使用超声波平探头同时测量线粘弹性薄层材料多参数的方法
【专利摘要】本发明公开了一种使用超声波平探头同时测量线粘弹性薄层材料多参数的方法。其步骤为：1）将参考基体材料和线粘弹性薄层材料浸入水中，用超声波平探头位于其正上方并分别测得其反射回波s0(t)、s1(t)；2）对s0(t)、s1(t)进行低通滤波；3）对s1(t)中来自线粘弹性薄层材料上表面的回波s11(t)进行最佳估计以得到声阻抗的最优测量值Zm2，并将声阻抗等于Zm2时对应的s11(t)从s1(t)中减去；4）对s1(t)中来自线粘弹性薄层材料下表面的回波s12(t)进行最佳估计以得到渡越时间和衰减系数的最优测量值Δtm2和αm2。本发明避免了基于反射系数谱拟合的传统测量方法中经常出现的拟合收敛域问题，适合测量薄层材料的声学特性。
【专利说明】使用超声波平探头同时测量线粘弹性薄层材料多参数的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及薄层材料特性的超声波无损检测，尤其涉及一种使用超声波平探头同时测量线粘弹性薄层材料多参数的方法。
【背景技术】
[0002]如今超声波对薄层(包括薄膜和涂层)的无破坏性测量吸引了越来越多的关注。它在现代制造业、土木工程、食品和生物工程领域有着广泛的应用。由于利用超声手段能够同时连续测量薄层敏感地带的多种特性，对于薄层的声学和几何特性的定量测量具有非常显著的实用价值。
[0003]传统的超声波测量方法根据对三个未知属性的初步估计，使用曲线拟合技术最小化实验数据和理论值间的差值，进而实现薄线性粘弹性层的三个声学特性参数的测量。通过这种方式，Graciet和Hosten实现了对厚度、声速、衰减和密度的同时测量，但是此种方法不适用于基地材料和薄层上表面反射回波是互相重叠的薄层材料。Lavrentyev和Rokhlin曾提出过一个两步骤的反演技术来确定材料内部薄层的全套声学和几何特性参数，并采用这种方法去测定了刚性板的涂层特征。陈剑和居冰峰等人利用点聚焦换能器简化了测量仪器，并取得了薄层本身的声学和几何特性参数。为了得到薄层的声学特性参数，所有使用的方法都采用了曲线拟合技术。这类方法实际应用的最大缺陷在于:它要求测量者对处于收敛区域的三个未知参数进行比较准确的初始估计，如果初始估计值偏离参数的真实值较大时，即初始值不在拟合的收敛域范围之内时，就会导致错误的拟合结果。?’另一个问题在于，当实验采用的反射系数谱频率段不存在局部极小值时，难以得到很好的拟合结果。G.J.Yao导出了薄层的声阻抗、渡越时间、衰减系数的解析表达式，从这些表达式中，三个未知量可以被直接计算出，对于不同频率宽带(处于-3dB或-6dB内)的超声波回声的平均值计算都取得了合理的结果。然而，这种方法需在计算中设立多个频率间隔，以实现较小的相对误差，但是如果所发射的超声波脉冲不具有足够的频率宽度，测量结果将会受到严重影响。
[0004]在本文中，一项基于对时域超声波回波信号处理的新技术将被提及。它实现了同时对薄线性粘弹性层的声阻抗、渡越时间、衰减系数的测量，并且不需要很准确的初始值，克服了现有技术所存在的不足 。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种使用超声波平探头同时测量线粘弹性薄层材料多参数的方法。
[0006]使用超声波平探头同时测量线粘弹性薄层材料多参数的方法的步骤如下:
[0007]I)将薄层材料放置于参考基体材料表面，并置于盛有水的水槽中，开启与超声波平探头及计算机相连的超声波发射接收器；[0008]2)控制直线电机运动，使超声波平探头位于参考基体材料正上方，测量参考基体材料表面的超声波回波信号S(l(t)；
[0009]3)控制直线电机运动，使超声波平探头位于薄层材料伸出参考基体材料表面部分的正上方，即薄层材料上下表面完全浸在水中的部分，测量薄层材料的超声波回波信号
S1(t)；
[0010]4)分别对参考基体材料表面的超声波回波信号Stl (t)、薄层材料的超声波回波信号81(0进行低通滤波；
[0011]5)建立薄层材料的超声波回波模型:
【权利要求】
1.一种使用超声波平探头同时测量线粘弹性薄层材料多参数的方法，其特征在于方法的步骤如下: 1)将薄层材料(5)放置于参考基体材料(4)表面，并置于盛有水的水槽(6)中，开启与超声波平探头(I)及计算机(9)相连的超声波发射接收器(8)； 2)控制直线电机(2)运动，使超声波平探头(I)位于参考基体材料(4)正上方，测量参考基体材料(4)表面的超声波回波信号Stl(t)； 3)控制直线电机(2)运动，使超声波平探头(I)位于薄层材料(5)伸出参考基体材料(4)表面部分的正上方，即薄层材料(5)上下表面完全浸在水中的部分，测量薄层材料(5)的超声波回波信号S1 (t)； 4)分别对参考基体材料(4)表面的超声波回波信号Stl(t)、薄层材料(5)的超声波回波信号S1 (t)进行低通滤波； 5)建立薄层材料的超声波回波模型:
2.根据权利要求1所述的一种使用超声波平探头同时测量线粘弹性薄层材料多参数的方法，其特征在于所述的步骤6)为: 2.1)为薄层材料声阻抗Z2选取估计值Ze2，开始时选取该估计值的初始值为O，按下式计算来自薄层材料上表面的回波S11 (t)的估计值Sejll (t):
Sell (t) = F-1 [Rel2 ? S11(W)], Rel2 = (Ze2-Z1)/(ZeJZ1) ,sn(w) = F[S1(t)] 式中F[]为傅里叶变换，Fl]为傅里叶逆变换。 2.2)从薄层材料(5)的超声波回波信号Sl(t)中减去Sell⑴，得到去除Sell⑴后的剩余波形估计值Selrftl (t):Seleftl
(t) = S1 (t)-Sell (t) .2.3)记S1 (t)中来自薄层材料上表面的回波S11 (t)、来自薄层材料下表面的回波S12 (t)开始的时间分别为Vbiselrftl⑴中时间区间[t:t2]内波形完全消失时，将对应的Ze2作为薄层材料声阻抗的最优测量值Z1112，并将对应的Selrftl (t)记为去除Sell (t)后的剩余波形Sleftl (t);当不满足区间[t山]内波形完全消失的条件时，改变Ze2取值，重复步骤2.1)-步骤2.3)，直至得到Zm2和Sleftl⑴。
3.根据权利要求1所述的一种使用超声波平探头同时测量线粘弹性薄层材料多参数的方法，其特征在于所述的步骤7)为: .3.1)为渡越时间At2选取估计值Ate2,为薄层材料中超声信号衰减系数Ci2选取估计值a &开始时选取这两个估计值的初始值为O，按下式计算来自薄层材料下表面的回波.512(t)的估计值 sel2 (t):
【文档编号】G01N29/07GK103616439SQ201310486437
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年10月16日 优先权日:2013年10月16日
【发明者】居冰峰, 孙泽青, 白小龙, 孙安玉, 任赜宇, 陈剑 申请人:浙江大学