CN102607479B - 基于声压反射系数功率谱测量超声在薄层介质中往返时间的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于声压反射系数功率谱测量超声在薄层介质中往返时间的方法，属于材料超声无损检测与评价技术领域。该方法使用脉冲超声水浸回波系统采集一个由水与薄层上表面组成界面的反射回波信号和水与薄层下表面组成界面的反射回波信号组成的混叠信号，再采集一个标准试块的上表面回波信号。然后分别对采集到的信号进行FFT，进一步处理得到声压反射系数功率谱。接着从功率谱的幅度谱中读出各余弦分量对应的δ脉冲的横坐标，即为超声在薄层中的各次往返时间。本方法克服了由于超声回波信号带宽不能覆盖薄层声压反射系数幅度谱中相邻两极小值而不能确定超声在薄层中往返时间的问题，所用的设备简单、可操作性强、测量精度高，重复性好。

Description

基于声压反射系数功率谱测量超声在薄层介质中往返时间的方法

技术领域

本发明涉及一种基于声压反射系数功率谱测量超声在薄层介质中往返时间的方法。其属于材料超声无损检测与评价技术领域。

背景技术

应用超声技术测量薄层介质的厚度，最重要的是测量超声在薄层介质中的一次往返时间。由于薄层的表面回波和底面回波信号产生混叠，传统的脉冲回波信号时域分析方法无法确定往返时间。目前，对于测量超声在薄层中往返时间的常用信号处理方法为声压反射系数幅度谱和相位谱，如国外学者Haines NF等在“The application of broadband ultrasonic spectroscopy to the study of layeredmedia”一文中使用20MHz超声探头，并应用声压反射系数谱和相位谱信号处理手段获得了环氧树脂薄层中超声波的往返时间，进而确定了环氧树脂薄层的厚度。但对于超声回波信号带宽不能覆盖薄层声压反射系数幅度谱中相邻两个极小值时，通常我们无法确定超声在薄层中的往返时间。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于声压反射系数功率谱测量超声在薄层中往返时间的方法。该方法在同样的实验装置条件下，对于厚度更小的薄层能够确定超声在薄层的往返时间，扩大了薄层介质厚度测量的范围、测量结果直观，抗噪声干扰能力强。

本发明的技术方案是：一种基于声压反射系数功率谱测量超声在薄层中往返时间的方法，它采用一个包括超声探伤仪、超声脉冲水浸探头、薄层试样、水槽、数字示波器以及计算机的脉冲超声水浸回波系统。它采用的测量步骤如下：

(1)利用所述脉冲超声水浸回波系统向薄层试样垂直发射超声信号并采集一个由水与薄层上表面组成界面的反射回波信号和水与薄层下表面组成界面的反射回波信号组成的混叠信号(试样信号)；

(2)利用所述脉冲超声水浸回波系统采集一个标准试块的上表面回波信号(基准信号)；

(3)对所述步骤(1)和(2)采集到的试样信号和基准信号分别进行FFT，然后用试样信号的频域数据除以基准信号的频域数据，最后得到相应的实部和虚部数据；

(4)对步骤(3)求得的实部和虚部数据代入到公式1中，得到薄层的声压反射系数功率谱，公式1：

${\left|V\left(f\right)\right|}^2=\mathrm{Im}{\left[S\left(f\right)\right]}^2+\mathrm{Re}{\left[S\left(f\right)\right]}^2={\mathrm{\α}}_1^2+{\mathrm{\α}}_2^2+L+{\mathrm{\α}}_n^2+2({\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\α}}_2+{\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\α}}_3+L+{\mathrm{\α}}_{n-1}{\mathrm{\α}}_n)\cos \mathrm{\Δt}2\mathrm{\πf}$

$+2({\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\α}}_3+{\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\α}}_4+\·\·\·+{\mathrm{\α}}_{n-2}{\mathrm{\α}}_n)\cos 2\mathrm{\Δt}2\mathrm{\πf}+\·\·\·+2\left({\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\α}}_n\right)\cos (n-1)\mathrm{\Δt}2\mathrm{\πf}$

式中：|V(f)|²表示声压反射系数功率谱，S(f)为试样信号频域与基准信号频域的商，Im[S(f)]为S(f)的实部，Re[S(f)]为S(f)的虚部；α₁＝V₁₂exp(-2d₁α_水)，α₂＝V₂₁W₁₂W₂₁exp(-2d₁α_水)exp(-2dα_薄层)，…，

α_水为水的衰减系数(dB/mm)，α_薄层为薄层的衰减系数(dB/mm)，d₁为探头到薄层上表面的距离(mm)，d为薄层的厚度(mm)，Δt为超声在薄层中的一次往返时间(ns)，V₁₂＝(Z₂-Z₁)/(Z₁+Z₂)，V₂₁＝-V₁₂，W₁₂＝1+V₁₂，W₂₁＝1-V₁₂；

(5)对功率谱|V(f)|²进行FFT，根据公式2求得超声在薄层中往返时间nΔt(n≥1)，公式2：

$F\left[{\left|V\left(f\right)\right|}^2\right]=2\mathrm{\π}({\mathrm{\α}}_1^2+{\mathrm{\α}}_2^2+...+{\mathrm{\α}}_n^2)\mathrm{\δ}\left(t\right)+2\mathrm{\π}({\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\α}}_2+{\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\α}}_3+\·\·\·+{\mathrm{\α}}_{n-1}{\mathrm{\α}}_n)[\mathrm{\δ}(t-\mathrm{\Δt})+\mathrm{\δ}(t+\mathrm{\Δt})]$

$+2\mathrm{\π}({\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\α}}_3+{\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\α}}_4+\·\·\·+{\mathrm{\α}}_{n-2}{\mathrm{\α}}_n)[\mathrm{\δ}(t-2\mathrm{\Δt})+\mathrm{\δ}(t+2\mathrm{\Δt})]$

$+\·\·\·+2\left({\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\α}}_n\right)\left\{\mathrm{\δ}\right[t-(n-1)\mathrm{\Δt}]+\mathrm{\δ}[t+(n-1)\mathrm{\Δt}\left]\right\}$

将薄层试样置于水槽内，进行系统连接及仪器校正后，借助超声波探伤仪，利用超声脉冲水浸探头，向水槽中的薄层试样发射、接收超声波，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上表面回波信号。分别对试样信号与基准信号进行快速傅里叶变换(FFT)，求出试样信号频域数据与基准信号频域数据的商，得到相应的实部和虚部数据，将求得的实部和虚部数据代入公式1，得到薄层试样的声压反射系数功率谱。利用所建立的超声在薄层中的往返时间nΔt(n≥1)和声压反射系数功率谱的频谱之间关系式2，可以得到超声在薄层中的往返时间nΔt(n≥1)。

本发明的有益效果是：这种基于声压反射系数功率谱测量超声在薄层中往返时间的方法使用由超声探伤仪、超声脉冲水浸探头、薄层试样、水槽、数字示波器以及计算机组成的脉冲超声水浸回波系统。首先利用该系统向薄层试样垂直发射超声信号并采集一个由薄层上表面与水组成界面的反射信号和薄层下表面与水组成界面的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上表面回波信号，分别对采集到的试样信号和基准信号进行FFT，求出试样信号频域数据与标准信号频域数据的商，得到相应的实部和虚部；最后通过公式计算出超声在薄层中的往返时间。利用12～22MHz的超声对薄层介质进行超声往返时间的测量，可测量的一次往返时间低于100ns。本方法不受薄层材质及其均匀性程度的限制，克服了由于超声回波信号带宽不能覆盖薄层声压反射系数幅度谱中相邻两极小值，不能确定超声往返时间的问题，所用设备简单、可操作性强、成本低，易于实用化，测量精度高，测量范围广，重复性好，具有较大的经济效益和社会效益。

附图说明

下面结合附图和实施例子对本发明作进一步说明。

图1是一种基于声压反射系数功率谱测量超声在薄层中往返时间装置的系统原理图。

图2是采用标称频率25MHz的超声脉冲水浸探头对厚度为433μm的Al质薄片试样发射并采集到的时域信号图。

图3是Al质薄片试样的声压反射功率谱图。

图4是Al质薄片试样的声压反射功率谱的幅度谱图。

图中：1、超声波探伤仪，2、超声脉冲水浸探头(标称频率25MHz，中心频率16MHz，频带宽度(-6dB)12～22MHz)，3、薄层试样，4、水槽，5、数字示波器，6、计算机。

具体实施方式

图1所示测量装置进行系统连接及仪器校正后，首先借助超声波探伤仪1，采用晶片直径11.4mm、标称频率25MHz的超声脉冲水浸探头2(中心频率16MHz，频带宽度(-6dB)12～22MHz)向被测Al质薄片试样3(使用千分尺测量厚度为433μm，由于其声速为6320m/s，根据t＝2d/c得出一次往返时间为137ns)发射和接收超声波(Al质薄片试样3至于水槽4内)，借助DPO4032数字示波器5完成Al质薄片试样波形数据的观察和采集。然后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上表面回波信号，图2所示为Al质薄片试样回波信号。利用计算机6分别对试样信号与基准信号进行FFT，求出试样信号频域数据与基准信号频域数据的商，得到相应的实部和虚部数据；将求得的实部和虚部数据代入到公式1，得到Al质薄片试样3的声压反射系数功率谱，如图2所示。然后对声压反射系数功率谱作FFT，求取其幅度谱，如图3所示。最后读出每个峰值对应的横坐标，即为超声波在薄层中的n(n≥1)次往返时间。从功率谱的幅度谱中分别读出Δt＝128ns，2Δt＝284ns，3Δt＝440ns，Δt＝(128+284/2+440/3)/3＝138.7ns。利用本方法测得超声在薄层中的一次往返时间与经千分尺测量的厚度换算的一次往返时间的相对误差为1.24％。

Claims (1)

1.一种基于声压反射系数功率谱测量超声在薄层介质中往返时间的方法，其特征是：它采用一个包括超声探伤仪（1）、超声脉冲水浸探头（2）、薄层试样（3）、水槽（4）、数字示波器（5）以及计算机（6）的脉冲超声水浸回波系统，它采用的测量步骤如下：

（1）利用所述脉冲超声水浸回波系统向薄层试样垂直发射超声信号并采集一个由水与薄层上表面组成界面的反射回波信号和水与薄层下表面组成界面的反射回波信号组成的试样信号；

（2）利用所述脉冲超声水浸回波系统采集一个标准试块的基准信号；

（3）对所述步骤（1）和（2）采集到的试样信号和基准信号分别进行FFT，然后用试样信号的频域数据除以基准信号的频域数据，最后得到相应的实部和虚部数据；

（4）对步骤（3）求得的实部和虚部数据代入到公式1中，得到薄层的声压反射系数功率谱，公式1：

$\begin{array}{c}{\left|V\left(f\right)\right|}^2=\mathrm{Im}{\left[S\left(f\right)\right]}^2+\mathrm{RE}{\left[s\left(f\right)\right]}^2={\mathrm{\α}}_1^2+{\mathrm{\α}}_2^2+L+{\mathrm{\α}}_n^2+2({\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\α}}_2+{\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\α}}_3+L+{\mathrm{\α}}_{n-1}{\mathrm{\α}}_n)\cos \mathrm{\Δt}2\mathrm{\πf}\\ +2({\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\α}}_3+{\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\α}}_4+\·\·\·+{\mathrm{\α}}_{n-2}{\mathrm{\α}}_n)\cos 2\mathrm{\Δt}2\mathrm{\πf}+\·\·\·+2\left({\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\α}}_n\right)\cos (n-1)\mathrm{\Δt}2\mathrm{\πf}\end{array}$ 式中：V(f)²表示声压反射系数功率谱，S(f)为试样信号频域与基准信号频域的商，Im[S(f)]为S(f)的实部，Re[S(f)]为S(f)的虚部；α₁=V₁₂exp(-2d₁α_水)，α₂=V₂₁W₁₂W₂₁exp(-2d₁α_水)exp(-2dα_薄层),…,

其中：n>2，α_水为水的衰减系数，单位为dB/mm，α_薄层为薄层的衰减系数，单位为dB/mm，d₁为探头到薄层上表面的距离，单位为mm，d为薄层的厚度，单位为mm，Δt为超声在薄层中的一次往返时间，单位为ns，V₁₂=(Z₂-Z₁)/(Z₁+Z₂)，V₂₁=-V₁₂，W₁₂=1+V₁₂，W₂₁=1-V₁₂；Z代表介质的声阻抗，其在数值上等于介质声速与密度的乘积；

（5）对功率谱V(f)²进行FFT，根据公式2求得超声在薄层中往返时间nΔt(n≥1)，公式2：

$\begin{array}{c}F\left[\right|V\left(f\right){|}^2]=2\mathrm{\π}({\mathrm{\α}}_1^2+{\mathrm{\α}}_2^2+\·\·\·+{\mathrm{\α}}_n^2)\mathrm{\δ}\left(t\right)+2\mathrm{\π}({\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\α}}_2+{\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\α}}_3+\·\·\·+{\mathrm{\α}}_{n-1}{\mathrm{\α}}_n)[\mathrm{\δ}(t-\mathrm{\Δt})+\mathrm{\δ}(t+\mathrm{\Δt})]\\ +2\mathrm{\π}({\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\α}}_3+{\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\α}}_4+\·\·\·+{\mathrm{\α}}_{n-2}{\mathrm{\α}}_n)[\mathrm{\δ}(t-2\mathrm{\Δt})+\mathrm{\δ}(t+2\mathrm{\Δt})]\\ +\·\·\·+2\left({\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\α}}_n\right)\left\{\mathrm{\δ}\right[t-(n-1)\mathrm{\Δt}]+\mathrm{\δ}[t+(n-1)\mathrm{\Δt}\left]\right\}.\end{array}$

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