Secondly, the study of control method and principle analysis for unilateral guided wave emitting will be conducted based on theoretical analysis and interference principle, and the related post-processing arithmetic will also be developed. Further, the numerical simulation for the guide wave exciting and receiving in waveguided structures will be carried out, and the scattering and response characteristics to different defect for different guided mode will also be analyzed. Based on these results, the test samples with different defect type will be made to do laboratory research, combined with signal processing techniques, the effective guided wave NDE means for waveguide structure inspection using laser ultrasonic technique will be presented and formed. This research work and the related results will lay a good foundation for the future enginerring inspection application.

本项申请将针对非接触的激光超声方法开展波导结构导波无损检测方法研究，检测对象主要考虑板和管以及相应的复合结构,且主要使用板中Lamb模式，以及管中纵导波模式。由于导波模式的复杂性，首先需要进行激光超声激发方式的单一导波模式的选择激发与控制方法研究。将以导波特性的理论分析为指导，通过研究发展梳状换能器类型的可调周期的激光线阵激发源来实现，同时研究激光线源扫描方式的激发结合后处理的软件实现方法。其次，基于干涉原理，在理论分析的基础上进行单向传播的导波模式的激发与调控方法和原理研究，开发相应的后处理时延算法。进一步开展有缺陷的波导结构导波激发与接收的数值仿真计算，分析不同缺陷类型对不同导波模式的散射与响应特性。以此为基础，通过加工不同类型缺陷的试样，开展实验室检测方法研究，结合信号处理方法，形成有效的激光超声方式的波导结构导波模式无损检测方法。为实际的工程应用奠定基础。

研究工作主要围绕导波特性，可变间距激光阵列实现，导波模式控制激发，超声多分量信号检测，非接触检测等内容开展了相关研究。提出了一种可变间距激光阵列的实现方法，据此可灵活实现Lamb模式的选择性激发。改造了现有激光干涉仪，实现了二分量位移信号的有效检测，并在此基础上提出和实现了进一步的导波频散补偿与模式分离的有效方法，以及缺陷检测与定位方法。开展了厚度非对称的三层复合板导波特性及与界面特性关系研究，研究了不同弱粘接界面条件下，导波模式的变化特性及其与各单层板模式的关系，为粘接界面的评价得出了有价值的结论。研究了液体-分层固体界面导波激光激发与镀层材料表征问题，观察到液体-慢层快基底与液体-快层慢基底两类条件下液-固界面波的正常频散与反常频散现象，该结果对镀层材料表征与海底沉积物反演等问题均具有实际意义。开展了基于体声波的多振元逆时偏移超声成像方法，实现了缺陷形貌的成像。并进一步基于二分量检测方法实现了对伪像的有效改善。最后，为了有效进行非接触超声检测，开展了空气超声换能器的研究，通过1-3型复合压电材料与多匹配层的方式研制了一种空气超声换能器。. 本项目的研究工作与结果对于导波模式的NDT应用，体波的成像方法，以及非接触超声检测方法均具有明显的实用价值。