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

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【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：
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　　[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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