通过测量板状材料中Lamb波的频散曲线可以反演出材料的特性参数，因而这种方法在材料表征、评价和无损检测等领域具有广阔的应用前景。基于移动激光源法测量了薄板中Lamb波的频散曲线，通过高速转镜使聚焦的激光线源在样品表面以与相应Lamb波模式匹配的速度移动，当激光移动速度与Lamb波相速度一致时，可以以较高的效率激发出此Lamb波模式。通过改变转镜的转速，即改变激光线源的移动速度，记录不同移动速度下所激发的Lamb波频谱，可以得到Lamb波的频散曲线。在此基础上，结合粒子群优化算法反演了铝板以及聚苯乙烯板中的纵波波速与横波波速。在仿真中，开展了不同模式和频厚积处频散特性对材料参数的敏感度分析，并比较了不同噪声水平下以及不同模态频散数据选取所对应的拟合效果，讨论了2500~4000 m/s相速度区间基于频散曲线的反演敏感度问题。最终基于移动激光源实验中所提取的铝板中Lamb波的频散数据进行参数反演，结果显示，纵波声速和横波声速的反演误差均小于1.5%，证明了该方案的有效性。

传统激光超声合成孔径聚焦技术（LU-SAFT）通常需要在待测样品表面以小步长扫描来提高横向分辨率，但小扫描步长会导致总检测时间过长，影响检测效率。针对这一问题，笔者提出了基于压缩感知的LU-SAFT方法，以提升扫描效率。该方法首先使用压缩感知根据稀疏扫描点处A扫信号的最大强度恢复出全场的扫描点A扫信号最大强度，进而确定样品表面的最优扫描区域，然后在最优扫描区域内进行扫描，最后对缺陷进行SAFT图像重建。在实验中，笔者采用脉冲激光在含有缺陷的样品表面激发超声，使用激光多普勒测振仪探测超声，并利用基于压缩感知的LU-SAFT方法对样品内部缺陷进行检测，以验证所提方法的可行性。实验结果显示：针对相同的扫描区域，传统LU-SAFT需要扫查500个点，花费3.15 min；与传统LU-SAFT相比，本文所提方法在扫描点数上减少了80%，在扫描时间上缩短了80%，并且缺陷的SAFT成像信噪比提高了约42%。本文研究内容及结果可为激光超声无损检测提供更快速的检测方案。

全聚焦方法（TFM）具有成像分辨率高、缺陷表征能力强的优点，但其存在数据需求量大、计算复杂、耗时过长等问题。针对上述问题，并结合激光超声检测技术，进行了基于ZYNQ平台加速的激光超声全聚焦技术研究。首先建立了基于激光超声的全聚焦算法，并引入激光超声方向性系数进行优化；进一步，搭建了激光超声扫描检测装置进行实验验证，使用线激光源激发超声信号，利用多普勒测振仪探测回波信号；然后使用形成的激光超声全聚焦成像算法进行内部缺陷的检测和定位，并与合成孔径聚焦算法获得的结果进行比较，从而验证了算法的正确性和可行性；最后将形成的激光超声全聚焦成像算法移植到ZYNQ平台上，对激光超声全聚焦成像算法进行了并行优化及双核设计，实现了算法加速。研究结果表明：激光超声全聚焦技术相比于合成孔径聚焦技术，成像信噪比更高、定位更准确；基于ZYNQ加速的激光超声全聚焦成像算法不会降低成像质量，且耗时相比于计算机缩短了86%。

为了快速准确地测量薄壁结构的局部弹性模量，提出了Lamb波双模共振法，采用脉冲激光作用薄板表面诱导产生Lamb波，结合频谱中的零群速度（ZGV）共振和厚度共振计算薄板的局部泊松比和局部体波波速，进而结合所测密度求得局部弹性模量。为了验证双模共振法的准确性，实验采用高频纵波探头和纳米压痕仪测量了相关参数。结果表明：Lamb波双模共振法利用S₁模态ZGV共振结合其他模态厚度共振或ZGV共振，能够快速准确地计算出薄板的局部泊松比和局部体波波速，这对于实现薄壁结构件弹性模量的在线监测具有重要意义。

利用激光超声技术, 研究生产中常见的弧形表面缺陷的无损检测方法。首先基于热弹机制建立弧形表面缺陷检测的有限元仿真模型, 探究不同尺寸参数的缺陷对表面波反射回波及透射波的影响; 然后采用经验模态分解法对带有缺陷信息的反射回波和透射波信号进行了分解, 提取相应特征频率的信号进行叠加; 最后根据超声特征参数的变化规律, 建立了缺陷深度的预测模型。结果表明, 利用透射波特征参数计算得到的缺陷深度与实际缺陷深度相比的最大误差仅为0.6%, 因此提出的预测模型具有较高的精度, 可用于弧形表面缺陷的现场检测。

激光在热弹效应下激发出的声表面波，在柱状材料表面传播过程中发生相移现象。通过有限元方法对铝材圆柱中表面波相位变化规律以及表面波与缺陷作用机理进行数值模拟。数值研究表明: 激光产生的表面波负相位最强，传播过程中负相位向正相位移动，相位差逐渐减小，180°左右正负相位强度大致相等，之后正相位继续增强、负相位持续减弱，并且沿圆周每传播一周，其相位发生一次翻转，缺陷产生的表面反射波有同样的相位变化现象；通过B扫图发现RRcw随缺陷角度增大变得模糊，RRccw随缺陷角度增大变得明显。说明反射波产生时间的长短与受干扰程度成正比，针对柱状材料表面缺陷提出了合理的检测范围；对不同深度缺陷数值模拟发现，深度变化使得P波峰在接收时间上发生延迟，推测P波峰传播路径并提出相应公式进行证明，计算结果与模拟结果吻合度较高，可通过此公式定量缺陷深度信息。以上研究结果为超声波检测柱状材料表面缺陷提供了有效参考。

激光超声能够实现对部件内部缺陷及其残余应力状态的无损检测功能。设定传感器中心频率为2.5 MHz, 利用软件完成数据采集过程并对其实施滤波处理。先对K417G轮盘进行热模锻处理, 之后再对其表面实施喷丸, 沿长度方向在K417G镍基合金上共设置5个点, 控制临近点的距离为1.96 mm, 表面波声速为2 950 m/s。测试结果表明: x与y方向上都到达了2 949 m/s以上的表面波声速, K417G轮盘表面形成了压应力作用。X射线衍射(XRD)与超声检测都显示形成了压应力, 具有相同变化趋势。采用XRD方法测试得到的最大径向残余应力为-906 MPa。采用更大测试深度的激光超声方法进行处理时, 获得了比XRD测量结果更小的测试参数。研究对了解金属试样喷丸后的表面残余应力分布具有很好的实际价值, 有助于后续机加工工艺的精选。

为对工件表面产生的倾斜微裂纹进行检测, 从理论上和试验上分析激光产生的宽带瑞利波与矩形铝板上的倾斜角缺陷之间的相互作用。使用瑞利波与倾斜裂纹相互作用产生的透射波、反射波以及在裂纹尖端产生的绕射波来对裂纹角度进行定量检测。通过观察有限元仿真的应力云图, 发现瑞利波沿缺陷传播, 在缺陷尖端处发生模态转换, 有一部分波沿着裂纹绕射到金属表面, 部分波反射, 还有部分转换成纵波和横波。通过对绕射波信号进行傅里叶变换, 得到频谱图并观察绕射波在频域的变化趋势, 对绕射波能量进行计算, 最终得到绕射波能量随缺陷角度增大而减小, 呈e指数衰减分布。将有限元仿真与试验相结合, 结果表明, 当表面缺陷与表面呈一定倾角时, 绕射波能量提取是检测表面裂纹倾斜角的一种有效的方法。