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激光超声以其非接触的特点克服了传统超声检测在恶劣环境下的应用制约，具有时域分辨率高、频域覆盖范围广、作用面积小、易于扫描等优点。本文针对激光超声检测复合材料时面临的波形复杂和噪声水平高等问题，通过有限元手段分析了材料中的激光超声波形特点，并对信号检测方法进行了仿真和实验研究。主要内容包括以下几个方面：根据固体介质中的热力学定律，研究了激光超声热弹机制下温度场与位移场的耦合过程和有限元求解方法。利用轴对称有限元模型，计算了各向同性金属材料中的激光超声Lamb波、表面波和对心观测时的体波波形，分析了超声信号的传播特点以及波形随材料厚度和检测点位置的变化。在忽略材料微观结构不均匀性的前提下，采用平面应变模型，研究了单向纤维复合材料中的激光超声波形特征，并与金属材料中的理论波形进行了比较。结果显示，材料参数的各向异性使激光超声的激励与传播在沿纤维和垂直于纤维方向上具有明显差异，主要表现为超声波速度、幅值以及色散情况的不同。模拟了表面及内部缺陷条件，研究了材料缺陷对激光超声对心波形和表面波信号的作用，讨论了缺陷位置及尺寸对回波质量的影响，得到了单向纤维复合材料中不同走向缺陷的回波波形，并分析了激光线源在表面缺陷扫描上的优势。将经验模态分解（EMD）应用于激光超声信号检测之中，讨论了时间尺度滤波中，基于固有模态函数（IMF）能量密度的重构起点选择依据，分析了部分IMF中有用信号与噪声混叠现象的原因，提出了一种基于峰度检验策略的时域加窗算法，实现信号与噪声的解混叠，改善去噪能力。利用该算法对有限元仿真信号和噪声的叠加波形进行了处理，结果表明，该算法使信号质量明显提升，具有在高噪声水平下的应用优势。基于激光超声光学实验平台，设计了信号调理放大电路，利用LabVIEW开发了激光超声A扫描和B扫描软件系统，对复合材料试件参数及缺陷进行检测。通过对实测信号的处理，验证了文中信号去噪算法的效果和自适应性。计算了对心传播的体波速度和沿纤维方向传播的Rayleigh波速度，估计了材料各向同性面内的比弹性模量。对含表面缺陷纤维板进行扫描，由B扫描曲线实现了缺陷的定位。