專利名稱:基于聲壓反射系數(shù)功率譜測(cè)量薄層聲阻抗和聲衰減的方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種基于聲壓反射系數(shù)功率譜測(cè)量薄層聲阻抗和聲衰減的方法,其屬于材料超聲無損檢測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù):
目前對(duì)于體材料而言,聲阻抗測(cè)量主要使用的方法是測(cè)量其密度和聲速后通過Z =P c求得,但由于薄層時(shí)域波形的混疊,難以直接獲得薄層聲速的準(zhǔn)確數(shù)值,該方法不適合于薄層。薄層聲衰減測(cè)量存在類似的問題。近年來,有關(guān)學(xué)者通過頻譜分析方法求出薄層的聲學(xué)參量。如美國學(xué)者Kinra等在“Ultrasonicnondestructive evaluation of thin (sub-wavelength) coatings”提出了測(cè)量薄層聲速、聲阻抗、聲衰減和厚度等四個(gè)參量的方法,但其只能夠在已知三個(gè)參量的情況下求出另外一個(gè)。另外也有文獻(xiàn)提出通過反演方法求得這些參量,如美國學(xué)者Lavrentyev等在“An ultrasonic method for determination of elasticmoduli,density,attenuation and thickness of a polymer coating on a stiff plate” 一文中敘述。但該方法必須首先知道薄層的部分參量來建立理論聲壓反射系數(shù)譜,然后進(jìn)行其他參量測(cè)量。迄今為止,尚未見到可直接用于在未知薄層任何參數(shù)下同時(shí)測(cè)量薄層聲阻抗和聲衰減的實(shí)用化超聲無損測(cè)量方法。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于聲壓反射系數(shù)功率譜測(cè)量薄層聲阻抗和聲衰減的方法。該方法在同樣的實(shí)驗(yàn)裝置條件下,在未知薄層任何參量的情況下,就能夠同時(shí)得到薄層的聲阻抗和聲衰減。一種基于聲壓反射系數(shù)功率譜測(cè)量薄層聲阻抗和聲衰減的方法,它采用一個(gè)包括超聲探傷儀、超聲脈沖水浸探頭、薄層試樣、水槽、數(shù)字示波器以及計(jì)算機(jī)的脈沖超聲水浸回波系統(tǒng),它采用的測(cè)量步驟如下(I)利用所述脈沖超聲水浸回波系統(tǒng)向薄層試樣垂直發(fā)射超聲信號(hào),并采集來自水與薄層上表面以及水與薄層下表面的界面反射回波組成的混疊信號(hào)(試樣信號(hào));(2)利用所述脈沖超聲水浸回波系統(tǒng)采集一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試塊的上表面回波信號(hào)(基準(zhǔn)信號(hào));(3)對(duì)所述步驟⑴和(2)采集到的混疊信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)分別進(jìn)行FFT,得到試樣信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)的頻譜,令基準(zhǔn)信號(hào)的頻譜和水與標(biāo)準(zhǔn)試塊界面的聲壓反射系數(shù)的商為入射信號(hào)的頻譜,然后用混疊信號(hào)的頻譜除以入射信號(hào)的頻譜,最后得到相應(yīng)的實(shí)部和虛部數(shù)據(jù);(4)對(duì)步驟(3)求得的實(shí)部和虛部數(shù)據(jù)代入到公式I中,得到薄層的聲壓反射系數(shù)功率譜,公式I :
權(quán)利要求
1.一種基于聲壓反射系數(shù)功率譜測(cè)量薄層聲阻抗和聲衰減的方法,其特征是它采用一個(gè)包括超聲探傷儀(I)、超聲脈沖水浸探頭(2)、薄層試樣(3)、水槽(4)、數(shù)字示波器(5) 以及計(jì)算機(jī)(6)的脈沖超聲水浸回波系統(tǒng),它采用的測(cè)量步驟如下(1)利用所述脈沖超聲水浸回波系統(tǒng)向薄層試樣垂直發(fā)射超聲信號(hào),并采集來自水與薄層上表面以及水與薄層下表面的界面反射回波組成的試樣信號(hào);(2)利用所述脈沖超聲水浸回波系統(tǒng)采集一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試塊的基準(zhǔn)信號(hào);(3)對(duì)所述步驟(I)和(2)采集到的試樣信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)分別進(jìn)行FFT,得到試樣信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)的頻譜,令基準(zhǔn)信號(hào)的頻譜和水與標(biāo)準(zhǔn)試塊界面的聲壓反射系數(shù)的商為入射信號(hào)的頻譜,然后用試樣信號(hào)的頻譜除以入射信號(hào)的頻譜,最后得到相應(yīng)的實(shí)部和虛部數(shù)據(jù);(4)對(duì)步驟(3)求得的實(shí)部和虛部數(shù)據(jù)代入到公式I中,得到薄層的聲壓反射系數(shù)功率譜,公式I : 式中|v(f) I2表示聲壓反射系數(shù)功率譜,s(f)為試樣信號(hào)頻譜與入射信號(hào)頻譜的商,Im[S(f)]為 S(f)的實(shí)部,Re[S(f)]為 S(f)的虛部;a i = V12Gxpdd1 α 水),α 2 = V21ff12ff21exp (-2d! α 水)exp(_2da 薄層),—,αη = V^3W12W21 exp(-2i/1a7K)exp[-2( (η > 2), α水為水的衰減系數(shù)(dB/mm), α薄層為薄層的衰減系數(shù)(dB/mm), (I1為探頭到薄層上表面的距離(mm), d為薄層的厚度(mm), Δ t為超聲在薄層中的一次往返時(shí)間(ns), V12 = (Z2-Z1)Z(Z^Z2),V12 = -V21, W12 = 1+V12, W12 = I-V12 ;(5)對(duì)聲壓反射系數(shù)功率譜|V(f)12進(jìn)行低通濾波,截止頻率< At/ΙΟ,濾波后的信號(hào)記為FlOT(f),并可得到^+^+…+乂的值,記為Y ;再對(duì)功率譜IV (f) I2進(jìn)行帶通濾波, 下截止頻率和上截止頻率分別設(shè)置為[O. 9 Λ t,Λ t]和[Λ t,I. I Λ t],濾波后的信號(hào)記為 Fbani⑴,并可得到…+ CtiriCtn)的值,記為A1 ;再對(duì)功率譜|v(f) I2進(jìn)行帶通濾波,下截止頻率和上截止頻率分別設(shè)置為[I. 9 Λ t,2 Λ t]和[2 Λ t,2. I Λ t],濾波后的信號(hào)記為Fban2(f),并可得到2(α i α 3+α 2 α 4+…+ α η_2 α n)的值,記為入2;令P = λ J 入」,將Y和P代入公式2,并求解公式2得exp (-2d α觀)的值,記為β ;公式2 :P β 2-[2 P 2+(1-ρ 2) γ ] β +P (1-ρ 2) + ρ 3 = O(6)將P和β代入公式3可得水與薄層材料界面的聲壓反射系數(shù)V12,公式3:(7)由水與薄層材料界面的聲壓反射系數(shù)V12與薄層材料聲阻抗的關(guān)系式4可得到薄層材料的聲阻抗,公式4
全文摘要
一種基于聲壓反射系數(shù)功率譜測(cè)量薄層聲阻抗和聲衰減的方法,屬于材料超聲無損檢測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)領(lǐng)域。該方法使用脈沖超聲水浸回波系統(tǒng),采集來自水與薄層上表面以及水與薄層下表面的界面反射回波組成的混疊信號(hào),再采集一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試塊的上表面回波信號(hào),對(duì)兩個(gè)信號(hào)分別進(jìn)行FFT,通過進(jìn)一步處理得到聲壓反射系數(shù)功率譜。然后對(duì)功率譜進(jìn)行低通濾波和帶通濾波,求出功率譜表達(dá)式中的相關(guān)系數(shù),并將這些系數(shù)代入方程求得薄層的聲阻抗和聲衰減。本方法可以在不知道薄層任何參數(shù)的情況下同時(shí)求得其聲阻抗和聲衰減,克服了現(xiàn)有技術(shù)需要已知薄層的部分參量才能得到其他參量的不足。
文檔編號(hào)G01N29/09GK102608212SQ20121004998
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年2月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月29日
發(fā)明者李喜孟, 林莉, 羅忠兵, 胡志雄, 陳軍 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)