使用超聲波平探頭同時(shí)測(cè)量線粘彈性薄層材料多參數(shù)的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種使用超聲波平探頭同時(shí)測(cè)量線粘彈性薄層材料多參數(shù)的方法。其步驟為：1）將參考基體材料和線粘彈性薄層材料浸入水中，用超聲波平探頭位于其正上方并分別測(cè)得其反射回波s0(t)、s1(t)；2）對(duì)s0(t)、s1(t)進(jìn)行低通濾波；3）對(duì)s1(t)中來自線粘彈性薄層材料上表面的回波s11(t)進(jìn)行最佳估計(jì)以得到聲阻抗的最優(yōu)測(cè)量值Zm2，并將聲阻抗等于Zm2時(shí)對(duì)應(yīng)的s11(t)從s1(t)中減去；4）對(duì)s1(t)中來自線粘彈性薄層材料下表面的回波s12(t)進(jìn)行最佳估計(jì)以得到渡越時(shí)間和衰減系數(shù)的最優(yōu)測(cè)量值Δtm2和αm2。本發(fā)明避免了基于反射系數(shù)譜擬合的傳統(tǒng)測(cè)量方法中經(jīng)常出現(xiàn)的擬合收斂域問題，適合測(cè)量薄層材料的聲學(xué)特性。
【專利說明】使用超聲波平探頭同時(shí)測(cè)量線粘彈性薄層材料多參數(shù)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及薄層材料特性的超聲波無損檢測(cè)，尤其涉及一種使用超聲波平探頭同時(shí)測(cè)量線粘彈性薄層材料多參數(shù)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]如今超聲波對(duì)薄層(包括薄膜和涂層)的無破壞性測(cè)量吸引了越來越多的關(guān)注。它在現(xiàn)代制造業(yè)、土木工程、食品和生物工程領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。由于利用超聲手段能夠同時(shí)連續(xù)測(cè)量薄層敏感地帶的多種特性，對(duì)于薄層的聲學(xué)和幾何特性的定量測(cè)量具有非常顯著的實(shí)用價(jià)值。
[0003]傳統(tǒng)的超聲波測(cè)量方法根據(jù)對(duì)三個(gè)未知屬性的初步估計(jì)，使用曲線擬合技術(shù)最小化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論值間的差值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)薄線性粘彈性層的三個(gè)聲學(xué)特性參數(shù)的測(cè)量。通過這種方式，Graciet和Hosten實(shí)現(xiàn)了對(duì)厚度、聲速、衰減和密度的同時(shí)測(cè)量，但是此種方法不適用于基地材料和薄層上表面反射回波是互相重疊的薄層材料。Lavrentyev和Rokhlin曾提出過一個(gè)兩步驟的反演技術(shù)來確定材料內(nèi)部薄層的全套聲學(xué)和幾何特性參數(shù)，并采用這種方法去測(cè)定了剛性板的涂層特征。陳劍和居冰峰等人利用點(diǎn)聚焦換能器簡(jiǎn)化了測(cè)量?jī)x器，并取得了薄層本身的聲學(xué)和幾何特性參數(shù)。為了得到薄層的聲學(xué)特性參數(shù)，所有使用的方法都采用了曲線擬合技術(shù)。這類方法實(shí)際應(yīng)用的最大缺陷在于:它要求測(cè)量者對(duì)處于收斂區(qū)域的三個(gè)未知參數(shù)進(jìn)行比較準(zhǔn)確的初始估計(jì)，如果初始估計(jì)值偏離參數(shù)的真實(shí)值較大時(shí)，即初始值不在擬合的收斂域范圍之內(nèi)時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的擬合結(jié)果。?’另一個(gè)問題在于，當(dāng)實(shí)驗(yàn)采用的反射系數(shù)譜頻率段不存在局部極小值時(shí)，難以得到很好的擬合結(jié)果。G.J.Yao導(dǎo)出了薄層的聲阻抗、渡越時(shí)間、衰減系數(shù)的解析表達(dá)式，從這些表達(dá)式中，三個(gè)未知量可以被直接計(jì)算出，對(duì)于不同頻率寬帶(處于-3dB或-6dB內(nèi))的超聲波回聲的平均值計(jì)算都取得了合理的結(jié)果。然而，這種方法需在計(jì)算中設(shè)立多個(gè)頻率間隔，以實(shí)現(xiàn)較小的相對(duì)誤差，但是如果所發(fā)射的超聲波脈沖不具有足夠的頻率寬度，測(cè)量結(jié)果將會(huì)受到嚴(yán)重影響。
[0004]在本文中，一項(xiàng)基于對(duì)時(shí)域超聲波回波信號(hào)處理的新技術(shù)將被提及。它實(shí)現(xiàn)了同時(shí)對(duì)薄線性粘彈性層的聲阻抗、渡越時(shí)間、衰減系數(shù)的測(cè)量，并且不需要很準(zhǔn)確的初始值，克服了現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足 。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種使用超聲波平探頭同時(shí)測(cè)量線粘彈性薄層材料多參數(shù)的方法。
[0006]使用超聲波平探頭同時(shí)測(cè)量線粘彈性薄層材料多參數(shù)的方法的步驟如下:
[0007]I)將薄層材料放置于參考基體材料表面，并置于盛有水的水槽中，開啟與超聲波平探頭及計(jì)算機(jī)相連的超聲波發(fā)射接收器；[0008]2)控制直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)，使超聲波平探頭位于參考基體材料正上方，測(cè)量參考基體材料表面的超聲波回波信號(hào)S(l(t)；
[0009]3)控制直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)，使超聲波平探頭位于薄層材料伸出參考基體材料表面部分的正上方，即薄層材料上下表面完全浸在水中的部分，測(cè)量薄層材料的超聲波回波信號(hào)
S1(t)；
[0010]4)分別對(duì)參考基體材料表面的超聲波回波信號(hào)Stl (t)、薄層材料的超聲波回波信號(hào)81(0進(jìn)行低通濾波；
[0011]5)建立薄層材料的超聲波回波模型:
【權(quán)利要求】
1.一種使用超聲波平探頭同時(shí)測(cè)量線粘彈性薄層材料多參數(shù)的方法，其特征在于方法的步驟如下: 1)將薄層材料(5)放置于參考基體材料(4)表面，并置于盛有水的水槽(6)中，開啟與超聲波平探頭(I)及計(jì)算機(jī)(9)相連的超聲波發(fā)射接收器(8)； 2)控制直線電機(jī)(2)運(yùn)動(dòng)，使超聲波平探頭(I)位于參考基體材料(4)正上方，測(cè)量參考基體材料(4)表面的超聲波回波信號(hào)Stl(t)； 3)控制直線電機(jī)(2)運(yùn)動(dòng)，使超聲波平探頭(I)位于薄層材料(5)伸出參考基體材料(4)表面部分的正上方，即薄層材料(5)上下表面完全浸在水中的部分，測(cè)量薄層材料(5)的超聲波回波信號(hào)S1 (t)； 4)分別對(duì)參考基體材料(4)表面的超聲波回波信號(hào)Stl(t)、薄層材料(5)的超聲波回波信號(hào)S1 (t)進(jìn)行低通濾波； 5)建立薄層材料的超聲波回波模型:

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種使用超聲波平探頭同時(shí)測(cè)量線粘彈性薄層材料多參數(shù)的方法，其特征在于所述的步驟6)為: 2.1)為薄層材料聲阻抗Z2選取估計(jì)值Ze2，開始時(shí)選取該估計(jì)值的初始值為O，按下式計(jì)算來自薄層材料上表面的回波S11 (t)的估計(jì)值Sejll (t):
Sell (t) = F-1 [Rel2 ? S11(W)], Rel2 = (Ze2-Z1)/(ZeJZ1) ,sn(w) = F[S1(t)] 式中F[]為傅里葉變換，F(xiàn)l]為傅里葉逆變換。 2.2)從薄層材料(5)的超聲波回波信號(hào)Sl(t)中減去Sell⑴，得到去除Sell⑴后的剩余波形估計(jì)值Selrftl (t):Seleftl
(t) = S1 (t)-Sell (t) .2.3)記S1 (t)中來自薄層材料上表面的回波S11 (t)、來自薄層材料下表面的回波S12 (t)開始的時(shí)間分別為Vbiselrftl⑴中時(shí)間區(qū)間[t:t2]內(nèi)波形完全消失時(shí)，將對(duì)應(yīng)的Ze2作為薄層材料聲阻抗的最優(yōu)測(cè)量值Z1112，并將對(duì)應(yīng)的Selrftl (t)記為去除Sell (t)后的剩余波形Sleftl (t);當(dāng)不滿足區(qū)間[t山]內(nèi)波形完全消失的條件時(shí)，改變Ze2取值，重復(fù)步驟2.1)-步驟2.3)，直至得到Zm2和Sleftl⑴。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種使用超聲波平探頭同時(shí)測(cè)量線粘彈性薄層材料多參數(shù)的方法，其特征在于所述的步驟7)為: .3.1)為渡越時(shí)間At2選取估計(jì)值A(chǔ)te2,為薄層材料中超聲信號(hào)衰減系數(shù)Ci2選取估計(jì)值a &開始時(shí)選取這兩個(gè)估計(jì)值的初始值為O，按下式計(jì)算來自薄層材料下表面的回波.512(t)的估計(jì)值 sel2 (t):

【文檔編號(hào)】G01N29/07GK103616439SQ201310486437
【公開日】2014年3月5日 申請(qǐng)日期:2013年10月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月16日
【發(fā)明者】居冰峰, 孫澤青, 白小龍, 孫安玉, 任賾宇, 陳劍 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)