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          闡述薄膜/基底雙層系統中超聲波傳播特性的

          導讀:薄膜/基底雙層系統中超聲波傳播特性的 三、薄膜/基底雙層系統中超聲波的傳播特性  在薄膜/基底系統中,激光激發的位移是典型的表面****形,最先到達觀測點的是掠面縱波(L),隨后到達觀測點是具有色散特征的瑞利波(R)。圖2(b)顯示有機玻璃薄膜/鋁基底接收距離分別為10,20,30mm的垂直表面位移,由于有機玻璃中R的速度比鋁中的速度慢,因此有機玻璃薄膜/鋁基底系統中
          薄膜/基底雙層系統中超聲波傳播特性的研究【摘要】本文基于有限元數值策略,研究薄膜/基底系統中激光激發超聲波傳播特性,并分析薄膜厚度變化對薄膜/基底系統中超聲波傳播特性的影響,為激光超聲技術評價薄膜/基底系統的力學性能提供有效的理論依據。
            【關鍵詞】激光物理,薄膜/基底,超聲波
            薄膜/基底系統在工程上有著廣泛的應用,如微電子器件制造、加強材料強度及防腐蝕性能等。因此,對薄膜/基底的力學性能的無損檢測至關重要,由于激光超聲具有非接觸激發,能一次同時激發多種模式超聲波和寬帶等優點,在無損檢測領域得到越來越廣泛的應用。本文基于有限元數值策略,研究脈沖激光激發薄膜/基底雙層結構產生的超聲波傳播特性,并分析薄膜厚度變化對薄膜/基底系統中超聲波傳播特性的影響。
            一、數值模型
            圖1為有限元數值模型示意圖,在數值計算中,薄膜/基底雙層系統選取有機玻璃薄膜/鋁基底或有機玻璃薄膜/橡膠基底。在這兩種雙層系統中,薄膜厚度h和基底厚度H分別設置為0.2 mm,20mm,薄膜和基底的長度L均選取40mm,薄膜吸收區域(AR)僅設置右側,基底吸收區域設置在右側和下端,長度均為10mm。傳播區域和吸收區域的交界面分別為y=10mm,x=30mm。
            二、單層薄膜中超聲波的傳播特性
            為了比較研究雙層系統的超聲波,首先數值計算厚度為0.2mm的單層有機玻璃板中垂直表面位移。圖2(a)顯示接收距離分別為3,6,9 mm的垂直位移。從圖2(a)中可以看出,在厚度為0.2mm的有機玻璃板中,激光激發的位移是典型的蘭姆****形,最先到達觀測點的是S0模,隨后到達觀測點是具有色散特征的A0模。
            圖2 (a)厚度為0.2 mm的單層有機玻璃板,(b)有機玻璃薄膜/鋁基底系統,(c)有機玻璃薄膜/橡膠基底系統,(d)不同薄膜厚度的有機玻璃薄膜/橡膠基底系統中垂直位移波形
            三、薄膜/基底雙層系統中超聲波的傳播特性
            在薄膜/基底系統中,激光激發的位移是典型的表面****形,最先到達觀測點的是掠面縱波(L),隨后到達觀測點是具有色散特征的瑞利波(R)。圖2(b)顯示有機玻璃薄膜/鋁基底接收距離分別為10,20,30mm的垂直表面位移,由于有機玻璃中R的速度比鋁中的速度慢,因此有機玻璃薄膜/鋁基底系統中R表現出正常色散的特征。
            圖2(c)顯示有機玻璃薄膜/橡膠基底中接收距離分別為3,6,9mm的垂直表面位移,由于有機玻璃中R的速度比橡膠基底中的速度快,因此,有機玻璃薄膜/橡膠基底系統中的R表現出反常的色散特征。
            在薄膜/基底雙層系統中,R在深度方向上呈現指數衰減,且透入深度在波長量級。因此雙層結構中激發產生的超聲波的傳播特征不僅與基底性質有關,還和薄膜性質有關。由于R中高頻成分對應的波長短,因此其透入深度也淺,這就表明在傳播過程中高頻成分受薄膜的影響較大,而受基底影響相對較小。而對于低頻成分來說,正好相反,其在傳播過程中受基底的影響較大,而受薄膜影響相對較小。
            四、薄膜厚度對雙層系統中超聲波傳播特性的影響
            在上述基礎上,我們進一步研究薄膜厚度對R傳播特性的影響。在有機玻璃薄膜/橡膠基底系統中,分別計算薄膜厚度為0.2mm,0.6mm,4mm的垂直表面位移,接收距離為9mm。如圖2(d)所示,薄膜厚度對R的傳播特性影響較大。當薄膜厚度為0.2mm時,薄膜厚度小于R的波長,R表現出反常色散特征;當薄膜厚度為0.6mm時,薄膜厚度與R的中心波長接近,基底對R的影響減小,R的波形特征與單層薄膜中蘭姆波的特征類似。當薄膜厚度增加到4mm時,薄膜厚度遠遠大于R的中心波長,R的波形特征與單層平板中瑞利波相似。因此,在薄膜/基底結構中,隨著薄膜厚度的增加,薄膜/基底結構中的超聲波模式發生轉變,其傳播特征受薄膜力學參量的影響增強。
            五、結論
            本文系統分析單層有機玻璃薄膜,有機玻璃薄膜/鋁基底系統,有機玻璃薄膜/橡膠基底系統中激光激發超聲波的傳播特性,并研究薄膜厚度變化對薄膜/基底系統中超聲波傳播特性的影響,為激光超聲技術評價薄膜/基底系統的力學性能提供有效的理論依據。
            參考文獻:
            [1]張淑儀.激光超聲與材料無損評價.應用聲學,1992;(4)
            [2]沈中華,許伯強,倪曉武等.單層和雙層材料中的脈沖激光超聲數值模擬.中國激光,2004;(10)
            [3]孫宏祥,許伯強.激光激發Lamb波的有限元時域和頻域數值分析.中國激光,2010;(2)
            基金項目:江蘇大學工業中心大學生實踐創新訓練項目,江蘇省大學生實踐創新訓練項目,江蘇大學科研立項(Y12A161)
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