专利名称：基于声压反射系数相位谱的涂层密度超声测量方法
技术领域：
本发明涉及一种基于声压反射系数相位谱的涂层密度超声测量方法，其属 于材料超声无损检测与评价技术领域。
背景技术：
迄今为止，尚未见到可直接用于测量涂层密度的实用化超声无损测量方 法。涂层的特点是涂层厚度较薄(微米级)；涂层与基体形成多界面结构， 这两个特点增加了超声测量涂层密度的困难。目前，涂层密度的超声测量可由 激光激发表面波测量涂层中的相速度频散曲线后，结合数值拟合的方法实现， 如美国学者Krishnaswamy等人在"Ultrasonic characterization of mechanical properties of Cr匪and W國doped diamond-like carbon hard coatings" —文中所述， 但激光超声系统价格昂贵且仅限于实验室研究；另外还可以通过测量涂层中的 超声传递函数并结合参数估计法对密度进行估计，如美国学者Kinra等人在 "Ultrasonic nondestructive evaluation of thin (sub-wavelength) coatings" —文中 所述，但这种方法仅适用于均质性涂层。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于声压反射系数相位谱的涂层密度超声测量 方法，它对于均质和非均质涂层的密度测量均适用。
本发明的技术方案是 一种基于声压反射系数相位谱的涂层密度超声测量 方法，包括由超声探伤仪、超声窄脉冲水浸聚焦探头、涂层试样、水槽、数字 示波器以及计算机组成的窄脉冲超声水浸聚焦回波系统。它采用的测量步骤如 下
(l)利用所述系统向涂层试样垂直发射超声信号并采集一个由涂层表面反射信号和涂层与基体界面反射信号所组成的混叠信号；
(2) 利用所述系统采集一个标准试块的表面回波信号；
(3) 对所述(1)和(2)采集到的试样信号和标准信号进行分别FFT变换，
得到相应的频域信号的实部和虚部数据；
(4) 将试样信号和标准信号的实部和虚部数据代入到公式1中，得到涂层
试样的声压反射系数相位谱，公式l:
釘)=J Im[S(/)] Re[S。 (/)] - Re[S(/)]' Im[S。 (/)] —V Re[,. Re[S。 (/)] - Im[S(/)〗.Im[S。 (/)]
其中卩(/)表示相位，S(/)和S。(/)分别表示涂层试样和标准试块回波信号的频
域形式，Im[S(/)]和Im[S。(/)]分别表示涂层试样和标准试块回波信号经FFT后得
到的虚部数据，Re[S(/)]和Re[S。(/)]分别表示涂层试样和标准试块回波信号经
FFT后得到的实部数据；
(5) 当水和基体的声阻抗以及涂层的厚度、衰减系数和纵波声速已知时， 根据所得声压反射系数相位谱读取相位极值的大小，将其代入到公式2中，可 以计算出涂层的密度A，公式2:
)=--
Dc^私)-z;2赋+/^(± 私2-A2抓他2扭/w)+2f]cosf^^]ex沐2a(士/wyi+l/^柳-《]K2-a咏揚x病土厶M
其中-(-A)和W+A)分别表示频率-厶和+厶所对应的相位极
值，±^=/ ±4/;、厶表示谐振频率，它所对应的相位值为零，A/"表示谐振频 率与其相邻相位极值所对应频率间的差值，这四个值均可在相位谱中直接获
得，Z。Z;分别表示水和基体的声阻抗，^、 A分别表示涂层的厚度和密
度，6(±厶)和"(±厶)分别表示±^频率所对应的涂层纵波声速和衰减系数。
先将涂层试样置于水槽内，进行系统连接及仪器校正后，借助超声波探伤 仪，利用超声窄脉冲水浸聚焦探头，向涂层试样发射、接收声波，借助数字示 波器观察波形和采集波形数据。在超声波探伤用标准试块上重复上述过程，采 集一个标准试块的表面回波信号。对被测涂层与标准试块的回波信号分别进行
4快速傅立叶变换(FFT)，得到相应的信号的实部和虚部数据；将涂层试样与标 准试块回波信号的实部和虚部数据代入到公式1，得到涂层试样的声压反射系
数相位谱。利用所建立的涂层密度A与涂层反射系数相位谱极值之间的公式2，
当水和基体的声阻抗以及层的厚度、衰减系数和纵波声速己知时，根据实验相 位谱中的极值大小可计算涂层的密度A。
本发明的有益效果是这种基于声压反射系数相位谱的涂层密度超声测量 方法使用由超声探伤仪、超声窄脉冲水浸聚焦探头、涂层试样、水槽、数字示 波器以及计算机组成的窄脉冲超声水浸聚焦回波系统。首先利用该系统向涂层 试样垂直发射超声信号并采集一个涂层表面反射信号和涂层与基体界面反射 信号所组成的混叠信号，再利用该系统采集一个标准试块的表面回波信号，对
采集到的试样信号和标准信号分别进行FFT变换，得到相应的频域信号的实部 和虚部数据，最后通过公式计算出涂层密度。利用1 20MHz的超声对涂层密度 进行测量，也可扩展用于其它均质或非均质涂层的密度测量。本方法不受涂层 材质及其均匀性程度的限制，所用设备简单、可操作性强、成本低，易于实用 化，测量精度高，可重复性好，具有较大的经济效益和社会效益。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是一种基于声压反射系数相位谱的涂层密度超声测量装置的系统原理图。
图2是原始ZrCV7。/。Y203和强流脉冲离子束(HIPIB)辐照1次、5次涂 层的超声声压反射系数相位谱实验结果。
图3是原始Zr02-7%Y203涂层横截面的扫描电镜照片。 图4是强流脉冲离子束(HIPIB)辐照1次涂层橫截面的扫描电镜照片。 图5是强流脉冲离子束(HIPIB)辐照5次涂层横截面的扫描电镜照片。 图中1、超声波探伤仪，2、超声窄脉冲水浸聚焦探头(标称频率10MHz)，3、涂层试样，4水槽，5数字示波器，6计算机。
具体实施例方式
图1所示测量装置进行系统连接及仪器校正后，借助超声波探伤仪l，采 用晶片直径11.4 mm、标称频率10 MHz的超声窄脉冲水浸聚焦探头2向被测 Zr02-7%Y203涂层试样3发射和接收超声波(涂层试样3至于水槽4内)，借 助TDS-2012数字示波器5完成波形观察和数据采集。在超声波探伤用标准试 块上重复上述过程，采集一个标准试块的表面回波信号。利用计算机6对被测 涂层与标准试块的回波信号分别进行FFT变换，得到相应信号的实部和虚部数 据；将涂层试样3与标准试块回波信号的实部和虚部数据代入到公式1，得到 涂层试样3的声压反射系数相位谱。如图2所示其中曲线1是原始 Zr02-7^Y203涂层的声压反射系数相位谱，其涂层横截面的扫描电镜照片示于 图3;曲线2是强流脉冲离子束(fflPIB)辐照1次涂层的声压反射系数相位 谱，其涂层横截面的扫描电镜照片示于图4;曲线3是强流脉冲离子束(HIPIB) 辐照5次涂层的声压反射系数相位谱，其涂层横截面的扫描电镜照片示于图5。 利用所建立的涂层密度A与涂层试样的声压反射系数相位谱极值之间的公式 2，当水和GH33基体的声阻抗以及层的厚度/衰减系数和纵波声速已知时，根 据实验相位谱中的极值大小可计算出原始Zr02-7°/。Y203涂层的密度^为 4.79 4.92 g/cm3。同理，再分别对强流脉冲离子束(fflPIB)辐照1次和5次 的ZrO2-7。/。Y2O3涂层的密度进行了测量，依次为4.88 5.04和5.06 5.21g/cm3。
利用本方法测得三种涂层试样密度的结果与阿基米德法测量结果的相对误差 范围为2.43 3.46%。
权利要求
1、一种基于声压反射系数相位谱的涂层密度超声测量方法，包括由超声探伤仪(1)、超声窄脉冲水浸聚焦探头(2)、涂层试样(3)、水槽(4)、数字示波器(5)以及计算机(6)组成的窄脉冲超声水浸聚焦回波系统，其特征在于它采用的测量步骤如下(1)利用所述系统向涂层试样垂直发射超声信号并采集一个由涂层表面反射信号和涂层与基体界面反射信号所组成的混叠信号；(2)利用所述系统采集一个标准试块的表面回波信号；(3)对所述(1)和(2)采集到的试样信号和标准信号进行分别FFT变换，得到相应的频域信号的实部和虚部数据；(4)将试样信号和标准信号的实部和虚部数据代入到公式1中，得到涂层试样的声压反射系数相位谱，公式1其中φ(f)表示相位，S(f)和分别表示涂层试样和标准试块回波信号的频域形式，Im[S(f)]和分别表示涂层试样和标准试块回波信号经FFT后得到的虚部数据，Re[S(f)]和分别表示涂层试样和标准试块回波信号经FFT后得到的实部数据；(5)当水和基体的声阻抗以及涂层的厚度、衰减系数和纵波声速已知时，根据所得声压反射系数相位谱读取相位极值的大小，将其代入到公式2中，可以计算出涂层的密度ρ2，公式2其中φ(-fN)和φ(+fN)分别表示频率-fN和+fN所对应的相位极值，±fN＝fn±Δfn、fn表示谐振频率，它所对应的相位值为零，Δfn表示谐振频率与其相邻相位极值所对应频率间的差值，这四个值均可在相位谱中直接获得，z1、z3分别表示水和基体的声阻抗，d、ρ2分别表示涂层的厚度和密度，c2(±fN)和α(±fN)分别表示±fN频率所对应的涂层纵波声速和衰减系数。
全文摘要
一种基于声压反射系数相位谱的涂层密度超声测量方法，属于材料超声无损检测与评价技术领域。该方法使用由超声探伤仪、超声窄脉冲水浸聚焦探头、涂层试样、水槽、数字示波器以及计算机组成的窄脉冲超声水浸聚焦回波系统。首先利用该系统采集一个由涂层表面反射信号和涂层与基体界面反射信号所组成的混叠信号，再利用该系统采集一个标准试块的表面回波信号，对采集到的试样信号和标准信号分别进行FFT变换，得到实部和虚部数据，最后计算出涂层密度。利用1～20MHz的超声对涂层密度进行测量，也可扩展用于其它均质或非均质涂层的密度测量。本方法不受涂层材质及其均匀性程度的限制，所用设备简单、可操作性强、成本低，易于实用化，测量精度高，重复性好。
文档编号G01N9/24GK101451944SQ200810230360
公开日2009年6月10日 申请日期2008年12月25日 优先权日2008年12月25日
发明者李喜孟, 莉 林, 扬 赵, 雷明凯 申请人:大连理工大学