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1、学 校代码 10459学号或申请号级密if矶上i硕士学位论文论文题目作者姓名：张三导师姓名：李四教授学科门类：工科专业名称：培养院系：大电气、大宀完成时间：20xx年4月A thesissubmitted toZhengzhouUniversityfor the degree ofMasterThesis TitleBySan ZhangSupervisor: Prof. Si LiMajor NameInstitute NameApril20xx学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他
2、个人或集体 已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者：日期：年月日学位论文使用授权声明本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州大学可以 将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或者其 他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该学 位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑州
3、大学。保密论文在 解密后应遵守此规定。学位论文作者：日期：年月日摘要随着我国工业技术水平的快速发展与进步，对材料的质量的要求也越来越 高。在各个行业领域中，材料和器件中表面和亚表面的完整性会影响和决定系统和 仪器设备的工作效率以及运行寿命。此外，随着中国工业的高速发展，空气及水源 污染问题也变得日益严峻。环境污染导致了某些疾病的高发，皮肤病即是受环境因 素诱导的典型疾病之一。近年来，中国居民的皮肤病发病率逐年上升，且新增病例 呈年轻化趋势。因此实现对材料表面裂纹和皮肤表面病变的无损检测尤为重要。激 光声表面波技术作为一种无损检测技术，其特别适合应用于对材料表面特征进行检 测，因此本文的主要工作
4、有：1. 对激光声表面波检测技术在国内外的发展现状进行了探究，在此基础上总 结了已有技术的不足，从而确立了课题的研究内容与研究目标。2. 基于 ANSYS 软件，利用有限元热应力仿真技术探究了声表面波的激发源 脉冲激光的参数，包括脉冲能量、上升时间、光束半径、吸收系数和散射系数对 在皮肤表面激发的声表面波振幅与带宽的影响，并给出了激发大振幅高频声表面波 的最优参数范围，并使用最优参数下的脉冲激光在具有表面黑色素瘤皮肤模型表面 进行声表面波的激发，通过信号的色散曲线获得了最小黑色素瘤尺寸与网格尺寸的 关系，验证了激光声表面波用于皮肤表面病变检测的可行性；3. 基于ANSYS软件，利用有限元结构仿
5、真技术探究了铝材料表面不同深度的 表面单裂纹对声表面波传播的影响，同尺寸不同数目的表面多裂纹对声表面波传播 的影响，并绘制了传播经过不同数目的裂纹后的声表面波色散曲线，由色散曲线的 倾斜程度可大致判断裂纹的数目。4. 设计并搭建了经典迈克逊干涉仪差分检测系统和偏振迈克逊干涉仪差分检 测系统，并对两套系统的工作原理进行了介绍。两套检测系统均包括声表面激发单 元、声表面波检测单元和信号采集与处理单元，其中偏振系统在传统系统的基础上 增加了起偏器、入/4波片和入/2波片，并将分光镜替换为偏振分光镜，故偏振系 统中的光束为偏振光，使得偏振系统在消除共模噪声和增强信号方面具有显著效 果。同时设计了 FI
6、R数字低通滤波器，较好地滤除了系统检测到的声表面波信号中 的高频噪声。关键词：激光声表面波表面裂纹有限元仿真经典/偏振式迈克尔逊干涉仪；AbstractAs the industrial technology is developing very fast and gets advanced very much in recent years, the required quality of media and materials gets higher. And the surface/subsurface integrity and completeness of the material
7、s decide the performance and working life of the equipment and devices. Besides, accompanying the fast developed industrial technology, the air condition gets worse and water resources get polluted. As a result, some disease cases increase especially skin disease. Recently, the morbidity of skin dis
8、ease in China is increasing year by year, and it becomes a trend that more young people get affected. Therefore the nondestructive detection for surface cracks and pathological changes on skin is very important and in great need. Laser- induced Surface Acoustic Waves technology as a nondestructive d
9、etectionapproach has shown promising results in the characterization of surface feature. The work done in this dissertation is following:1, the state-of-art of the Laser-induced Surface Acoustic Waves technology is explored. The shortness of the current researches and technologies are concluded, bas
10、ed on which, the research content and goal is finally determined.2, FEM simulations under thermal-stress analysis mode are conducted by the software of ANSYS to explorer the effects that pulse laser parameters, including pulse energy, rise time, beam radius, absorption and scattering coefficients, h
11、ave on the generated Surface Acoustic Waves. And the range of parameters to generate Surface Acoustic Waves with big amplitude and high frequency components are given. Pulse laser with these parameters is applied on skin with melanoma. Through the dispersion curves of the detected signals, the relat
12、ion between the mesh size of the skin model and the minimum detectable melanoma is found.Key words:Laser-induced Surface Acoustic Wave, Surface crack, skin, FEM simulation, Classical/polarized Michelson interferometer.目录II摘要AbstractII目录II1 绪论1.1.1 声表面波技术简介 22 工作总结与展望 22.1 工作总结22.2 工作展望2参考文献 2个人简历、在学
13、期间发表的学术论文与研究成果 2致谢 21 绪论激光声表面波技术是对材料表面特征进行无损检测，属于无损检测的范畴， 因此具有重要的研究意义。本章对激光声表面波技术进行介绍，并对激光声表面波 检测技术的发展过程和国内外的研究现状进行了总结，从中发现现有技术的不足， 从而确定了本文的研究内容。1.1 激光声表面波技术无损检测(Non-Destruetive Testing, NDT)是指在不损坏或者不影响被检 测对象的性能与质量的前提下，利用材料本身存在的缺陷、结构的异常或病变等引 起的热学、声学、光学、电磁等方面的变化，通过物理或化学方法，运用现代化的 技术和设备器材，对被检测对象内部及表面的结
14、构、性质、性能、状态，以及缺陷或异常结构的类型、位置、尺寸、形状、数量、分布等特性进行检测和表征的方法1。随着工业和科研技术领域内的快速发展，对产品的质量和性能的要求越来越 高，从而对材料或产品实现精密测量和检测的便显得日益重要，在此需求的基础 上，无损检测技术得到了广泛的应用和快速的发展。现如今，实现无损检测方法众多，常见的检测方法包括超声检测方法、射线 检测方法、渗透检测方法、磁粉检测方法、涡流检测方法等2-8。在这几种检测 方法中超声检测、射线检测适用于块状样品，对样品的内部信息的获取较为准确， 但难以检测到样品的表面的信息；渗透检测易造成对样品表面的污染，且只适合开 放式的表面裂纹，也
15、无法对判断裂纹的深度进行判断；磁粉检测较为简单且检测速 度快，但只适用于铁磁材料，且易产生磁力残留；而涡流检测只能测试导电材料， 且当测试对象几何形状复杂和不规则时检测的准确度大大降低。而近年来新兴发展起来激光声表面波技术(Laser-Genera ted Surface Acoustic Wave technology, LSAW),运用超短脉冲激光照射在样品表面激发声表 面波，并用声表面波的色散或传播经过裂纹时振幅的变化来表征样品的表面特征。 声表面波集中在材料的表面传播,对材料的表面特性十分敏感,近年来其在材料的 表面和亚表面特性的检测方面发展迅速,受到了国内外研究学者的广泛关注9- 12,下面本文对此技术进行介绍。1.1.1 声表面波技术简介声表面波(Surface Acoustic Wave， SAW)是沿物体表面传播的一种弹性 波，是在19世纪80年代英国物理学家瑞利(Rayleigh)在研究地震波的过程中 偶尔发现的一种能量集中于地球表面传播的声波，因此也叫瑞利波。声表面波是横 波与纵波的组合，其在传播过程中，会穿透到介质表面下1-2个波长的深度。如图 1-1所示为声表面波在介质表面下的渗透深度与声表面波波长关系的示意图，波长 越大，渗透深度越大。而且在各向同性的均匀介质中，声表面波的相速度随频率保 持不变13，在分层介质或
