一种对板结构反射/透射系数的水浸超声无损测量方法与流程

本发明为一种可对板结构反射/透射系数的无损测量方法，属于结构力学性能测试领域，可适用于“液固液”结构反射/透射系数的水浸超声无损检测。

背景技术

板材因其具有包容覆盖能力强、形状简单、操作方便等优点，随着工业的快速发展，被广泛应用于各类工程结构中。但在长期服役过程中，会受到制造工艺的影响以及外界荷载、环境腐蚀等作用,容易产生腐蚀、疲劳、裂纹等损伤。损伤的不断累积将导致工程结构的失效和损坏,甚至会引发严重的工程事故，所以对板结构的力学性能等方面进行检测变得尤为重要。

由于不同介质间的声阻抗存在差异性，声波在材料性能不连续的多层介质中传播时，会产生反射和透射。研究材料界面处反射和透射特性，是获取材料和结构信息的必要条件。通过获取声波的反射/透射信号，并对信号进行处理和计算，最终得到声波的反射/透射系数，由此可对材料的力学性能进行定量表征。分析声反射/透射系数与斜入射角度、激励频率之间的关系，也是检测材料晶粒尺寸及结构界面间粘接质量的重要铺垫。由于声波是向四周传播，传播过程中声波能量会逐渐扩散，使得单位面积上存在的能量减小，形成扩散衰减。因此，在模型中将两个同材料同规格的压电传感器无缝隙并排放置，使之成为双接收传感器，且将两个传感器关于接收声波的中线对称放置，可补偿声波在传播过程中产生的扩散衰减，以获取更为准确的反射/透射系数测量结果。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供了一种板结构声反射/透射系数的水浸超声无损测量方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种对板结构反射/透射系数的水浸超声无损测量方法，该方法建立一种板结构声反射/透射系数的水浸超声无损测量模型，该模型由三个相同材料及尺寸的压电传感器和具有一定厚度的板组成，将该模型浸于室温下的水中。其中，由pvdf(聚偏氟乙烯)薄膜作为压电材料，由环氧树脂与钨粉制备的back10(钨粉体积比为10％)作为背衬材料，压电材料和背衬材料构成完整的压电传感器。在其中一个压电传感器的压电材料上表面设置激励信号，使之成为激励压电传感器(1)；将另外两个压电传感器并排放置，使之成为双接收压电传感器(2)。将一定厚度和长宽尺寸的板(3)放置在声波传播路径中，使声波在水(4)中传播时穿透板(3)或在板(3)的表面发生反射，从而被接收压电传感器接收来获得透射系数和反射系数。

板结构反射/透射系数的求解方法如下，将双接收压电传感器(2)采集的反射/透射信号进行傅里叶变换，得到反射/透射信号频谱与参考信号频谱的比值，则为反射/透射系数频率-幅值谱。由于双接收压电传感器(2)始终关于声波的中线对称放置，导致双接收压电传感器(2)采集的信号相同，所以在提取反射、透射以及参考信号时，仅提取双接收压电传感器(2)中任一信号进行处理。

透射系数的无损测量方法如下，在板(3)的厚度方向两侧分别放置一个激励压电传感器(1)和双接收压电传感器(2)，使传感器的长度方向垂直于板的厚度方向，且双接收压电传感器(2)中的两个压电传感器关于声波的中线对称放置。激励压电传感器(1)下表面至板(3)上表面之间的垂直距离，需与板(3)下表面至双接收压电传感器(2)上表面的垂直距离相同，才能保证声波在垂直入射的情况下，声波到达板(3)前与声波透过板(3)后的传播距离相同。

反射系数的无损测量方法如下，在板(3)的厚度方向任意一侧放置激励压电传感器(1)和双接收压电传感器(2)，以板(3)的上表面中点为板(3)圆心旋转的中线，使板(3)顺时针旋转θ°后与激励压电传感器(1)中轴线重合，且逆时针旋转θ°后与双接收压电传感器(2)分界线重合，以保证双接收压电传感器(2)能够均匀地采集到声波经板(3)反射后的全部能量。激励压电传感器(1)下表面中点和双接收压电传感器(2)下表面的分界点，激励压电传感器(1)下表面中点与板(3)上表面之间的垂直距离与双接收压电传感器(2)下表面的分界点与板(3)上表面之间的垂直距离相等。

参考信号的获取方法，在无板(3)的情况下，将激励传感器(1)和双接收压电传感器(2)平行放置，使激励压电传感器(1)激励相同的超声信号传播至双接收压电传感器(2)，从双接收压电传感器(2)上提取的直达波，作为参考信号。

直达波传播距离与反射/透射系数测量模型中声波在液体中的传播距离相同。

本发明具有以下优点：

1、本发明通过引入参考信号的处理方法，由此获得反射/透射系数频谱，可有效补偿声波在介质中传播时的衰减效应。

2、本发明采用双接收传感器测量模型，可避免声波能量及信息的泄露，获取更为准确的反射/透射系数测量结果。

本发明采用以上技术方案，建立“液固液”结构反射/透射系数的水浸超声无损测量模型，结构简单，操作便捷，且无需在测量中移动传感器。利用此检测方法，可利用反射/透射系数对板结构进行水浸式无损测量。

附图说明

图1为板结构透射系数的无损测量模型示意图。

图2为板结构反射系数的无损测量模型示意图。

图3为参考信号获取的模型示意图。

图4为板结构透射系数的理论与仿真结果对比图。

图5为板结构反射系数的理论与仿真结果对比图。

具体实施方式

以水浸超声测量反射/透射系数的模型实例对具体的实施方式作进一步的说明。在pzflex软件中构造“液固液”结构透射系数二维仿真模型，模型具体参数设置如下：

1、激励压电传感器(1)和接收压电传感器(2)均由0.26mm×3mm(厚度×长度)的back10为背衬材料、0.04mm×3mm(厚度×长度)的pvdf薄膜为压电材料制成。其中，pvdf密度为1789kg/m³；back10密度为2975kg/m³，材料中声波纵波波速为1960m/s，横波波速为1047m/s。

2、板(3)结构为0.5mm×16mm(厚度×长度)的钢板，钢的密度为7900kg/m³，材料中声波纵波波速为5900m/s，横波波速为3200m/s。

3、传感器和板结构的液体环境为水(4)，水的密度为1000kg/m³，材料中声波纵波波速为1496m/s，横波波速为0m/s。

4、传感器表面与板(3)结构表面的垂直距离为8mm，模型四周边界设置为吸收边界(5)。

板结构透射系数的测量模型示意图如图1所示。仿照图1建立二维仿真模型，在激励传感器(1)压电材料上极板施加中心频率为5mhz的单周期blak波，使声波传播方向垂直于板的长度方向并透过板(3)结构传入水(4)中，最后声波信号被双接收传感器(2)接收。

板结构反射系数的测量模型示意图如图2所示。仿照图2建立二维仿真模型。以板(3)的上表面中点为圆心旋转板(3)的中线，使其旋转20°后与激励传感器(1)中轴线重合，且旋转-20°后与双接收传感器(2)分界线重合。在激励传感器(1)压电材料上极板施加中心频率为5mhz的单周期blak波，使超声信号传播至板(3)结构并在界面处发生发射，最后声波信号被双接收传感器(2)接收。

参考信号的获取模型示意图如图3所示，仿照图3建立二维仿真模型。在激励传感器(1)压电材料上极板施加中心频率为5mhz的单周期blak波，超声信号在水(4)中传播直至被双接收传感器(2)接收，其传播距离与反射/透射系数测量模型中的水声传播距离相同。

分别提取三个模型中接收传感器(2)采集到的时域信号，并对信号进行傅里叶变换，得到时域信号的频率-幅值谱。透射系数谱为透射信号频谱与参考信号频谱的比值，其仿真结果与理论结果的对比如图4所示。反射系数谱为反射信号频谱与参考信号频谱的比值，其仿真结果与理论结果的对比如图5所示。

本发明设计的板结构反射/透射系数的水浸超声无损测量模型，结构简单，操作便捷，可实现对板结构反射/透射系数的无损测量。