基于comsol的激光激发超声裂纹探测模型

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激光超声裂纹.rar

        激光超声是一种非接触,高精度,无损伤的新型超声检测技术。它利用激光脉冲在被检测工件中激发超声波,并用激光束探测超声波的传播,从而获取工件信息，比如工件厚度、内部及表面缺陷，材料参数等等。该技术接合了超声检测的高精度和光学检测非接触的优点,具有高灵敏度(亚纳米级),高检测带宽(GHz)的优点。 激光超声检测技术在上世纪九十年代晚期出现成熟的商用系统并最早在无缝钢管产业开始应用。目前该技术的工业应用已经扩展到激光焊接焊缝质量在线监控，风力发电机叶片检测，飞机机身搭接腐蚀检测，高温陶瓷，金属，复合材料检测，电子元器件/半导体封装质量检测，各种材料涂层缺陷检测等众多领域，针对其他应用的商用系统也不断发展并走向市场。目前激光超声检测技术仍不尽成熟，针对单晶硅片等硬脆材料的检测技术仍有待研究。

工作原理

当激光的能量聚焦照射到弹性材料表面时，部分会转移到材料本身并以热能和应力波动能的形式表现出来。通过改变激发激光的几何形状可以控制能量在材料中的分布以及对材料的影响。激光超声就是利用高能激光脉冲与物质表面的瞬时热作用，通过热弹效应（少数情况是热蚀效应）在固体表面产生应变和应力场，使粒子产生波动，进而在物体内部产生超声波。根据入射到物体表面激光能量的不同，激光脉冲在物体表面产生的这种热效应可分为热弹效应和热蚀效应两种。在较低的吸收率下，表面吸收的热量不超过其融化温度，产生的是短时膨胀过程，与该膨胀相关的应力波绝大部分在弹性范围内，该方式称为热弹效应。在高能作用下，物体的温度升高，超过了其蒸发温度，产生烧蚀现象，使材料表面气化，形成等离子体，于是有一垂直表面的反作用力作用在表面，形成弹性波源，该方式称为热蚀效应。在热弹性区，激光产生的应力波大小与吸收光的能量呈正比，对于均匀能量分布，可用一维模型描述激光束在材料表面产生的应力，其在材料表面产生的应力-应变与材料表面吸收的激光能量呈正比。当激光入射到材料上时，所产生的超声波以不同的类型传播出去，主要有纵波、横波和表面波。影响超声波传播特性的因素很多，主要有材料对激光光能量的吸收程度、材料的热传导特性、激励激光的频率、材料表面的光滑程度等。（转载至：百度百科）

此次模型关注的是热弹效应的激光激发超声。

如下动图所示：

有裂纹，探测到回波的信号：

无裂纹，没有出现明显的回波信号。

我们开始在comsol内部设置模型。

1、绘制几何，绘制长20mm高7mm的矩形，并在中间绘制任意位置任意形状裂纹，本次模型是一个矩形裂纹。

2、材料，本次模型采用铝材质，使用comsol内部自带的铝材质信息。

3、设置固体力学模块

4、设置固体传热模块，其中激光我们采用的固体传热中自带的沉积光束功率选项。