一種各向異性材料縱波聲速的測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于無(wú)損檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及對(duì)采用超聲探頭測(cè)量各向異性材料縱波聲速方法的改進(jìn)。其特征在于，采用相控陣超聲線陣探頭進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量的步驟如下：超聲回波數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)；獲取超聲回波信號(hào)的底波傳播時(shí)間數(shù)據(jù)組；計(jì)算底波傳播時(shí)間平均值數(shù)據(jù)組；計(jì)算聲波最短路徑傳播角度數(shù)據(jù)組和聲波最短傳播路徑數(shù)據(jù)組；計(jì)算各聲波最短路徑傳播角度下所對(duì)應(yīng)的縱波聲速數(shù)據(jù)組；構(gòu)造縱波傳播速度V與聲波傳播角度Θ的解析函數(shù)。本發(fā)明提出了一種改進(jìn)的各向異性材料縱波聲速的測(cè)量方法，簡(jiǎn)化了測(cè)量步驟，縮短了測(cè)量周期，提高了測(cè)量精度。
【專利說(shuō)明】一種各向異性材料縱波聲速的測(cè)量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無(wú)損檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及對(duì)采用超聲探頭測(cè)量各向異性材料縱波聲速 方法的改進(jìn)。

【背景技術(shù)】
[0002] 超聲檢測(cè)是通過(guò)超聲波與被測(cè)試樣相互作用，就反射、透射和散射的波進(jìn)行研宄， 對(duì)試樣進(jìn)行幾何特征測(cè)量、宏觀缺陷檢測(cè)、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能變化的檢測(cè)和表征，并進(jìn)而 對(duì)其特定應(yīng)用性能進(jìn)行評(píng)價(jià)的技術(shù)。超聲檢測(cè)中使用的常規(guī)超聲探頭就晶片數(shù)量而言通 常有兩種：一種只包含一個(gè)晶片，這個(gè)晶片既用于發(fā)射又用于接收超聲波；另一種包含一 對(duì)晶片，一個(gè)晶片用于發(fā)射超聲波，另一個(gè)用于接收超聲波。與常規(guī)超聲探頭不同，相控陣 超聲探頭是一個(gè)換能器組件，一般包含16至256個(gè)數(shù)量不等的小型單個(gè)晶片，每個(gè)晶片可 分別用于激勵(lì)和接收超聲波。同時(shí)，這些晶片可以排列成條狀（線陣）、2維矩陣、環(huán)狀（環(huán) 陣）等不同形狀。材料的聲速是彈性模量等機(jī)械性能的直接反映，通過(guò)精確測(cè)量材料聲速， 可反映出材料和工件的狀態(tài)；另外，在超聲檢測(cè)中對(duì)被測(cè)材料聲速進(jìn)行精確測(cè)量，對(duì)準(zhǔn)確確 定缺陷位置和形狀起著關(guān)鍵作用。因此，對(duì)材料聲速進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量具有重大的實(shí)際意義。然 而，各向異性材料具有許多各向同性材料所不存在的聲波傳播現(xiàn)象，如聲速具有方向性、聲 波的相速度和群速度之間存在差異、具有三種不同的聲波傳播速度（而非二種）以及很多 更加細(xì)微的區(qū)別。因此，當(dāng)利用超聲波對(duì)各向異性材料進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，必須深刻了解超聲波在 各向異性材料中的傳播性質(zhì)，其中，測(cè)量各向異性材料的實(shí)際聲速是一項(xiàng)重要的工作。傳統(tǒng) 的超聲測(cè)量聲速方法多采用單個(gè)探頭的反射法或一對(duì)探頭的穿透法來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于各向異性 材料的聲速方向性，當(dāng)測(cè)量不同傳播角度下的聲速時(shí)，需要采用計(jì)算機(jī)控制的測(cè)角器來(lái)不 斷調(diào)節(jié)入射角，并借助水浸循環(huán)泵來(lái)穩(wěn)定水溫，同時(shí)由于模轉(zhuǎn)換和反射/透射系數(shù)的影響， 導(dǎo)致反射回波信號(hào)的幅值比較低（如李家偉、陳積懋.無(wú)損檢測(cè)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè) 出版社，2002,p238)。其缺點(diǎn)是：測(cè)量步驟復(fù)雜，測(cè)量周期長(zhǎng)，測(cè)量精度低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是：提出一種改進(jìn)的各向異性材料縱波聲速的測(cè)量方法，以便簡(jiǎn)化 測(cè)量步驟，縮短測(cè)量周期，提高測(cè)量精度。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種各向異性材料縱波聲速的測(cè)量方法，由各向異性材料 制成的被測(cè)試樣具有長(zhǎng)方體外形，在被測(cè)試樣內(nèi)部不存在缺陷，其特征在于，采用相控陣超 聲線陣探頭進(jìn)行各向異性材料縱波聲速的測(cè)量，測(cè)量的步驟如下：
[0005] 1、超聲回波數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)：將包含N個(gè)陣元晶片的相控陣超聲線陣探頭放置在 被測(cè)試樣的上表面上，N不小于16,在縱波聲速測(cè)量過(guò)程中不移動(dòng)相控陣超聲線陣探頭位 置；設(shè)置相控陣超聲探傷儀，使相控陣超聲線陣探頭中從端頭起的至少連續(xù)M個(gè)陣元晶片 依次發(fā)射超聲波，M不小于3且不大于N/4,同時(shí)，每個(gè)發(fā)射陣元晶片發(fā)射超聲波時(shí)，采集相 控陣超聲線陣探頭中從發(fā)射陣元晶片起的連續(xù)N-M+1個(gè)陣元晶片接收到的超聲回波信號(hào)， 作為一個(gè)超聲回波數(shù)據(jù)組Um={Uml，Um2，…，Umi，…，Um(N_M+1)}，m為超聲回波數(shù)據(jù)組的序號(hào)，m=1，2,…，M，并將超聲回波數(shù)據(jù)組Um進(jìn)行存儲(chǔ)；
[0006] 2、獲取超聲回波信號(hào)的底波傳播時(shí)間數(shù)據(jù)組：定義底波傳播時(shí)間t為超聲回波信 號(hào)中始波與底波之間的時(shí)間差；依次提取超聲回波數(shù)據(jù)組^中每個(gè)超聲回波信號(hào)的底波傳 播時(shí)間，形成底波傳播時(shí)間數(shù)據(jù)組{t^、2,…，U ，…，tm(N-M+1) };
[0007] 3、計(jì)算底波傳播時(shí)間平均值數(shù)據(jù)組：按照下式對(duì)M個(gè)底波傳播時(shí)間數(shù)據(jù)組中序號(hào) 對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)項(xiàng)取平均值，得到底波傳播時(shí)間平均值數(shù)據(jù)組 L· · -JVI7 J-J ，丄，丄丄 丄，

【權(quán)利要求】
1. 一種各向異性材料縱波聲速的測(cè)量方法，由各向異性材料制成的被測(cè)試樣具有長(zhǎng)方 體外形，在被測(cè)試樣內(nèi)部不存在缺陷，其特征在于，采用相控陣超聲線陣探頭進(jìn)行各向異性 材料縱波聲速的測(cè)量，測(cè)量的步驟如下： 1. 1、超聲回波數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)：將包含N個(gè)陣元晶片的相控陣超聲線陣探頭放置在被 測(cè)試樣的上表面上，N不小于16,在縱波聲速測(cè)量過(guò)程中不移動(dòng)相控陣超聲線陣探頭位置； 設(shè)置相控陣超聲探傷儀，使相控陣超聲線陣探頭中從端頭起的至少連續(xù)M個(gè)陣元晶片依次 發(fā)射超聲波，M不小于3且不大于N/4,同時(shí)，每個(gè)發(fā)射陣元晶片發(fā)射超聲波時(shí)，采集相控陣 超聲線陣探頭中從發(fā)射陣元晶片起的連續(xù)N-M+1個(gè)陣元晶片接收到的超聲回波信號(hào)，作為 一個(gè)超聲回波數(shù)據(jù)組Um= {Uml，Um2，…，Umi，…，UmfrM+1)}，m為超聲回波數(shù)據(jù)組的序號(hào)，m= 1，2,…，M，并將超聲回波數(shù)據(jù)組Um進(jìn)行存儲(chǔ)； 1. 2、獲取超聲回波信號(hào)的底波傳播時(shí)間數(shù)據(jù)組：定義底波傳播時(shí)間t為超聲回波信號(hào) 中始波與底波之間的時(shí)間差；依次提取超聲回波數(shù)據(jù)組Um中每個(gè)超聲回波信號(hào)的底波傳播 時(shí)間，形成底波傳播時(shí)間數(shù)據(jù)組乜={t_，…，^ ，…，tm(N-M+1) }; 1. 3、計(jì)算底波傳播時(shí)間平均值數(shù)據(jù)組：按照下式對(duì)M個(gè)底波傳播時(shí)間數(shù)據(jù)組中序號(hào)對(duì) 應(yīng)的數(shù)據(jù)項(xiàng)取平均值，得到底波傳播時(shí)間平均值數(shù)據(jù)組1 =丨^2，..J，..dN_MJ，
1. 4、計(jì)算聲波最短路徑傳播角度數(shù)據(jù)組和聲波最短傳播路徑數(shù)據(jù)組：定義聲波最短路 徑傳播角度9為兩條直線的夾角，一條為過(guò)發(fā)射陣元晶片中心并垂直于被測(cè)試樣底面的 直線，另一條為發(fā)射聲波傳播線，發(fā)射聲波傳播線為發(fā)射陣元晶片中心與被測(cè)試樣底面反 射點(diǎn)的連線，底面反射點(diǎn)是發(fā)射陣元晶片中心和接收陣元晶片中心連線的垂直平分線與底 面的交點(diǎn)；定義聲波最短傳播路徑S由發(fā)射聲波傳播線和接收聲波傳播線組成，接收聲波 傳播線為被測(cè)試樣底面反射點(diǎn)與接收陣元晶片中心的連線； 1. 4. 1、按照下式計(jì)算從端頭起的第1個(gè)陣元晶片發(fā)射的聲波最短路徑傳播角度數(shù)據(jù) 組0 n:
式中： n是接收陣元晶片的序號(hào)，n= 1，2,…，N-M+1 ; P是相控陣超聲線陣探頭的陣元晶片間距； H是被測(cè)試樣厚度； 聲波最短路徑傳播角度數(shù)據(jù)組0n中的數(shù)據(jù)項(xiàng)分別與底波傳播時(shí)間平均值數(shù)據(jù)組i中 序號(hào)相同的數(shù)據(jù)項(xiàng)對(duì)應(yīng)； 1. 4. 2、按照下式計(jì)算從端頭起的第1個(gè)陣元晶片發(fā)射的聲波最短傳播路徑數(shù)據(jù)組Sn:
聲波最短傳播路徑數(shù)據(jù)組Sn中的數(shù)據(jù)項(xiàng)分別與底波傳播時(shí)間平均值數(shù)據(jù)組￡中序號(hào)相 同的數(shù)據(jù)項(xiàng)對(duì)應(yīng)； 1. 5、計(jì)算各聲波最短路徑傳播角度下所對(duì)應(yīng)的縱波聲速數(shù)據(jù)組vn:將聲波最短傳播路 徑數(shù)據(jù)組sn中的數(shù)據(jù)項(xiàng)與底波傳播時(shí)間平均值數(shù)據(jù)組f中序號(hào)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)項(xiàng)做相除運(yùn)算，得 到各聲波最短路徑傳播角度下所對(duì)應(yīng)的縱波聲速數(shù)據(jù)組Vn; 1. 6、構(gòu)造縱波傳播速度V與聲波傳播角度0的解析函數(shù)：利用上述步驟中所獲得的縱 波聲速數(shù)據(jù)組vn和聲波最短路徑傳播角度數(shù)據(jù)組0 "中的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)項(xiàng)，采用最小二乘曲線 擬合方法，構(gòu)造縱波傳播速度與聲波傳播角度的至少4階解析函數(shù)：
式中，V是縱波傳播速度；0是聲波傳播角度，0< 0〈Jr/2 ;a、b、c、d、e為解析函數(shù)的 系數(shù)。
【文檔編號(hào)】G01N29/07GK104483385SQ201410741994
【公開日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月5日
【發(fā)明者】徐娜, 王東升, 梁菁, 岳翔, 李碩寧 申請(qǐng)人:中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空材料研究院