مدل سازی تولید امواج فراصوتی به وسیله لیزر و بررسی اثر پارامترهای لیزر بر امواج تولید شده

امواج فراصوت دسته ای از موج های مکانیکی هستند که بسامد آ ن ها بیش از20 کیلوهرتز است. این امواج به روش های مختلفی تولید می شوند که از رایج ترین آن ها می توان به روش های مکانیکی، پیزوالکتریک و الاستیسیته مغناطیسی اشاره نمود. از مهم ترین نواقص مشترک این روش ها می توان به تماسی بودن آن ها اشاره نمود و اینکه نمونه باید کاملاً قابل دسترس باشد. بنابراین، نیاز به یک روش غیرتماسی را ایجاب می کند که در نواحی غیرقابل دسترس و برای نمونه های داغ از آن استفاده گردد. روشی که در حال حاضر برای رفع چنین مشکلی ارایه شده روش لیزر- فراصوت (laser-ultrasonics technique) است. در روش تولید امواج فراصوت به وسیله لیزر از انرژی لیزر برای تولید امواج فراصوت در مواد مختلف استفاده می شود. از آنجایی که از پرتو لیزر برای تولید و دریافت امواج استفاده می شود، نیاز به هیچ گونه اتصال مکانیکی با نمونه نیست. تنها نیاز برای تولید فراصوت در یک نمونه قابل دسترس بودن پرتو لیزر است. همچنین دیگر مزیت این روش تولید امواج فراصوت به طور همزمان است. به طور کلی دو مکانیزم در این روش برای تولید موج فراصوت است که بسته به چگالی توان لیزر به دو مکانیزم ترموالااستیک و مکانیزم برش تقسیم بندی می شوند. هدف اصلی در این پایان نامه مطالعه تولید امواج فراصوت به وسیله لیزر به منظور دست یابی به درک عمیق تری از این فرایند به عنوان یک روش غیر مخرب برای بازرسی مواد است. جهت نیل به هدف فوق انتشار امواج فراصوت به وسیله لیزر در یک محیط مجازی حاصل از میدان دمایی و جابجایی شبیه سازی شده است. در تحقیق حاضر، مطالعه وابستگی دمایی پارامترهای ترموفیزیکی ماده و بررسی پارامترهای لیزر بر امواج صوتی سطحی تولید شده به وسیله لیزر در ورق های آلومینیوم با انجام یک تحلیل ترموالاستیک به صورت عددی محاسبه شده است. در این پایان نامه، به روش اجزای محدود، میدان دمایی و جابجایی حاصل از امواج فراصوت تولید شده به وسیله لیزر شبیه سازی شده است. برای این هدف ابتدا میدان دما با استفاده از روش اجزای محدود محاسبه شده است و شار حرارتی به کمک یک زیربرنامه به مدل اعمال گشته است. در ضمن، شار حرارتی اعمالی از نوع گوسی است. سپس امواج صوتی سطحی در ورق آلومینیوم حاصل از میدان دمایی محاسبه خواهند شد. در این شبیه سازی از روش کوپلینگ میدان های متوالی استفاده شده است. در ادامه مکانیزم برش که برای کاربردهای خاص و مواردی که آسیب در سطح نمونه اهمیت نداشته باشد، مدل شده و نتایج مربوط به آن استخراج می شود. در ادامه ضمن ارایه یک سیستم تجربی مرتبط، نحوه ارزیابی عیوب سطحی و داخلی به روش انکسار زمان پرواز (time of flight diffraction) ارایه گشته و روشی برای یافتن عیب داخلی در نمونه ارایه می شود. جهت ارزیابی صحت نتایج به دست آمده، نتایج حاصل از شبیه سازی مدل فوق با نتایج حاصل از نتایج عددی دیگر مراجع معتبر مقایسه شده است. بررسی نتایج حاصل از شبیه سازی نشان می دهد که امواج صوتی سطحی به تغییرات پارامترهای لیزر از جمله زمان تاخیر پالس لیزر و شعاع پرتو لیزر حساس بوده و می توان به کمک شبیه سازی انجام شده بهترین پارامترهای آزمایشی را برای لیزر انتخاب نمود.