《Ultrasonics》：Coupling mechanism and critical effects of ultrasonic imaging for corrugated interface: a Rayleigh perturbation approach
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复合板中波纹界面的结合完整性从根本上决定了其宏观性能，然而，对此类几何形状复杂界面进行高精度无损评价（NDE）仍然是一个关键的工业难题。针对波纹复合板的检测需求，本研究以铜/铝（Cu/Al）层合板作为代表性体系进行考察。研究人员建立了一个整合瑞利微扰理论和临界
复合板中波纹界面的结合完整性从根本上决定了其宏观性能，然而，对此类几何形状复杂界面进行高精度无损评价（NDE）仍然是一个关键的工业难题。针对波纹复合板的检测需求，本研究以铜/铝（Cu/Al）层合板作为代表性体系进行考察。研究人员建立了一个整合瑞利微扰理论和临界斜率准则的多参数耦合框架，以实现对波纹界面成像质量的定量预测。研究首次提出了无量纲参数cp，作为表征成像失效的尺度不变准则。通过系统的有限元模拟，量化了波纹波长、振幅和界面对成像保真度的非线性耦合效应。利用费马原理，推导出双层介质中的最小时间声路，以分析由激励-接收点分离引起的系统成像偏移。研究人员在激光超声NDE平台上，使用八个通过线切割（wire EDM）加工的、具有精确控制波纹参数的试件进行了实验验证。结果表明，实验结果与模拟预测高度一致，证实了理论模型的预测准确性。研究表明，当界面最大斜率超过临界阈值时，来自波腰区域的反射信号会超出探测孔径，导致严重的成像质量下降。减小波长、增大振幅和增加深度共同加剧了信号衰减和几何畸变。所提出的框架为波纹复合板的质量保证提供了理论基础，并为多层不规则界面的无损评价建立了一种通用的解析方法。
**论文主体内容解读**
波纹复合板代表了一类先进的多功能材料，其集轻量化设计、高比强度以及可调的热机械性能于一体，在航空航天结构、电池电极、电力电子热管理和轨道交通车体等领域应用日益广泛。其通过波纹轧制和爆炸焊接等工艺形成的周期性波纹粘合界面，不仅能显著增强层间结合强度与导热性，还能实现结构刚度的定向调控。然而，这种几何形状不规则的界面是决定材料整体性能的关键薄弱环节：波纹界面的形貌参数（如波长、振幅和深度）直接影响机械传递路径和应力集中水平。此外，界面结合缺陷（如微孔隙和微裂纹）极易在波腰等高曲率区域萌生并扩展，最终导致宏观分层失效。近年来，波纹复合板的制备工艺和力学性能调控取得了显著进展，研究表明，通过优化波纹轧辊的轧制参数和后续热处理工艺，可以有效调控Cu/Al波纹复合板的界面扩散层厚度和结合强度，实现强度与韧性的协同提升。但是，大多数研究聚焦于界面微观结构演化与宏观性能的关系，缺乏对波的形貌参数（波长、振幅、深度）如何影响超声检测信号特征的系统性探索，导致尚未形成从制备到检测、评价的闭环体系。因此，实现对波纹粘合界面的高精度、全区域无损检测是波纹复合板在高端制造领域可靠应用的前提。
尽管工业需求迫切，对波纹界面进行高精度无损检测仍面临严峻挑战。现有的金属无损检测技术在处理波纹复合板的复杂界面时显示出显著局限性。金相观察可获得界面的微观结构和形貌，但需要切割、镶嵌、抛光等破坏性取样过程，无法实现原位在线检测。射线检测依赖穿透衰减来识别缺陷，但波纹复合板中的结合缺陷多为微米级孔隙或弱结合，导致衰减信号微弱且易受界面几何起伏的干扰，加之设备成本高昂和辐射安全风险，难以满足生产线批量检测需求。声发射检测虽可实时捕获动态缺陷信息，但波纹界面引起的多重声反射形成了复杂的噪声背景，难以识别缺陷信号且误报率高。红外热成像基于热传导差异可视化缺陷，但其对热流方向的敏感性使其仅适用于平行界面结构，对周期性厚度变化和热阻梯度不明显的波纹界面效果不佳。传统的压电超声检测基于平面界面假设，而波纹界面的周期性几何起伏和突变的斜率会导致复杂的声散射现象。入射波在界面不同位置（波峰、波谷、波腰）产生不同方向的反射和折射，导致接收信号的时间混叠和能量分布不均。特别是在波纹的波腰区域，局部斜率可超过30°。当超声波的入射角在脉冲回波检测中超过临界角时，反射波无法返回探头，形成信号检测盲区。现有研究大多集中于对单个形貌参数的简化分析，缺乏对波长、振幅、深度等多参数耦合作用下声波传播机制的系统性理解，难以建立界面几何特征与成像质量之间的定量关联模型。
激光超声凭借其非接触激发与接收、宽频响应以及同步产生多模态波场的独特优势，为复杂结构的无损检测提供了革命性的解决方案。该技术通过脉冲激光热弹性激发在材料表面瞬时产生超声波，避免了传统压电换能器的污染和几何约束，特别适用于波纹复合板这类表面不平整的工业构件在线检测，为探测材料内部结构提供了新视角。通过调整激发和接收激光的位置，激光超声可高效检测微裂纹、金属内部缺陷、微小表面及亚表面缺陷、轻微的轨道损伤以及碳纤维复合材料的分层缺陷等。包括纵波、横波和表面波在内的多模态声场为界面与体缺陷的同步检测提供了丰富的信息维度。在激光超声成像领域，时域和频域合成孔径聚焦技术（T-SAFT/F-SAFT）通过多通道信号的相干叠加，显著提高了金属构件内部缺陷的分辨率。相移迁移（PSM）及其改进算法在两层介质界面成像方面展现出高精度优势。然而，这些方法基于平面波传播假设，未考虑波纹界面的周期性几何扰动引起的波前畸变和多径干扰。将其飞行时间计算模型直接应用于波纹复合板会导致系统误差。同时，关于波纹界面的波理论研究常借鉴地震学中的瑞利模型，主要处理理想或渐变界面的波场问题。其小振幅和小斜率的假设在波纹波腰陡峭区域失效，且这些模型未能与激光激发的宽频、多模态声场耦合。总之，现有理论难以准确预测波纹界面不同位置的反射率分布和信号可达性，无法为预测检测盲区和评估成像质量提供定量准则，这严重制约了激光超声在工业级波纹复合板检测中的深入应用。
为解决上述瓶颈问题，本研究以Cu/Al波纹复合板为典型对象，旨在建立激光超声与波纹界面耦合的多介质传播理论框架，系统揭示界面几何参数对成像质量的非线性影响机制和临界效应。具体研究内容包括：(1) 基于波动理论，构建波纹界面的数学模型，推导纵波垂直入射时随波长和振幅变化的反射和折射系数演变规律。(2) 提出超声波传播的临界模型，量化波纹波腰处斜率阈值对信号接收范围的影响，阐明波纹界面波腰成像边界效应（BECIWI）的形成机制。(3) 利用射线追踪法，在两层介质中建立最短路径模型，分析激励与接收点之间的分离距离对底面回波飞行时间及定位偏差的系统性影响。(4) 通过36组有限元模拟实验，系统研究波长、振幅和深度三个参数耦合作用下界面和底面的成像质量演变规律。引入峰值信噪比（PSNR）以客观量化成像性能。为验证模拟模型，研究人员搭建了激光超声检测实验平台，并对典型波纹界面试件进行了实验测量。实验结果与模拟预测表现出良好一致性，从而证实了理论模型的准确性。研究成果有望为激光超声检测波纹复合板时的参数优化和盲区预测提供理论准则，并为多层异质结构中不规则界面的高精度成像提供通用方法论。
**具体研究结果分析**
**波纹界面对反射与折射系数的影响**：研究人员基于瑞利模型，首先分析了Case I情况，考察了反射和折射系数随波纹界面振幅和波长的变化。由于本研究采用纵波进行成像分析，因此聚焦于纵波入射。根据相关公式，可以计算出纵波的反射和折射系数。研究发现，当波纹界面波长一定时，反射系数和折射系数均随着振幅的增加而发生非线性变化。
**波纹波腰处的边界效应**：通过建立的超声波传播临界模型，研究人员量化了波纹波腰处局部斜率对信号接收范围的影响。结果表明，当界面最大斜率超过某一临界阈值时，来自波腰区域的反射信号会偏离接收孔径，导致该区域信号无法被探头接收，从而在成像中形成特征性的“边界效应”，造成严重的信号衰减和成像缺失。这一现象揭示了波纹几何参数（尤其是振幅和波长）对成像完整性的直接影响机制。
**激励-接收分离距离的影响**：利用射线追踪法和费马原理，研究人员推导了双层介质中的最小时间声路模型。分析表明，激励激光点与接收激光点之间的水平分离距离会引入系统性的成像偏移。随着分离距离的增大，底面回波的飞行时间计算会产生偏差，导致在最终成像中底面信号的位置出现系统性错位。该分析为实际检测中激光点布局的优化提供了理论依据。
**波纹参数耦合作用分析**：通过36组系统的有限元模拟，研究人员全面考察了波长、振幅和深度三个关键形貌参数在耦合作用下对界面和底面成像质量的影响。引入峰值信噪比（PSNR）作为量化指标，结果清晰地揭示了演变规律：减小波长、增大振幅和增加深度均会加剧信号的衰减和几何畸变，从而降低成像的信噪比和清晰度。这些参数之间存在复杂的非线性耦合关系，共同决定了成像的最终质量。
**讨论与结论总结**
本研究针对波纹复合板界面结合状态的高精度检测需求，通过理论建模、有限元模拟与激光超声实验相结合的综合方法，系统揭示了波纹波长、振幅、深度以及激励-接收分离距离对激光超声成像质量的耦合机制。研究建立了基于瑞利微扰理论和临界斜率准则的多参数耦合预测框架，提出了无量纲参数cp作为成像失效的尺度不变判据。研究成果阐明了波纹波腰区域成像边界效应的物理机制，量化了系统几何参数对成像偏移的影响，验证了理论模型的有效性。该工作为波纹复合板激光超声检测的参数优化、盲区预测提供了坚实的理论基础和技术准则，也为多层异质结构中不规则界面的无损成像建立了一种通用的解析评估方法论，具有重要的理论价值和工程应用前景。
