一种高温材料定向凝固过程中的声场测定方法及装置与流程

本发明属于声场测定技术领域，具体涉及一种高温材料定向凝固过程中的声场测定方法及装置。

背景技术：

振动凝固是对凝固过程中的材料液施加振动，使铸件结晶组织因受振动而细化，铸件残余应力降低并均匀化，力学性能提高；振动在材料凝固领域中的应用研究引起了人们的广泛重视。sokolov在1935年第一次采用高频装置对纯金属凝固过程施加振动。同一时期，loomis等人分别研究了在金属和有机物的凝固过程中施加超声振动的规律，eskin等人对超声场中金属凝固规律进行了探索。

因为超声波具有很高的频率，同时具有很高的能量，会在高温材料熔体中发生空化和声流等一系列非线性效应，对细化合金组织有良好的作用。但是，在传统的高温材料凝固过程中，人们只是凭经验对待凝固的高温材料溶液施加一定的超声振动，进而影响其凝固过程。由于高温材料熔体的温度很高，超出了声信号检测传感器的工作温度范围，所以对于所施加的超声振动在合金熔体中的分布以及声压跟高温材料的凝固过程之间的关系缺乏定量的分析和表征，严重制约了振动凝固技术的发展。

定向凝固是材料凝固过程控制一种重要方式，通过控制传热的方向，使得固相沿着某一方向生长，即凝固界面定向推移。最终凝固组织的特性主要由液固界面的演化过程决定。因此，在施加超声振动的凝固过程中，对界面前沿液相中的超声场进行检测对于优化超声处理工艺和阐明超声场下的凝固组织形成机制具有重要意义。工业生产中的定向凝固，多采用浇铸模具一端冷却法，其高温材料定向凝固界面也不断推移。为了能持续的对高温材料定向凝固界面的声场分布进行测定，不仅需要能够适用于高温环境中的声信号检测传感器，还要声信号检测传感器能够随着高温材料定向凝固界面的推进而移动，现有技术中缺乏能够实现这种功能的声场测定装置及方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种高温材料定向凝固过程中的声场测定装置，其结构简单，设计新颖合理，能够在高温环境中持续地对高温材料定向凝固界面的声场分布进行测定，解决了现有技术中缺乏能够适用于高温环境中的声信号检测传感器，以及声信号检测传感器不能随着高温材料定向凝固界面的推进而移动的问题，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高温材料定向凝固过程中的声场测定方法及装置，包括高温声信号检测传感器、高温材料定向凝固界面追踪系统和数据采集处理系统，所述高温声信号检测传感器包括水听器和用于伸入材料高温液相内的波导杆，以及上部套装在水听器上、下部套装在波导杆上的耦合剂套筒，所述耦合剂套筒的中部空间为耦合剂腔，所述耦合剂腔内填充有声波耦合剂，所述水听器的感应元件设置在声波耦合剂中；所述高温材料定向凝固界面追踪系统包括设置在波导杆外壁上且用于对材料高温液相的温度进行检测的测温头和与测温头的输出端连接的温控器，以及位移控制器和用于带动所述高温声信号检测传感器向上或向下移动的升降机，所述升降机通过夹持臂夹持在耦合剂套筒上，所述位移控制器与温控器的输出端连接，所述升降机与位移控制器的输出端连接；所述数据采集处理系统包括依次连接的信号放大器、信号采集卡和计算机，所述水听器的电信号输出端与信号放大器的输入端连接。

上述的一种高温材料定向凝固过程中的声场测定装置，所述测温头的底端与波导杆的底端相平齐。

上述的一种高温材料定向凝固过程中的声场测定装置，所述波导杆由耐高温材料制成。

上述的一种高温材料定向凝固过程中的声场测定装置，所述波导杆由石英材料或陶瓷材料制成。

上述的一种高温材料定向凝固过程中的声场测定装置，所述耦合剂套筒上部内壁与水听器外壁之间设置有第一密封圈，所述耦合剂套筒下部内壁与波导杆外壁之间设置有第二密封圈。

上述的一种高温材料定向凝固过程中的声场测定装置，所述声波耦合剂为胶状声波耦合剂、油性声波耦合剂或水性声波耦合剂。

本发明还公开了一种方法步骤简单、实现方便、能够实现高温声信号检测传感器的底面(即波导杆的底面)对高温材料定向凝固过程界面的追踪、能持续地对高温材料定向凝固界面的声场分布进行测定的高温材料定向凝固过程中的声场测定方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、声场测定装置的安装，具体过程为：

步骤101、将测温头固定在波导杆外壁上，且使测温头的底端与波导杆的底端相平齐；

步骤102、将升降机通过夹持臂夹持在耦合剂套筒上；

步骤103、将所述高温声信号检测传感器的波导杆浸入材料高温液相中；

步骤二、高温材料定向凝固过程声场测定：波导杆将高温液态介质或腐蚀性液态介质内的声信号传输到声波耦合剂中；声信号在声波耦合剂中传播并被水听器感知；将水听器输出的电信号传输给数据采集处理系统；

步骤二的过程中，测温头对材料高温液相的温度进行实时检测并将检测到的温度信号输出给温控器，温控器将测温头的检测温度值t与预先设定的控制温度ta相比较，并将温度比较结果输出给位移控制器，位移控制器根据温度比较结果控制升降机不动、向上或向下移动，升降机向上或向下移动时，带动所述高温声信号检测传感器向上或向下移动，使所述高温声信号检测传感器的底面始终保持在控制温度ta对应的位置处，与高温材料定向凝固界面保持恒定距离，实现对材料定向凝固过程中高温材料定向凝固界面的追踪，使波导杆始终传导高温材料定向凝固界面前沿固定距离处液相中的声信号；

步骤三、数据采集处理系统对水听器输出的电信号进行处理，得到声场信息。

上述的方法，步骤二中所述预先设定的控制温度ta大于材料凝固温度ts，步骤二中所述温度比较结果为t>ta、t＝ta或t<ta，步骤二中所述位移控制器根据温度比较结果控制升降机向上或向下移动的具体方法为：当温度比较结果为t>ta时，位移控制器控制升降机向下移动，直至t＝ta；当温度比较结果为t＝ta时，位移控制器控制升降机不动；当t<ta时，位移控制器控制升降机向上移动，直至t＝ta。

上述的方法，所述信号采集卡的输入端接有设置在声波耦合剂内且用于对声波耦合剂内的温度进行实时检测的温度传感器；步骤三中所述数据采集处理系统对水听器输出的电信号进行处理，得到高温液态介质或腐蚀性液态介质内的声场信息的具体过程为：

步骤301、所述数据采集处理系统对水听器输出的电信号进行傅里叶变换处理，得到声场能量的频域分布f1、f2、…、fn，其中fn为对应频率fn处的声场能量，n的取值为1～n，n为发射声源发射频率的总个数且n为大于1的正整数；

步骤302、所述数据采集处理系统使用与频率有关的传递函数分别对频率f1、f2、…、fn处的声场能量f1、f2、…、fn进行衰减补偿，得到衰减补偿后频率f1、f2、…、fn处的声场能量f′1、f′2、…、f′n；其中，与频率fn有关的传递函数为h(fn)＝kn*δ(fn)+αn,m*δ(cm)+γ，对频率fn处的声场能量fn进行衰减补偿采用的公式为f′n＝fn+h(fn)；δ为狄拉克德尔塔函数，kn为对应于频率fn的能量衰减绝对值，αn,m为对应于频率fn的与温度cm有关的修正值，cm为与声波耦合剂的温度相对应的确定传递函数h(fn)时设定的第m个水温值，γ为与波导杆的材质有关的声衰减修正值；

所述与频率fn有关的传递函数h(fn)的确定方法为：

步骤3021、在消声水池或广阔水域中，使用标准发射声源、测量级标准水听器和用于实现声场测定方法的声场测定系统构建标定系统，其中，测量级标准水听器和用于实现声场测定方法的声场测定系统布放于以标准发射声源为圆心、半径为1米的圆周上；

步骤3022、标准发射声源分别发射频率为f1、f2、…、fn的正弦波声信号，分别记录测量级标准水听器与声场测定系统的输出，将对应于频率fn的声场测定系统的输出与测量级标准水听器的输出之间的差值的绝对值记为kn；且在频率f1、f2、…、fn上，分别测量水温c1、c2、…、cm下测量级标准水听器与声场测定系统的输出，将对应于频率fn和水温cm的声场测定系统的输出与测量级标准水听器的输出之间的差值记为αn,m；m的取值为1～m，m为设定的水温的总个数且m为大于1的正整数；

步骤3023、采用比较法对声场测定系统进行标定，得到与频率fn有关的传递函数h(fn)＝kn*δ(fn)+αn,m*δ(cm)+γ。

步骤303、所述数据采集处理系统对衰减补偿后频率f1、f2、…、fn处的声场能量f′1、f′2、…、f′n进行记录。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的一种高温材料定向凝固过程中的声场测定装置，结构简单，设计新颖合理，一方面，高温声信号检测传感器中，通过采用耦合剂套筒连接波导杆和水听器，能够使用耐高温波导杆将待检测材料高温液相内的声信号导入声波耦合剂中，在信号传导的同时，实现了高温环境的隔离；在常温的声波耦合剂中，声信号最终由常规水听器进行采集，获取声波测定数据；另一方面，高温材料定向凝固界面追踪系统中，通过设置测温头、温控器、位移控制器和升降机，能够实现高温声信号检测传感器的底面(即波导杆的底面)对高温材料定向凝固过程界面的追踪，能持续地对高温材料定向凝固界面的声场分布进行测定，解决了现有技术中缺乏能够适用于高温环境中的声信号检测传感器，以及声信号检测传感器不能随着高温材料定向凝固界面的推进而移动的问题。

2、本发明的高温声信号检测传感器，通过设置第一密封圈和第二密封圈，能够有效防止声波耦合剂泄露，不仅能够保证声信号检测传感器的检测精度，还能避免对被测液态介质造成污染。

3、本发明的高温材料定向凝固过程声场测定方法，方法步骤简单，实现方便，能够实现高温声信号检测传感器的底面(即波导杆的底面)对高温材料定向凝固过程界面的追踪，能持续地对高温材料定向凝固界面的声场分布进行测定，解决了现有技术无法持续地对高温材料定向凝固界面的声场分布进行测定的问题。

4、采用本发明记录的声信号数据，能够用于对所施加的超声振动在合金熔体中的分布以及声压跟高温材料的凝固过程之间的关系进行定量分析和表征，有助于推动振动凝固技术的发展，本发明的实用性强，使用效果好，便于推广使用。

综上所述，本发明的设计新颖合理，实现方便，能够在高温环境中持续地对高温材料定向凝固界面的声场分布进行测定，解决了现有技术中缺乏能够适用于高温环境中的声信号检测传感器，以及声信号检测传感器不能随着高温材料定向凝固界面的推进而移动的问题，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明高温材料定向凝固过程中的声场测定装置的结构示意图。

图2为本发明高温材料定向凝固过程中的声场测定装置的使用状态示意图。

图3为本发明高温材料定向凝固过程声场测定方法的方法流程框图。附图标记说明:

1—材料高温液相；2—波导杆；3—耦合剂套筒；

4—声波耦合剂；5—水听器；5-1—感应元件；

6—温控器；7—耦合剂腔；8—隔热板；

9—第一密封圈；10—第二密封圈；11—位移控制器；

12—升降机；13—测温头；14—高温材料定向凝固界面；

15—材料固相；16—信号放大器；17—信号采集卡；

18—计算机；19—温度传感器。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明的高温材料定向凝固过程中的声场测定方法及装置，包括高温声信号检测传感器、高温材料定向凝固界面追踪系统和数据采集处理系统，所述高温声信号检测传感器包括水听器5和用于伸入材料高温液相1内的波导杆2，以及上部套装在水听器5上、下部套装在波导杆2上的耦合剂套筒3，所述耦合剂套筒3的中部空间为耦合剂腔7，所述耦合剂腔7内填充有声波耦合剂4，所述水听器5的感应元件5-1设置在声波耦合剂4中；所述高温材料定向凝固界面追踪系统包括设置在波导杆2外壁上且用于对材料高温液相1的温度进行检测的测温头13和与测温头13的输出端连接的温控器6，以及位移控制器11和用于带动所述高温声信号检测传感器向上或向下移动的升降机12，所述升降机12通过夹持臂夹持在耦合剂套筒3上，所述位移控制器11与温控器6的输出端连接，所述升降机12与位移控制器11的输出端连接；所述数据采集处理系统包括依次连接的信号放大器16、信号采集卡17和计算机18，所述水听器5的电信号输出端与信号放大器16的输入端连接。

所述材料高温液相1的温度范围为500℃～2000℃。

具体实施时，所述水听器5的电信输出线位于耦合剂套筒3上方。所述耦合剂套筒3为上端开口与水听器5相配合、下端开口与波导杆2相配合、中部空间与上端开口和下端开口相连通的管状物。所述耦合剂套筒3需要有一定的机械强度，是用于整个高温声信号检测传感器固定的部位。

具体实施时，所述升降机12带动耦合剂套筒3向上或向下移动，进而带动所述高温声信号检测传感器整体向上或向下移动，用于实现所述高温声信号检测传感器的底面(即波导杆2的底面)对高温材料定向凝固过程界面的追踪。

本实施例中，所述测温头13的底端与波导杆2的底端相平齐。

对于任何材料的定向凝固过程，高温材料定向凝固过程界面前沿存在温度梯度，液相一侧远离高温材料定向凝固过程界面时，温度将由凝固温度ts(对于特定材料，其凝固温度ts是一个确定值)逐渐升高。因此，采用与波导杆2的底端相平齐的测温头13进行温度实时探测，能够实现高温声信号检测传感器的底面(即波导杆2的底面)对高温材料定向凝固过程界面的追踪，使波导杆2的底面与高温材料定向凝固过程界面之间的距离恒定，能持续地对高温材料定向凝固界面的声场分布进行测定。

本实施例中，所述波导杆2由耐高温材料制成。

本实施例中，所述波导杆2由石英材料或陶瓷材料制成。

具体实施时，采用的波导杆2必须在被检测的材料高温液相1温度下具有良好的声信号(机械波)传导性能，例如，800℃材料高温液相1，可以采用耐温1200℃以上的石英材料的波导杆2。

具体实施时，所述波导杆2的长度与待检测的材料高温液相1的温度有关，对于同种材质的波导杆2，待检测的材料高温液相1的温度越高，波导杆2越长，待检测的材料高温液相1的温度越低，波导杆2越短。

本实施例中，所述耦合剂套筒3上部内壁与水听器5外壁之间设置有第一密封圈9，所述耦合剂套筒3下部内壁与波导杆2外壁之间设置有第二密封圈10。

具体实施时，所述第一密封圈9和第二密封圈10均采用橡胶密封圈，通过设置第一密封圈9和第二密封圈10，能够有效防止声波耦合剂4泄露，不仅能够保证高温声信号检测传感器的检测精度，还能避免对被测液态介质造成污染。

本实施例中，所述声波耦合剂4为胶状声波耦合剂、油性声波耦合剂或水性声波耦合剂。

具体实施时，所述水听器5的感应元件5-1设置在声波耦合剂4中，即将水听器5的感应元件5-1完全浸入声波耦合剂4中。所述声波耦合剂4能够高效传播声信号。

具体实施时，所述水听器5为压电水听器、磁致伸缩水听器和光纤水听器等类型的常规水听器。

如图3所示，本发明的高温材料定向凝固过程声场测定方法，包括以下步骤：

步骤一、声场测定装置的安装，具体过程为：

步骤101、将测温头13固定在波导杆2外壁上，且使测温头13的底端与波导杆2的底端相平齐；

步骤102、将升降机12通过夹持臂夹持在耦合剂套筒3上；

具体实施时，由于为了避免造成声信号检测传感器损伤，水听器5和波导杆2均不能被用于夹持或固定，因此耦合剂套筒3需要有一定的机械强度，将升降机12通过夹持臂夹持在耦合剂套筒3上能够将整个高温声信号检测传感器固定，并将波导杆2浸入材料高温液相1内；

步骤103、将所述高温声信号检测传感器的波导杆2浸入材料高温液相1中；

步骤二、高温材料定向凝固过程声场测定：波导杆2将高温液态介质1或腐蚀性液态介质6内的声信号传输到声波耦合剂4中；声信号在声波耦合剂4中传播并被水听器5感知；将水听器5输出的电信号传输给数据采集处理系统；

数据采集系统显示和记录的电信号能够用于对所施加的超声振动在合金熔体中的分布以及声压跟高温材料的凝固过程之间的关系进行定量分析和表征，有助于推动振动凝固技术的发展。

步骤二的过程中，测温头13对材料高温液相1的温度进行实时检测并将检测到的温度信号输出给温控器6，温控器6将测温头13的检测温度值t与预先设定的控制温度ta相比较，并将温度比较结果输出给位移控制器11，位移控制器11根据温度比较结果控制升降机12不动、向上或向下移动，升降机12向上或向下移动时，带动所述高温声信号检测传感器向上或向下移动，使所述高温声信号检测传感器的底面(即波导杆2的底面)始终保持在控制温度ta对应的位置处，与高温材料定向凝固界面14保持恒定距离，实现对材料定向凝固过程中高温材料定向凝固界面14的追踪，使波导杆2始终传导高温材料定向凝固界面14前沿固定距离处液相中的声信号。

步骤二中所述预先设定的控制温度ta大于材料凝固温度ts，步骤二中所述温度比较结果为t>ta、t＝ta或t<ta，步骤二中所述位移控制器11根据温度比较结果控制升降机12向上或向下移动的具体方法为：当温度比较结果为t>ta时，位移控制器11控制升降机12向下移动(即向靠近材料凝固界面的方向移动)，直至t＝ta；当温度比较结果为t＝ta时，位移控制器11控制升降机12不动；当t<ta时，位移控制器11控制升降机12向上移动(即向远离材料凝固界面的方向移动)，直至t＝ta。

具体实施时，控制温度ta略高于材料凝固温度ts，例如可以高10℃～60℃，即使波导杆2的底面接近高温材料定向凝固界面14。控制温度ta对应的位置与高温材料定向凝固界面14之间的距离具有一一对应性，通过温度比较结果移动所述高温声信号检测传感器，能够使高温声信号检测传感器的底面(即波导杆2的底面)始终保持在控制温度ta对应的位置处，与高温材料定向凝固界面14保持恒定距离。如图2所示，随着高温材料定向凝固界面14的由下向上推进，温度场也随之推进，高温声信号检测传感器跟随运动，通过控制保持在控制温度ta对应的位置处，实现了高温材料定向凝固界面14前沿固定距离处液相中声信号的实时检测。图1和图2中，标号14指示位置为ta对应位置，标号15表示材料固相。

步骤三、数据采集处理系统对水听器5输出的电信号进行处理，得到声场信息。

本实施例中，所述信号采集卡17的输入端接有设置在声波耦合剂4内且用于对声波耦合剂4内的温度进行实时检测的温度传感器19；步骤三中所述数据采集处理系统对水听器5输出的电信号进行处理，得到高温液态介质1或腐蚀性液态介质6内的声场信息的具体过程为：

步骤301、所述数据采集处理系统对水听器5输出的电信号进行傅里叶变换处理，得到声场能量的频域分布f1、f2、…、fn，其中fn为对应频率fn处的声场能量，n的取值为1～n，n为发射声源发射频率的总个数且n为大于1的正整数；

步骤302、所述数据采集处理系统使用与频率有关的传递函数分别对频率f1、f2、…、fn处的声场能量f1、f2、…、fn进行衰减补偿，得到衰减补偿后频率f1、f2、…、fn处的声场能量f′1、f′2、…、f′n；其中，与频率fn有关的传递函数为h(fn)＝kn*δ(fn)+αn,m*δ(cm)+γ，对频率fn处的声场能量fn进行衰减补偿采用的公式为fn′＝fn+h(fn)；δ为狄拉克德尔塔函数，kn为对应于频率fn的能量衰减绝对值，αn,m为对应于频率fn的与温度cm有关的修正值，cm为与声波耦合剂4的温度相对应的确定传递函数h(fn)时设定的第m个水温值，γ为与波导杆2的材质有关的声衰减修正值；

具体实施时，声波耦合剂4的温度由设置在声波耦合剂4内的温度传感器19检测得到，cm为与温度传感器19检测到的声波耦合剂4的温度最接近的水温值；

所述与频率fn有关的传递函数h(fn)的确定方法为：

步骤3021、在消声水池或广阔水域中，使用标准发射声源、测量级标准水听器和用于实现声场测定方法的声场测定系统构建标定系统，其中，测量级标准水听器和用于实现声场测定方法的声场测定系统布放于以标准发射声源为圆心、半径为1米的圆周上；

步骤3022、标准发射声源分别发射频率为f1、f2、…、fn的正弦波声信号，分别记录测量级标准水听器与声场测定系统的输出，将对应于频率fn的声场测定系统的输出与测量级标准水听器的输出之间的差值的绝对值记为kn；且在频率f1、f2、…、fn上，分别测量水温c1、c2、…、cm下测量级标准水听器与声场测定系统的输出，将对应于频率fn和水温cm的声场测定系统的输出与测量级标准水听器的输出之间的差值记为αn,m；m的取值为1～m，m为设定的水温的总个数且m为大于1的正整数；

步骤3023、采用比较法对声场测定系统进行标定，得到与频率fn有关的传递函数h(fn)＝kn*δ(fn)+αn,m*δ(cm)+γ。

步骤303、所述数据采集处理系统对衰减补偿后频率f1、f2、…、fn处的声场能量f′1、f′2、…、f′n进行记录。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。