现代科技的发展对高频声表面波(SAW)器件的需求不断增加, 对其工作频率也提出了更高的要求。为了提高SAW器件的频率, 该文构建了一种IDTs电极分层布局的器件模型, 即IDTs/AlN/IDTs/R-sapphire结构, 并采用有限元法分析其声学性能, 包括导纳、相速度、机电耦合系数等。结果表明, IDTs/AlN/IDTs/R-sapphire结构可激发出瑞利波, 且当AlN压电薄膜厚度hAlN=0.4λ(λ为器件周期), 水平中心距Pb=4 μm时, 其工作频率为692 MHz, 传统的IDTs/AlN/R-sapphire结构器件提高了近1倍(356 MHz), 而此时机电耦合系数K2为0.3%, 比传统结构高。另外, 通过优化IDTs电极的结构参数可进一步改善、调制瑞利波器件的性能。当IDTs的上层铜电极和下层铝电极厚度之比Δh=1.2, Pb=4 μm, hAlN/λ=0.5时, 瑞利波器件的谐振频率为657.9 MHz, K2=1.27％; 当Pb=6 μm时, 瑞利波的工作频率为461 MHz, 机电耦合系数达到最大(K2max=1.34％), 较传统IDTs单层布局结构瑞利波器件分别提升了30%和300％。结果表明, IDTs电极分层布局结构不仅可有效地提高SAW器件的工作频率和机电耦合系数, 也可以降低高频SAW器件的制备难度。

基于大机电耦合系数LiNbO3材料，该文设计了一种激发Love波模式的宽带低损耗声表面波滤波器。研究了不同切向下LiNbO3材料的机电耦合系数,以及不同切向、膜厚下15°YX-LiNbO3的瑞利波激发情况。测试结果表明，采用铜电极对谐振器进行切趾加权抑制横向模式，宽带滤波器可实现较小的插入损耗和较好的通带特性。

激光超声技术能够在材料表面形成超声波, 是实现材料缺陷无损检测的重要环节。借助Abaqus有限元分析工具, 基于激光超声热弹机制建立了轴对称铝板的表面缺陷模型, 模拟了激光激发产生的表面波在材料中的传播特性及其与铝板缺陷的相互作用过程。数值模拟实验表明, 铝板表面缺陷的分布深度值越大, 反射波越强, 并且当缺陷深度达到一定程度时, 反射波的幅值趋于稳定; 但缺陷的分布宽度对于反射波的影响则十分有限。所得结论为基于激光超声的材料缺陷的定量检测及识别提供有效的理论依据。

为了研究线源脉冲激光激发的超声波在带涂层金属板表面裂纹检测方面的应用, 采用有限元模拟的方法, 分别建立了含有裂纹的带镍涂层和不带镍涂层金属板模型, 并模拟出激光激发出的瑞利波以及瑞利波的传播过程。通过对接收点处的波形进行理论分析, 得出了涂层厚度、裂纹深度与瑞利波时频域信号的关系。结果表明,瑞利波波速随着涂层厚度h的不同而不断变化; 当表面存在裂纹时, 不带涂层模型的反射瑞利波与剪切瑞利波的到达时间差Δt与裂纹深度hc成线性关系, 带涂层模型的Δt与hc以涂层厚度为分界点成分段线性关系。此研究结果为实际测量带涂层金属板的表面裂纹深度提供了参考。

为了研究激光冲击所引起的瑞利表面波在材料表面裂纹检测方面的作用, 采用ABAQUS建立了激光超声无损检测表面裂纹的模型,并模拟激光在材料表面激发瑞利波及瑞利波沿材料表面传播的过程。从激光的峰值压力、空间分布、时间分布3个方面将激光冲击作用等效成力的作用, 体现了激光参量在作用过程中所起到的作用; 同时, 使用无限单元消除了边界的反射回波。通过对接收点处瑞利表面波信号的分析, 进行了不同深度表面裂纹对瑞利波回波峰值影响的定量比较。结果表明, 瑞利反射波的正向峰值与下一次最大正向位移所对应的时间的比值和表面裂纹深度之间存在着线性关系, 进而为实验测量表面裂纹深度提供了一种测量方法。

为了探究管道中瑞利波信号的产生、传播规律，基于热弹激发机制，建立了激光线源在偏心圆管侧面激发超声波的有限元模型，研究了在不同激发源厚度下及不同曲率半径下铝质圆管中瑞利波的产生、传播规律。结果表明，均匀薄管中，管壁厚度在一定程度上决定了所产生的超声信号的成分，并且在一定范围内,超声信号也会随着管壁厚度的变化而变化; 在非均匀管道中，激发源处的管壁厚度对超声信号的产生有很大影响，能在一定程度上决定超声信号的成分。这一结果对激光超声在管状材料的无损检测中的进一步应用是有帮助的。

基于流体固体耦合理论,采用有限元方法,建立流固界面激光产生超声波的有限元数值模型。数值模拟研究激光热弹激励流固界面超声波的激发和传播,分析了泄露瑞利波,Scholte波,侧面波(Lateral波)的传播特征,得到了全波场数值解。进而分析不同流体介质对于界面波形的影响。计算结果表明,激光在流固界面同时激发出多种模态波形,且流体的材料参数对波形有重要影响。数值模拟建立了激光参数、材料参数以及相应的波形之间的定量关系。

为了研究瑞利波与圆柱表面缺陷的相互作用,并以此作为检测圆柱表面缺陷的理论依据,设计了一套实验装置,该装置采用脉冲激光线源产生超声波,激光干涉仪探测瑞利波信号,通过改变激发源与人工缺陷的相互位置研究了瑞利波与缺陷的相互作用过程。实验中在不同的相互位置得出了不同的瑞利波波形,反射瑞利波的峰-峰值随激光源与缺陷的距离减小而增大,且当激发点位于缺陷边缘处时波形的极性改变。结果表明,当应用本装置时,通过改变人工缺陷与激光光源相对位置,再利用检测峰-峰值的极大值情况和根据接收到的瑞利波的极性可以判断缺陷的位置。

根据声弹性原理提出了一种新的测量材料表面焊接应力的激光超声方法。利用Nd:YAG脉冲激光在材料表面激发高频率超声瑞利波,采用非线性激光干涉仪对检测焊接应力的超声瑞利波进行探测。探测点的位置保持不变,通过激发源的扫描来改变激发源和探测点之间的距离,干涉仪探测到一系列超声脉冲波形信号。采用波形相关技术计算相邻超声瑞利波的传播时间延迟,得出瑞利波的传播速度,进而根据声弹性理论计算出相应的应力值。通过激光源在焊缝附近的扫描,得到焊缝周围的应力分布。测量了铝焊接平板表面的残余应力,得到了样品表面的焊接应力分布。实验结果表明,这种方法可以实现样品表面焊接应力的快速扫描测量,使其在材料表面焊接应力分布无损检测领域具有一定的应用价值。

为了研究柱面上激光激发的瑞利(Rayleigh)波的色散特性,建立了激光在各向同性圆柱表面激发瑞利波的有限元模型。该模型以热弹激发机制为基础,同时考虑了材料热物理参数的温度依赖性。在验证了模型正确性的基础上,计算了激光在不同直径铝圆柱表面激发的瑞利波波形,结合相谱分析法得到了柱面瑞利波的色散曲线。同时分析了圆柱直径对柱面瑞利波色散特性的影响。结果表明：随着频率的增加,柱面瑞利波的相速度先迅速增加到最大值CRmax后逐渐减小并趋于平面瑞利波的波速CPR。此外,随圆柱直径的增加,柱面瑞利波的色散减弱；直到圆柱直径趋于无限大(即平面)时,色散现象消失。