一种涂覆层厚度、密度与纵波声速同时超声反演方法技术

一种涂覆层厚度、密度与纵波声速三参数同时超声反演的方法，属于材料超声无损检测与评价技术领域。该发明专利技术采用一个包括试样台、涂覆层试样、延迟块探头、探伤仪、数字示波器以及计算机的超声脉冲回波检测系统。该发明专利技术推导出了涂覆层结构的声压反射系数相位谱φ(f,d,ρ,c)，对探头有效频带内理论与实验的声压反射系数相位谱进行相关系数计算，得到相关系数矩阵η(d,ρ,c)，测量涂覆层的声阻抗并作为相关系数矩阵的约束条件，满足约束的相关系数矩阵中最大值ηmax(d,ρ,c)对应的涂覆层厚度di、ρi与纵波声速ci即为所求的涂覆层厚度、密度与纵波声速。该方法解决了涂覆层零件无损检测过程中面临的涂覆层参数波动导致较大测量误差的问题，提供了涂覆层厚度、密度与纵波声速三参数同时无损表征的新方法。

A simultaneous ultrasonic inversion method for coating thickness, density and P-wave velocity

A method for simultaneous ultrasonic inversion of three parameters of coating thickness, density and longitudinal wave velocity belongs to the technical field of ultrasonic nondestructive testing and evaluation of materials. The invention uses a test system including a sample table, a coating sample, a delay block probe, a flaw detector, a digital oscilloscope and a computer's ultrasonic pulse echo detection system. The invention derives the phase spectrum of the acoustic pressure reflection coefficient (F, D, rho, c) of the coating structure, and calculates the correlation coefficient of the sound pressure reflection coefficient phase spectrum of the theory and experiment in the effective frequency band of the probe. The correlation coefficient matrix (D, rho, c) is obtained, the acoustic impedance of the coating layer is measured and the constraint condition of the correlation coefficient matrix is satisfied to satisfy the constraint. The coating thickness Di, P I and P-wave sound velocity CI corresponding to the maximum value of the maximum value ETA max (D, P, c) in the correlation coefficient matrix are the thickness, density and longitudinal wave velocity of the coating. This method solves the problem of large measurement error caused by the fluctuation of coating layer parameters in the nondestructive testing process of coating layer, and provides a new method of nondestructive characterization of coating thickness, density and three parameters of longitudinal wave velocity.

【技术实现步骤摘要】
一种涂覆层厚度、密度与纵波声速同时超声反演方法
本专利技术涉及一种涂覆层厚度、密度与纵波声速同时超声反演方法，其属于超声无损检测的

技术介绍
表面涂覆层是指利用物理、化学等方法在材料表面制备强化、防护基体材料或具有特殊功能且具有一定厚度的覆层，是提高零件性能和赋予零件特殊功能的有效措施，而涂覆层的性能和可靠性取决于其特殊几何特征与物理特性，包括厚度、界面粗糙度、声速、密度、弹性模量等参数。例如航空雷达吸波隐身涂层的厚度和密度对于其吸波、力学等性能具有重要影响，涂层厚度过大会导致界面结合质量变差，零件重量超过设计要求，厚度过小会导致吸收剂含量小，吸波性能急剧降低；涂覆层的密度反映了涂覆层的孔隙率、树脂固化程度。此外，涂覆层的弹性模量对其断裂、剥落和内应力分布状态有重要影响，而弹性模量可以由涂覆层的声速和密度间接计算得到。提出准确可靠的涂覆层几何特征和物理特性无损表征和评定方法对表面涂覆层乃至整个零件性能完整性的控制具有重要意义，已经成为该领域的迫切工程需求。涂覆层的厚度、密度与纵波声速等参数在涂覆层不同位置有一定随机波动，对于均匀性较好、波动范围很小的涂覆层，可以在涂覆层制备过程中加入随炉试片，随后对随炉试片进行破坏性测量得到其厚度、密度等几何特征与物理特性参数，例如金相法测量厚度，剥离涂覆层后采用阿基米德法测量密度；也可根据随炉试片的参数作为标准对整个零件进行无损检测，例如以试片的涂覆层声速为标准，采用超声脉冲回波法测量零件的涂覆层厚度。但是对于均匀性较差的涂覆层，其几何特征和物理特性在零件不同位置有较大波动，随炉试片无法反映零件涂覆层在每个位置的参数，导致非均匀涂覆层零件无损检测过程中面临涂覆层多参数未知的问题，若采用随炉试片参数进行检测将导致较大的零件涂覆层参数测量误差，例如根据随炉试片的声速采用超声脉冲回波法测量零件涂覆层厚度时，由于零件各个位置的涂覆层声速有一定波动，导致测厚结果出现较大误差。目前的无损检测方法多数只能表征均匀涂覆层的单个或两个参数，如JingfeiLiu等在“Pulsedultrasoniccombfilteringeffectanditsapplicationsinthemeasurementofsoundvelocityandthicknessofthinplates”利用脉冲超声梳状滤波效应对玻璃和硅薄板的声速和厚度分别进行测量。Kinra等在“Ultrasonicnondestructiveevaluationofthin(sub-wavelength)coatings”对50-100μm环氧树脂薄层的纵波声速和厚度进行测量，但需要已知薄层的其他物理和声学参量。或局限于实验室条件难以应用于现场，如Rokhlin和Lavrentyev在“Anultrasonicmethodfordeterminationofelasticmoduli,densityattenuationandthicknessofapolymercoatingonastiffplate”利用垂直入射和斜入射超声反射系数谱对聚合物薄层的厚度、密度、声速等参数进行两步反演，但实验装置包含三个需精密调节角度的超声探头，难以用于工程实际涂覆层检测。陈剑等基于超声显微镜对不锈钢薄片厚度、密度和横、纵波声速进行反演，所采用的超声显微镜系统较为精密，无法应用于实际零部件涂覆层检测。对于工程中参数在一定范围内随机波动的涂覆层有效无损测量依然是难以解决的问题，因此非均匀涂覆层多参数同时无损表征已经成为亟待解决的工程实际需求。目前尚未见到能对工程实际涂覆层三参数进行同时有效无损表征的报道。
技术实现思路
该专利技术针对超声同时无损表征涂覆层的厚度、密度与纵波声速难题，分析超声波在层状介质中的传播规律，推导出了涂覆层结构的声压反射系数相位谱φ(f,d,ρ,c)。借助相关系数匹配分析对声压反射系数相位谱与实验检测得到的声压反射系数相位谱进行相关系数匹配分析，得到相关系数矩阵η(d,ρ,c)，利用实验测得的涂覆层声阻抗对此矩阵进行约束，满足声阻抗条件的相关系数被保留，不满足的设为零，满足约束的相关系数矩阵中最大值ηmax(d,ρ,c)对应的涂覆层厚度d、密度ρ与纵波声速c即为被测试样的实际厚度、密度与纵波声速的值。该方法克服了涂覆层结构超声同时表征厚度、密度与纵波声速三参数的难题。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种涂覆层厚度、密度与纵波声速三参数同时超声反演的方法，它采用一个包括试样台、涂覆层试样、延迟块探头、探伤仪、数字示波器以及计算机的超声脉冲回波检测系统；其特征是：(1)在x-z平面中，超声探头发射声压为P入＝1的超声波垂直入射到介质1/介质2/基体3组成的二界面结构中，介质1为延迟块，介质2为被测涂覆层材料，介质3为基体材料，超声探头接收到的反射回波声压P反为下列各反射回波的合成：界面1的反射回波P1＝r12，界面2的反射回波P2＝r23t12t21exp(2ik2zd)，其中r12为界面1的声压反射率，t12和t21为界面1处的声压透射率，下标表示超声波在介质之间的声压反射或透射；d为涂覆层厚度；k2z为超声波在介质2中沿z轴方向的波数，波数表示为k2z＝2πf/c2+iα，f为超声波频率，c2为涂覆层纵波声速，α为涂覆层的超声衰减系数，涂覆层结构的声压反射系数R表示为：R本身为一复数，求解出R的相位谱表达式φ(f)，如式(2)所示：其中声压反射率r12、r23为对应介质密度ρ与声速c的函数：r12＝(ρ2c2-ρ1c1)/(ρ2c2+ρ1c1)、r23＝(ρ3c3-ρ2c2)/(ρ3c3+ρ2c2)，已知介质1、3的密度ρ与声速c，φ(f)仅为频率f、涂覆层厚度d、密度ρ与纵波声速c的函数，表示为φ(f,d,ρ,c)；(2)根据已知密度ρ、厚度d和纵波声速c的涂覆层样品相位谱φ(f,d,ρ,c)计算相位谱对某一参数p的灵敏度，计算公式如式(3)所示：式中，p是涂覆层参数，包括密度ρ、厚度d和纵波声速c，Sφ,p是相位谱对参数p的灵敏度，计算得到灵敏度随频率变化曲线后读取灵敏度曲线最大值对应频率fmax，选择检测探头使其有效频带范围覆盖fmax且主频尽量靠近fmax；(3)选择能够使涂覆层上表面回波和界面回波在时域上分离的窄脉冲探头，选择标准为脉冲信号持续时间τ小于脉冲在界面1和界面2之间的渡越时间dt，截取涂覆层上表面回波用于计算涂覆层声阻抗，计算方法如下：涂覆层上表面回波频谱表示为：Acoating(f)＝As(f)×H(f)×rcoating(4)式中，As(f)是声源频谱，H(f)是超声测量系统的传递函数，rcoating是超声在涂覆层上表面的声压反射率，选择已知声阻抗的材料作为参考材料，其上表面回波频谱表示为：Areference(f)＝As(f)×H(f)×rreference(5)rreference是参考材料声压反射率，则涂覆层上表面反射系数可用参考材料和涂覆层上表面回波频谱表示：Zcoupling表示耦合介质的声阻抗，涂覆层的声阻抗可以表示为：式(7)中Zcoupling和rreference已知，Acoating和Areference可以通过实验手段测得，则涂覆层声阻抗可由式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种涂覆层厚度、密度与纵波声速三参数同时超声反演的方法，它采用一个包括试样台、涂覆层试样、延迟块探头、探伤仪、数字示波器以及计算机的超声脉冲回波检测系统；其特征是：(1)在x‑z平面中，超声探头发射声压为P入＝1的超声波垂直入射到介质1/介质2/基体3组成的二界面结构中，介质1为延迟块，介质2为被测涂覆层材料，介质3为基体材料，超声探头接收到的反射回波声压P反为下列各反射回波的合成：界面1的反射回波P1＝r12，界面2的反射回波P2＝r23t12t21exp(2ik2zd)，其中r12为界面1的声压反射率，t12和t21为界面1处的声压透射率，下标表示超声波在介质之间的声压反射或透射；d为涂覆层厚度；k2z为超声波在介质2中沿z轴方向的波数，波数表示为k2z＝2πf/c2+iα，f为超声波频率，c2为涂覆层纵波声速，α为涂覆层的超声衰减系数，涂覆层结构的声压反射系数R表示为：

【技术特征摘要】
1.一种涂覆层厚度、密度与纵波声速三参数同时超声反演的方法，它采用一个包括试样台、涂覆层试样、延迟块探头、探伤仪、数字示波器以及计算机的超声脉冲回波检测系统；其特征是：(1)在x-z平面中，超声探头发射声压为P入＝1的超声波垂直入射到介质1/介质2/基体3组成的二界面结构中，介质1为延迟块，介质2为被测涂覆层材料，介质3为基体材料，超声探头接收到的反射回波声压P反为下列各反射回波的合成：界面1的反射回波P1＝r12，界面2的反射回波P2＝r23t12t21exp(2ik2zd)，其中r12为界面1的声压反射率，t12和t21为界面1处的声压透射率，下标表示超声波在介质之间的声压反射或透射；d为涂覆层厚度；k2z为超声波在介质2中沿z轴方向的波数，波数表示为k2z＝2πf/c2+iα，f为超声波频率，c2为涂覆层纵波声速，α为涂覆层的超声衰减系数，涂覆层结构的声压反射系数R表示为：R本身为一复数，求解出R的相位谱表达式φ(f)，如式(2)所示：其中声压反射率r12、r23为对应介质密度ρ与声速c的函数：r12＝(ρ2c2-ρ1c1)/(ρ2c2+ρ1c1)、r23＝(ρ3c3-ρ2c2)/(ρ3c3+ρ2c2)，已知介质1、3的密度ρ与声速c，φ(f)仅为频率f、涂覆层厚度d、密度ρ与纵波声速c的函数，表示为φ(f,d,ρ,c)；(2)根据已知密度ρ、厚度d和纵波声速c的涂覆层样品相位谱φ(f,d,ρ,c)计算相位谱对某一参数p的灵敏度，计算公式如式(3)所示：式中，p是涂覆层参数，包括密度ρ、厚度d和纵波声速c，Sφ,p是相位谱对参数p的灵敏度，计算得到灵敏度随频率变化曲线后读取灵敏度曲线最大值对应频率fmax，选择检测探头使其有效频带范围覆盖fmax且主频尽量靠近fmax；(3)选择能够使涂覆层上表面回波和界面回波在时域上分离的窄脉冲探头，选择标准为脉冲信号持续时间τ小于脉冲在界面1和界面2之间的渡越时间dt，截取涂覆层上表面回波用于计算涂覆层声阻抗，计算方法如下：涂覆层...

【专利技术属性】
技术研发人员：林莉，高剑英，马志远，雷明凯，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21