在高电压脉冲发生器发生的超声波的非线性测定方法与流程

本发明涉及在高电压脉冲发生器发生的超声波的非线性测定方法，更详细地，涉及利用超声波精确评价材料的强度特性以及热化程度等材料的特性的技术。

背景技术：

固体材料的非线性弹性特性是指，对于材料内原子间分子距离的作用应力表现物理非线性，实际上固体材料的原子间能量不具有和谐(harmonic)的特性，而是具有非和谐的特性。

具有规定频率的正弦波形的超声波具有充分的振幅并在具有非和谐特性的固体介质内传播的情况下，具有基本入射频率的超声波根据材料的非线性弹性特性，因局部的相位速度差异而产生失真，因此基本频率的情况下发生相当于整数倍的高次谐波成分。

材料被损伤之前和之后，获取谐波成分的大小或绝对非线性参数的大小变化，即可评价材料的损伤。

对于这种绝对非线性参数β，可通过以下数学式1进行定量化：

数学式1

其中，a1为基本频率成分的位移振幅，a2为二次谐波成分的位移振幅，k为波数，x为传播距离。

通过研究人员的研究，测定超声波非线性参数来诊断材料的微细损伤的技术得到了很多发展。根据这段时间的研究得知，材料的蠕变(creep)、因疲劳导致的位错(dislocation)、因高温的使用环境等而生成的析出物(precipitates)等与非线性参数具有密切的关联性。

用于测定绝对非线性参数而使用的现有的方法包括压电接收方法，其测定透射待检测物并接收的超声波的位移，对与透射待检测物的机械能相对应的位移振幅转换为与电能相对应的电信号的过程进行模型化，从而测定电信号，并以迂回方法测定超声波的位移振幅。

通常，压电接收方法通过以下的两个步骤的实验进行：谐波测定实验，在待检测物的两侧附着收发探头，并向待检测物内入射猝发音超声波信号来测定在待检测物内发生的谐波；以及校准(calibration)实验，为了补正在待检测物和探头的界面因耦合剂(couplant)发生的非线性并求出电信号转换为机械信号的转换函数，仅附着接收探头来执行。

以下数学式2，通过谐波测定实验求出iout(ω)，通过校准实验求出hout(ω1、ω2)，由此可求出基本频率的位移振幅a(ω1、ω2)和二次谐波的位移振幅a(ω1、ω2)。

数学式2

|a(ω1，ω2)|＝|hout(ω1，ω2)||/out(ω1，ω2)|

针对所测定的位移振幅a(ω1、ω2)，执行傅里叶逆变换(inversefouriertransform)，可算出基本频率的位移a1和作为二次谐波的位移振幅a2。

图1为用于说明谐波测定方法的附图。

参照图1，向探头入射的单一频率的电能pe，in(ω1)转换为单一频率的声能pa，in(ω1)，该声能在材料传播的过程中发生谐波成分。

由此发生的谐波成分和基本频率成分的声能pa，out(ω1、ω2)向接收探头入射而转换为电能pe，out(ω1、ω2)。在这种过程中，接收部的声能和电能的关系可由转换效率kr(ω)表示，整理pa，out(ω1、ω2)和pe，out(ω1、ω2)的关系如以下数学式3。

数学式3

如以下数学式4以及5，上述数学式3可整理成透射材料的超声波的位移振幅aout(ω1、ω2)和电流iout(ω1、ω2)的关系，由此求出以下数学式6的转换系数hout(ω1、ω2)，即可求出从测定的电信号透射待检测物并接收的超声波的位移振幅。

数学式4

其中，ω为频率，ω1为基本频率，ω2为二次谐波，iout为当测定谐波时从高电压脉冲发生器发生并透射材料而接收的猝发音电流信号，ρ为密度，v为超声波的速度，a为探头的面积，zs为脉冲发生器的阻抗。

数学式5

|aout(ω1，ω2)|＝|hout(ω1，ω2)||/out(ω1，ω2)|

数学式6

其中，ω为频率，ω1为基本频率，ω2为二次谐波，iout为当测定谐波时从高电压脉冲发生器发生并透射材料而接收的猝发音电流信号，ρ为密度，v为超声波的速度，a为探头的面积，zs为脉冲发生器的阻抗。

图2为用于说明校准测定方法的附图。

参照图2，将单一探头附着于试片，使电能p′e，cal-in(ω)入射来发生宽带的超声波，则所发生的超声波在材料的底面反射并通过探头重新转换为电能p′e，cal-out(ω)来接收。整理图2的p′e，cal-in(ω)和p′e，cal-out(ω)的关系如以下数学式7。

数学式7

p′e，cal-in(ω)＝kr(ω)²p′e，cal-out(ω)

其中，转换函数kr(ω)通过两接口转换器(two-porttransducer)的模型化表示为以下数学式8，利用转换函数kr(ω)整理上述数学式7，可从如以下数学式9收发的电压和电流求出转换系数hout(ω)，该转换系数补正因接收探头的附着而耦合剂导致的非线性，并将所测定的电信号转换为超声波的位移振幅。

数学式8

其中，ω为频率，iout为当测定谐波时从高电压脉冲发生器发生并透射材料而接收的猝发音电流信号，zl和zs为脉冲发生器的阻抗且具有相同的值，iin'(ω)为从宽带脉冲发生器向材料入射的电流信号，vin'(ω)为从宽带脉冲发生器向材料入射的电压信号，iout'(ω)为向材料入射的超声波在材料的底面反射后接收的电流信号，vout'(ω)为向材料入射的超声波在材料的底面反射后接收的电压信号。

数学式9

上述数学式中的prime(')是指校准中获取的信号，关于变数的说明如上所述。

图3a及图3b为用于说明绝对非线性参数的测定方法的附图，具体地，图3a为用于说明接收部的校准测定方法的附图，图3b为用于说明接收部的谐波测定方法的附图，绝对非线性参数通过图3a及图3b的两个步骤测定。

参照图3a，首先将10mhz的接收探头20附着于待检测物10，并利用电压探针30、电流探针40以及示波器110测定vin'、vout'、iin'、iout'信号来求出hout(ω)。

之后参照图3b，向上述待检测物10附着5mhz的发送探头21，并利用高电压脉冲发生器120发生猝发音信号。并且，在接收部接收作为猝发音信号的iout(ω)。

此时，可利用宽带的超声波脉冲发生接收器100来收发超声波信号。

通过由此测定的电流和电压，求出基本频率的位移振幅a1和二次谐波的位移振幅a2，并可通过以下数学式10求出绝对非线性参数(βout)。

数学式10

利用如上所述的现有的压电接收方法的绝对非线性参数测定方法中，在超声波接收部测定电流iout(ω)，并利用通过校准方法获取的转换系数hout(ω)来将其转换为位移振幅，由此测定接收部的非线性参数。

这种测定方法以从高电压脉冲发生器向材料入射的超声波中仅存在基本频率成分的假设作为前提。

图4为用于示出从发送部向材料入射的非线性的附图。

然而，如图4所示，实际上待检测物入射的超声波中除了基本频率成分，还包括谐波成分。因此，所接收的超声波不仅包括因材料而发生的谐波成分，而且包括高电压脉冲发生器中收发超声波时所发生的谐波成分。

通常，大部分研究人员为了去除发送信号的非线性，而利用在超声波发送部安装滤波器来去除从高电压脉冲发生器发送的谐波成分的方法，但至今还不能完全去除所发送的信号的谐波成分。

技术实现要素：

技术问题

现有的材料的热化测定领域中无法完全去除所发送的信号的谐波成分，由此测定的非线性参数中除了材料的非线性，还包括因高电压脉冲发生器而发生的非线性，因此无法看做纯材料的非线性参数。

本发明为了突破如上所述的限制，提供考虑从高电压脉冲发生器相材料入射的基本频率成分以及谐波成分来测定所发送的信号的非线性的方法。

为了达成如上所述的目的，根据本发明一实施例的在高电压脉冲发生器发生的超声波的非线性测定方法的特征在于，包括；接收部的校准步骤，与附着有接收探头的待检测物收发超声波信号；接收部的谐波测定步骤，向附着有收发探头的待检测物发送利用高电压脉冲发生器所发生的猝发音信号，并接收通过上述待检测物的猝发音信号；发送部的谐波测定步骤，向附着有发送探头的待检测物发送猝发音信号，并接收所发送的上述猝发音信号；发送部的校准步骤，与附着有发送探头的待检测物收发超声波信号；以及比较在上述接收部测定的基本频率及谐波成分和在上述发送部测定的基本频率及谐波成分，来测定上述待检测物的超声波的非线性。

并且，根据本发明一实施例中，利用宽带的超声波脉冲发生接收器来收发上述超声波信号。

并且，根据本发明一实施例中，上述接收部的谐波测定步骤包括在上述附着有接收探头的待检测物还附着发送探头的步骤。

并且，根据本发明一实施例中，上述发送部的谐波测定步骤包括从上述附着有收发探头的待检测物去除接收探头的步骤。

并且，根据本发明一实施例中，上述接收部的校准步骤中，从基于上述接收部的超声波信号收发的电压和电流测定由以下数学式11表示的转换系数：

数学式11

并且，根据本发明一实施例中，上述发送部的校准步骤中，从基于上述发送部的超声波信号收发的电压和电流测定由以下数学式15表示的转换系数：

数学式15

并且，根据本发明一实施例中，在上述接收部测定的基本频率及谐波成分是通过以下数学式16算出的：

数学式16

|aout(ω1，ω2）|＝|hout(ω1，ω2)||iout(ω1，ω2)|。

并且，根据本发明一实施例中，在上述发送部测定的基本频率及谐波成分是通过以下数学式17算出的：

数学式17

|ain(ω1，ω2）|＝|hin(ω1，ω2)||iin(ω1，ω2)|。

并且，根据本发明一实施例中，测定上述待检测物的超声波的非线性的步骤中，通过在上述接收部测定的基本频率成分和在上述发送部测定的基本频率成分之间的不同之处来测定上述待检测物的基本频率成分，通过在上述接收部测定的谐波成分和在上述发送部测定的谐波成分之间的不同之处来测定上述待检测物的谐波成分。

并且，根据本发明一实施例中，上述待检测物的基本频率成分及谐波成分分别为基本频率成分及二次谐波成分的位移振幅，上述待检测物的绝对非线性参数由以下数学式18表示：

数学式18

为了达成如上所述的目的，根据本发明一实施例的在高电压脉冲发生器发生的超声波的非线性测定方法的特征在于，包括；发送部的校准步骤，与附着有发送探头的待检测物收发超声波信号；发送部的谐波测定步骤，向附着有发送探头的待检测物发送猝发音信号，并接收所发送的上述猝发音信号；接收部的谐波测定步骤，向附着有收发探头的待检测物发送猝发音信号，并接收通过上述待检测物的猝发音信号；接收部的校准步骤，与附着有接收探头的待检测物收发猝发音信号；以及比较在上述接收部测定的基本频率及谐波成分和在上述发送部测定的基本频率及谐波成分，测定上述待检测物的超声波的非线性。

并且，根据本发明一实施例中，上述接收部的谐波测定步骤包括在上述附着有发送探头的待检测物还附着接收探头的步骤。

并且，根据本发明一实施例中，上述接收部校准步骤包括从上述附着有收发探头的待检测物去除发送探头的步骤。

技术效果

根据本发明，可测定现有的方法中测定的绝对非线性参数中包括的高电压脉冲发生器中发生的非线性，结果可定量测定材料的纯非线性参数。

由此，在现场精确诊断用于产业结构件的质量管理及安全管理的材料的强度变化及热化与否，可事先诊断产业结构件及尖端器件的潜在性破损危险性，从而可实现有效的结构件及器件的健全性维持管理。

附图说明

图1为用于说明谐波测定方法的附图；

图2为用于说明校准测定方法的附图；

图3a为用于说明接收部的校准测定方法的附图；

图3b为用于说明接收部的谐波测定方法的附图；

图4为用于示出从发送部向材料入射的非线性的附图；

图5为用于详细说明根据本发明一实施例的超声波的非线性测定方法的流程图；

图6为用于说明根据本发明一实施例的发送部的谐波测定步骤的附图；

图7为用于说明根据本发明一实施例的发送部的校准方法的的附图；

图8为用于详细说明根据本发明另一实施例的超声波的非线性测定方法的流程图；

图9a为用于说明根据本发明一实施例的发送部的谐波测定方法的附图；

图9b为用于说明根据本发明一实施例的发送部的校准测定方法的附图。

附图标记说明

10：待检测物20：接收探头

21：发送探头30：电压探针

40：电流探针100：脉冲发生接收器

110：示波器120：高电压脉冲发生器

具体实施方式

参照附图及以下详细说明的实施例，本发明的优点、特征以及其达成方法将会明确。

然而，本发明的并不局限于以下所公开的实施例，而可以其他各种形态实现，本实施例仅仅用于完善本发明的公开且让本发明所属领域的普通技术人员明确理解本发明的范围而提供的，本发明的范围应根据发明要求保护范围而定义。整篇说明书中相同的附图标记表示相同的结构要素。

以下，参照附图对本发明的实施例进行详细说明。

为了对材料的热化进行定量评价，以往通过绝对非线性参数测定方法来定量测定非线性参数，但这种测定方法在接收部将电信号转换为位移振幅，并测定接收部的非线性参数。

然而，通过上述方法在接收部测定的非线性参数除了材料的非线性，还包括高电压脉冲发生器中生成的非线性。

为了解决这种现有技术中的问题，本发明提供测定从高电压脉冲发生器向材料入射的基本频率成分(a1，in)以及谐波成分(a2，in)来测定所发送的信号的非线性(βin)的方法。

为此，以下关于所发送的信号中的谐波测定和校准方法，提出在发送部以电信号测定超声波的位移振幅的新的垂直模型化。

图5为用于详细说明根据本发明一实施例的超声波的非线性测定方法的流程图。

参照图5，首先接收部的标定步骤中，与附着有接收探头的待检测物收发超声波信号，优选地，利用宽带的超声波脉冲发生接收器来收发上述超声波信号。

上述接收部的标定步骤中，从基于上述接收部的超声波信号收发的电压和电流测定由以下数学式11表示的转换系数。

数学式11

其中，ω为频率，ρ为待检测物的密度，v为超声波的速度，a为探头的面积，iin'(ω)为从宽带脉冲发生器向材料入射的电流信号，vin'(ω)为从宽带脉冲发生器向材料入射的电压信号，iout'(ω)为向材料入射的超声波在材料的底面反射后接收的电流信号，vout'(ω)为向材料入射的超声波在材料的底面反射后接收的电压信号。

作为下一个步骤的接收部的谐波测定步骤中，向附着有收发探头的待检测物发送猝发音信号，并接收通过上述待检测物的猝发音信号，上述收发探头可包括发送探头以及接收探头。其中，优选地，利用高电压脉冲发生器来发生上述猝发音信号。

并且，上述接收部的谐波测定步骤可包括在上述附着有接收探头的待检测物还附着发送探头的步骤，上述接收探头可附着于上述待检测物的一侧面，上述发送探头可附着于上述待检测物的另一侧面。

作为下一个步骤的发送部的谐波测定步骤中，向附着有发送探头的待检测物发送猝发音信号，并接收所发送的上述猝发音信号。

其中，上述发送部的谐波测定步骤可包括从上述附着有收发探头的待检测物去除接收探头的步骤。

图6为用于说明根据本发明一实施例的发送部的谐波测定步骤的附图。

现有的绝对非线性测定方法中，假设向发送探头入射的电能中不存在超声波的非线性，但参照图6可知，通常所发送的电能pe，in(ω1、ω2)中存在非线性。

因此，向材料入射的声能pa，in(ω1、ω2)也包括非线性。

利用转换效率kr(ω)整理上述电能和上述声能的关系，如以下数学式12。

数学式12

pa，in(ω1，ω2）＝pe，in(ω1，ω2）kr(w)

如以下数学式13，上述数学式12可整理成透射材料的超声波的位移振幅a(ω1、ω2)和电流iin(ω)的关系。

数学式13

其中，ω为频率，ω1为基本频率，ω2为二次谐波，ρ为密度，v为超声波的速度，a为探头的面积，iin为当测定谐波时从高电压脉冲发生器发生并向材料入射的猝发音电流信号，zs为脉冲发生器的阻抗。

作为下一个步骤的发送部的标定步骤中，与附着有发送探头的待检测物收发超声波信号。

图7为用于说明根据本发明一实施例的发送部的校准方法的的附图。

将单一探头附着于试片，使电能pe，cal-in(ω)入射来发生宽带的超声波，则所发生的超声波在材料的底面反射并通过探头重新转换为电能pe，cal-out(ω)来接收。

整理图7的pe，cal-in(ω)和pe，cal-out(ω)的关系如以下数学式14。

数学式14

pe，cal-in(ω)＝kr(ω)²pe，cal-out(ω)

其中，通过两接口转换器(two-porttransducer)的模型化整理该关系式，如数学式15，可从收发的电压和电流求出转换系数hin(ω)，这与在接收部通过校准求出的hout(ω)具有不同的值。

上述发送部的标定步骤中，从基于上述发送部的超声波信号收发的电压和电流测定由以下数学式15表示的转换系数。

数学式15

其中，ω为频率，ρ为密度，v为超声波的速度，a为探头的面积，zs为脉冲发生器的阻抗。

该转换系数补正因发送探头的附着而耦合剂导致的非线性，并将所测定的电信号转换为超声波的位移振幅。

作为下一个步骤的测定上述待检测物的超声波的非线性的步骤中，比较在上述接收部测定的基本频率及谐波成分和在上述发送部测定的基本频率及谐波成分。

在上述接收部测定的基本频率及谐波成分可通过以下数学式16算出，以下数学式16可通过上述数学式13算出。

数学式16

|aout(ω1，ω2）|＝|hout(ω1，ω2)||iout(ω1，ω2)|，

其中，ω1为基本频率，ω2为二次谐波，iout为当测定谐波时从高电压脉冲发生器发生并透射材料而接收的猝发音电流信号。

在上述发送部测定的基本频率及谐波成分可通过以下数学式17算出。

数学式17

|ain(ω1，ω2）|＝|hin(ω1，ω2)||iin(ω1，ω2)|，

其中，ω1为基本频率，ω2为二次谐波，iin为当测定谐波时从高电压脉冲发生器发生并向材料入射的猝发音电流信号。

测定上述待检测物的超声波的非线性的步骤中，通过在上述接收部测定的基本频率成分和在上述发送部测定的基本频率成分之间的不同之处，来测定上述待检测物的基本频率成分，并通过在上述接收部测定的谐波成分和在上述发送部测定的谐波成分之间的不同之处，来测定上述待检测物的谐波成分。

其中，上述待检测物的基本频率成分及谐波成分分别为基本频率成分以及二次谐波成分的位移振幅，上述待检测物的绝对非线性参数由以下数学式18表示。

数学式18

其中，a1为基本频率成分的位移振幅，a2为二次谐波成分的位移振幅，k为波数，x为传播距离。

图8为用于详细说明根据本发明另一实施例的超声波的非线性测定方法的流程图。

参照图8，根据本发明另一实施例的超声波的非线性测定方法可包括：发送部的校准步骤，与附着有发送探头的待检测物收发超声波信号；发送部的谐波测定步骤，向附着有发送探头的待检测物发送猝发音信号，并接收所发送的上述猝发音信号；接收部的谐波测定步骤，向附着有收发探头的待检测物发送猝发音信号，并接收通过上述待检测物的猝发音信号；接收部的校准步骤，与附着有接收探头的待检测物收发猝发音信号；以及比较在上述接收部测定的基本频率及谐波成分和在上述发送部测定的基本频率及谐波成分，测定上述待检测物的超声波的非线性。

图8所示的流程图与图5所示的流程图相比，只是各步骤的顺序不同，内容相同。

随着各步骤的顺序发生变化，上述接收部的谐波测定步骤可包括在上述附着有发送探头的待检测物还附着接收探头的步骤，上述接收部校准步骤可包括从上述附着有收发探头的待检测物去除发送探头的步骤。

以下，参照附图对本发明的实施例进行详细说明。

图9a及图9b为用于说明根据本发明一实施例的在高电压脉冲发生器发生的超声波的非线性测定方法的附图。

具体地，图9a为用于说明根据本发明一实施例的发送部的谐波测定方法的附图，图9b为用于说明根据本发明一实施例的发送部的校准测定方法的附图。

根据本发明一实施例的接收部的校准测定方法及根据本发明一实施例的接收部的谐波测定方法与上述图3a及图3b相同。

参照图3a，首先将与试片(specimen)相对应的待检测物的一面附着10mhz的接收探头。接收探头使用无非线性的单晶体linbo3。

与上述附着有接收探头的待检测物收发超声波信号，可利用宽带的超声波脉冲发生接收器(pulserreceiver)来收发上述超声波信号。

利用电压探针(voltageprobe)、电流探针(currentprobe)以及示波器(oscilloscope)测定vin'、vout'、iin'、iout'信号来求出hout(ω)。

参照图3b，向上述待检测物的另一面附着5mhz的发送探头，利用高电压脉冲发生器发生猝发音信号(toneburstsignal)。

上述猝发音信号(iout)通过上述待检测物，由电流探针以及示波器测定出。

参照图9a，为了在发送部测定非线性参数，而去除附着于上述待检测物10的接收探头。

向去除上述接收探头后附着有发送探头21的待检测物10，利用高电压脉冲发生器120发送猝发音信号，所发送的上述猝发音信号可由电流探针40以及示波器110测定出。

参照图9b，与附着有上述发送探头21的待检测物10收发超声波信号，可利用宽带的超声波脉冲发生接收器100(pulserreceiver)收发上述超声波信号。

电压探针30(voltageprobe)、电流探针40(currentprobe)以及示波器110(oscilloscope)测定vin'、vout'、iin'、iout'信号来求出hin(ω)。

通过由此测定的电流和电压，在发送部和接收部求出基本频率的位移振幅a1和二次谐波的位移振幅a2，并比较在发送部和接收部测定的基本频率成分和谐波成分的大小，由此可精确测定待检测物的非线性参数。

本发明的实施例包括计算机可读介质，其包括用于执行可由计算机执行的各种操作的程序指令。上述计算机可读介质可单独或组合包括程序指令、本地数据文件、本地数据结构等。上述介质可使用为本发明特意设计的或者对于计算机软件领域的普通技术人员而言的公知的。计算机可读介质的例包括硬盘、软盘及磁盘等磁性介质；cd-rom、dvd等光记录介质；光磁软盘等磁-光介质；以及rom、ram、闪存等用于存储及执行程序指令而特意设计的硬件装置。程序指令的例包括由编译程序形成的机械语言代码、使用翻译器等而由计算机执行的高级语言代码。

如上所述，在附图和说明书公开了最佳实施例。其中使用了特定术语，但这只是用于说明本发明，并不是用于限制意思或限制发明要求保护范围中所记载的本发明的范围。因此，本领域普通技术人员可理解能够得出各种变形及等同的其他实施例。因此，本发明的真正的技术保护范围应根据发明要求保护范围的技术思想而定。