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本文用激光超声方法研究了半空间、气-固界面及圆柱弯曲表面三种情况
界面波的激励与传播问题。
作为本文工作的开始,我们将脉冲激光的烧蚀和热弹激励效应等效为相应
的力源,从理论和实验两方面研究了半空间表面波的激励与传播问题。首先引入
两种数值方法,即FFT方法和留数方法进行理论研究。分别数值计算了脉冲激
光在半空间表面激励的全波场位移波形和表面波位移波形。其次,分别用激光
的两种激励方式在铝试样表面上进行了表面波的激励与检测的实验研究。研究
结果表明,数值与实验结果有很好的一致性。
第二部分,我们分别用理论和实验方法研究了气-固界面波,即Scholte
波和Leaky Rayleigh波。理论研究方法采用了热弹方程和热传导方程耦合求解,
并用留数方法数值计算界面波的位移场。实验则采用脉冲激光的热弹激励方式
进行激励,用激光干涉仪进行检测。我们得到了理论与实验相一致的结果。研
究结果说明,与液-固界面相似,气-固界面同样存在Scholte波和Leaky
Rayleigh波。其中Scholte波沿界面传播时不衰减,而Leaky Rayleigh波沿
界面传播时不断向气体一侧辐射能量(泄漏)。比较两种界面波,Scholte波有
较大幅度和较低的频率,而Leaky Rayleigh波具有较小的幅度和较高的频率。
第三部分,我们分别用理论和实验方法研究了弹性圆柱弯曲表面波的激励
与传播问题。理论研究分四个方面:(1)导出了脉冲线源激励时,圆柱表面声
场的位移解;(2)着重研究了小ka和大ka情况下圆柱的特征方程,首次得到
了圆柱表面环行Rayleigh波和高阶WG模式完整的频散曲线;(3)详细计算了
这两类模式位移随深度的变化曲线;(4)用留数方法计算了这两类模式瞬态位
移波形。实验仍采用热弹激励方式,分别对三种直径圆柱进行了环行表面波的
激励与检测,环行波绕柱传播单周与多周的实验观察,以及金属柱-空气界面
上Scholte波和Leaky Rayleigh波的激励与检测实验。上述工作首次在理论和
实验上同时观察到了高阶WG模式的存在,以及环行Rayleigh波和高阶WG模式
的频散效应。另外理论计算结果表明,仅当Rayleigh波的波长小于圆柱周长时,
才存在绕柱环行传播的Rayleigh波;而高阶的WG模式则不存在该限制。圆柱
表面环行波的渗入深度随阶数的增大而增大。同时实验结果表明,金属柱-空
气界面的Leaky Rayleigh波和Scholte波具有与平界面相似的特征。柱表面
Rayleigh波和气-固界面Scholte波分别在表面缺陷处和表面障碍处被明显地
反射。