专利名称：基于声压反射系数功率谱测量薄层声阻抗和声衰减的方法
技术领域：
本发明涉及一种基于声压反射系数功率谱测量薄层声阻抗和声衰减的方法，其属于材料超声无损检测与评价技术领域。
背景技术：
目前对于体材料而言，声阻抗测量主要使用的方法是测量其密度和声速后通过Z =P c求得，但由于薄层时域波形的混叠，难以直接获得薄层声速的准确数值，该方法不适合于薄层。薄层声衰减测量存在类似的问题。近年来，有关学者通过频谱分析方法求出薄层的声学参量。如美国学者Kinra等在“Ultrasonicnondestructive evaluation of thin (sub-wavelength) coatings”提出了测量薄层声速、声阻抗、声衰减和厚度等四个参量的方法，但其只能够在已知三个参量的情况下求出另外一个。另外也有文献提出通过反演方法求得这些参量，如美国学者Lavrentyev等在“An ultrasonic method for determination of elasticmoduli，density，attenuation and thickness of a polymer coating on a stiff plate” 一文中叙述。但该方法必须首先知道薄层的部分参量来建立理论声压反射系数谱，然后进行其他参量测量。迄今为止，尚未见到可直接用于在未知薄层任何参数下同时测量薄层声阻抗和声衰减的实用化超声无损测量方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于声压反射系数功率谱测量薄层声阻抗和声衰减的方法。该方法在同样的实验装置条件下，在未知薄层任何参量的情况下，就能够同时得到薄层的声阻抗和声衰减。一种基于声压反射系数功率谱测量薄层声阻抗和声衰减的方法，它采用一个包括超声探伤仪、超声脉冲水浸探头、薄层试样、水槽、数字示波器以及计算机的脉冲超声水浸回波系统，它采用的测量步骤如下(I)利用所述脉冲超声水浸回波系统向薄层试样垂直发射超声信号，并采集来自水与薄层上表面以及水与薄层下表面的界面反射回波组成的混叠信号(试样信号)；(2)利用所述脉冲超声水浸回波系统采集一个标准试块的上表面回波信号(基准信号);(3)对所述步骤⑴和(2)采集到的混叠信号和基准信号分别进行FFT，得到试样信号和基准信号的频谱，令基准信号的频谱和水与标准试块界面的声压反射系数的商为入射信号的频谱，然后用混叠信号的频谱除以入射信号的频谱，最后得到相应的实部和虚部数据；(4)对步骤(3)求得的实部和虚部数据代入到公式I中，得到薄层的声压反射系数功率谱，公式I :
权利要求
1.一种基于声压反射系数功率谱测量薄层声阻抗和声衰减的方法，其特征是它采用一个包括超声探伤仪(I)、超声脉冲水浸探头(2)、薄层试样(3)、水槽(4)、数字示波器(5) 以及计算机(6)的脉冲超声水浸回波系统，它采用的测量步骤如下(1)利用所述脉冲超声水浸回波系统向薄层试样垂直发射超声信号，并采集来自水与薄层上表面以及水与薄层下表面的界面反射回波组成的试样信号；(2)利用所述脉冲超声水浸回波系统采集一个标准试块的基准信号；(3)对所述步骤(I)和(2)采集到的试样信号和基准信号分别进行FFT，得到试样信号和基准信号的频谱，令基准信号的频谱和水与标准试块界面的声压反射系数的商为入射信号的频谱，然后用试样信号的频谱除以入射信号的频谱，最后得到相应的实部和虚部数据；(4)对步骤(3)求得的实部和虚部数据代入到公式I中，得到薄层的声压反射系数功率谱，公式I : 式中|v(f) I2表示声压反射系数功率谱，s(f)为试样信号频谱与入射信号频谱的商，Im[S(f)]为 S(f)的实部，Re[S(f)]为 S(f)的虚部；a i = V12Gxpdd1 α 水)，α 2 = V21ff12ff21exp (-2d! α 水)exp(_2da 薄层)，—,αη = V^3W12W21 exp(-2i/1a7K)exp[-2( (η > 2), α水为水的衰减系数(dB/mm), α薄层为薄层的衰减系数(dB/mm), (I1为探头到薄层上表面的距离(mm), d为薄层的厚度(mm), Δ t为超声在薄层中的一次往返时间(ns), V12 = (Z2-Z1)Z(Z^Z2)，V12 = -V21, W12 = 1+V12, W12 = I-V12 ；(5)对声压反射系数功率谱|V(f)12进行低通滤波，截止频率< At/ΙΟ，滤波后的信号记为FlOT(f)，并可得到^+^+…+乂的值，记为Y ;再对功率谱IV (f) I2进行带通滤波， 下截止频率和上截止频率分别设置为[O. 9 Λ t，Λ t]和[Λ t，I. I Λ t]，滤波后的信号记为 Fbani⑴，并可得到…+ CtiriCtn)的值，记为A1 ;再对功率谱|v(f) I2进行带通滤波，下截止频率和上截止频率分别设置为[I. 9 Λ t，2 Λ t]和[2 Λ t，2. I Λ t]，滤波后的信号记为Fban2(f)，并可得到2(α i α 3+α 2 α 4+…+ α η_2 α n)的值，记为入2;令P = λ J 入」，将Y和P代入公式2，并求解公式2得exp (-2d α觀)的值，记为β ;公式2 :P β 2-[2 P 2+(1-ρ 2) γ ] β +P (1-ρ 2) + ρ 3 = O(6)将P和β代入公式3可得水与薄层材料界面的声压反射系数V12，公式3:(7)由水与薄层材料界面的声压反射系数V12与薄层材料声阻抗的关系式4可得到薄层材料的声阻抗，公式4
全文摘要
一种基于声压反射系数功率谱测量薄层声阻抗和声衰减的方法，属于材料超声无损检测与评价技术领域。该方法使用脉冲超声水浸回波系统，采集来自水与薄层上表面以及水与薄层下表面的界面反射回波组成的混叠信号，再采集一个标准试块的上表面回波信号，对两个信号分别进行FFT，通过进一步处理得到声压反射系数功率谱。然后对功率谱进行低通滤波和带通滤波，求出功率谱表达式中的相关系数，并将这些系数代入方程求得薄层的声阻抗和声衰减。本方法可以在不知道薄层任何参数的情况下同时求得其声阻抗和声衰减，克服了现有技术需要已知薄层的部分参量才能得到其他参量的不足。
文档编号G01N29/09GK102608212SQ20121004998
公开日2012年7月25日 申请日期2012年2月29日 优先权日2012年2月29日
发明者李喜孟, 林莉, 罗忠兵, 胡志雄, 陈军 申请人:大连理工大学