一种超声波测量材料内部各处弹性模量及泊松比的方法技术

本发明专利技术公开了一种超声波测量材料内部各处弹性模量及泊松比的方法，包括以下步骤：S1.利用超声波无损检测对待测材料进行扫查，测量获得超声波在材料中的单程传播时间，并给出材料中超声波的单程传播时间与纵波波速VL及横波波速VT的关系；S2.将横波波速VT用剪切模量进行表示，将纵波波速VL用剪切模量和泊松比进行表示；S3.确定材料内部各位置的剪切模量；S4.确定材料内部各位置的泊松比；S5.计算材料内部各位置的拉伸模量。本发明专利技术基于超声无损检测，能够对材料内部空间任意一点位置的弹性模量和泊松比进行测量与表征，能够对材料内部各位置性能的不均匀性进行评估。

A Method for Measuring Elastic Modulus and Poisson's Ratio of Materials by Ultrasound

【技术实现步骤摘要】
一种超声波测量材料内部各处弹性模量及泊松比的方法
本专利技术涉及超声波无损检测，特别是涉及一种超声波测量材料内部各处弹性模量及泊松比的方法。
技术介绍
弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越大，亦即在一定应力作用下，发生弹性变形越小。弹性材料的一种最重要、最具特征的力学性质。但目前，弹性模量的测量较为复杂，很难针对到材料内部空间任意一点位置的弹性模量进行测量，为材料性能的评估带来了诸多不便。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种超声波测量材料内部各处弹性模量及泊松比的方法，能够针对材料内部空间任意一点位置的弹性模量进行测量。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种超声波测量材料内部各处弹性模量及泊松比的方法，包括以下步骤：S1.利用超声波无损检测对待测材料进行扫查，测量获得超声波在材料中的单程传播时间，并给出材料中超声波的单程传播时间与纵波波速VL及横波波速VT的关系；S2.将横波波速VT分别用剪切模量表示，将纵波波速VL用剪切模量和泊松比进行表示；S3.确定材料内部各位置的剪切模量；S4.确定材料内部各位置的泊松比；S5.计算材料内部各位置的拉伸模量。其中，所述步骤S1包括以下子步骤：S101.给定超声波探头发射位置及声束方向的材料厚度d；对待测材料进行超声波扫描，采集超声波波包的发射时间ts和材料外壁边界反射回的波包接收时间te；S102.计算出波包在总传播距离下的传播时间：Δt＝te-ts；则波包的单程传播时间为Δt/2；S103.波包单程传播时间与超声波波速的关系为：S104.在超声波探头产生横波和纵波的条件下，分别按照步骤S101～S103进行波包单程传播时间采集，并给出材料中超声波的单程传播时间与纵波波速VL及横波波速VT的关系：设超声波探头产生横波时，超声波波包的发射为时间ts1，材料外壁边界反射回的波包接收时间te1，则超声波横波的单程传播时间为超声波横波单程传播时间与材料中的横波波速关系为：设超声波探头产生纵波时，超声波波包的发射为时间ts2，材料外壁边界反射回的波包接收时间te2，则超声波纵波的单程传播时间为超声波纵波单程传播时间与材料中的纵波波速关系为：其中，所述步骤S2包括以下子步骤：S201.根据超声波在理想均匀弹性介质中传播的横波波速和泊松比的关系，将横波声速VT用剪切弹性模量G和材料密度ρ表示为：S202.根据超声波在理想均匀弹性介质中传播的纵波波速和材料弹性模量与泊松比的关系，将纵波声速VL用剪切弹性模量G和泊松比ν及材料密度ρ表示为S203.根据材料弹性模量之间的关联关系E＝2G(1+v)，已知剪切模量G和泊松比ν，就能够得到拉伸模量E。其中，所述步骤S3包括以下子步骤：S301.给定超声单程传播路径长度为d，将d离散为N个长度为Δs的一维网格，考虑材料弹性模量的空间不均匀性，对于剪切弹性模量G，令Gk,k∈1,…,N为每个网格位置材料的弹性模量，则超声波横波在d路径上传播的总时间ΔtT为：表示为积分形式得到：G(x)是x位置处的剪切弹性模量；S302.扩展到二维平面，用Γ表示声波半程传播路径，对传播路径半程进行积分得：其中，Γ为超声在空间中的半程传播路径，二维平面上位置(x，y)处的弹性模量表示为G(x，y)，位置(x，y)处的声速为对传播路径Γ积分得半程传播时间ΔtT/2；S303.对于一个二维扫查平面，给定一个扫查位置k，该位置发出超声的传播路径上点(x，y)利用(r，θ)参数表示：r＝xcosθ+ysinθ其中r是从原点到声速所在直线的垂直距离，θ是该垂直距离所在直线与水平轴的角度，应用上式对声束传播路径上所有点的线积分为：其中δ(·)是狄拉克-δ函数；对上式进行逆变换得到对应的剪切弹性模量G(x，y)；S304.在待测材料表面沿表面移动探头，超声波声束发射和接收的每一个位置即为一个采样点，从第一个采样位置开始至最后一个采样位置结束，得到材料内部不同位置的弹性模量的(r，θ)映射二维图像，按照步骤S303得到材料内部不同位置对应的表达式，结合各个采样点下的横波边到边传播时间(由超声波探头按照步骤S1测得，即)，逆变换后得到材料体内部任意位置处的剪切弹性模量G(x，y)；其中，所述步骤S4包括：由步骤S2得到超声纵波波速与剪切模量G和泊松比v的关系为：考虑材料内部各处弹性模量的不均匀性，材料内部每一个位置测量得到的(r，θ)对应声束的纵波声速用二维积分表示为：将材料内部各处的剪切模量G(x，y)在带入上式进行积分逆变换，得材料内部任一位置处的泊松比v(x，y)，也就是各个采样点下的纵波边到边传播时间(由超声波探头按照步骤S1测得)。其中，所述步骤S5包括：根据步骤S3～S4中计算得到的材料内部各位置对应的剪切模量G(x，y)和泊松比v(x，y)，利用材料参数间关系E＝2G(1+v)，得到材料内部任意位置的弹性模量E(x，y)：E(x，y)＝2G(x，y)·[1+v(x，y)]。本专利技术的有益效果是：本专利技术基于超声声速无损检测和材料泊松比，能够对针对材料内部空间任意一点位置的弹性模量进行测量，有助于对材料性能的综合评估。附图说明图1为本专利技术的方法流程图；图2为超声波无损检测的示意图；图3为波包在总传播距离下的传播时间计算示意图；图4为将超声单程传播路径长度为d离散为N个长度为Δs的一维网格示意图；图5为二维平面上声波半程传播路径的示意图；图6为二维扫查平面的示意图；图7为半径为50cm的圆柱体横波播时间的试验结果示意图；图8为试验数据进行积分逆变换得到的直径50cm棒体一个扫查截面的材料内部各位置处弹性模量值。具体实施方式下面结合附图进一步详细描述本专利技术的技术方案，但本专利技术的保护范围不局限于以下所述。如图1所示，一种超声波测量材料内部各处弹性模量及泊松比的方法，包括以下步骤：S1.利用超声波无损检测对待测材料进行扫查，测量获得超声波在材料中的单程传播时间，并给出材料中超声波的单程传播时间与纵波波速VL及横波波速VT的关系；S2.将横波波速VT用剪切模量表示，将纵波波速VL用剪切模量和泊松比进行表示；S3.确定材料内部各位置的剪切模量；S4.确定材料内部各位置的泊松比；S5.计算材料内部各位置的拉伸模量。其中，所述步骤S1包括以下子步骤：S101.如图2所示，给定超声波探头发射位置及声束方向的材料厚度d；对待测材料进行超声波扫描，采集超声波波包的发射时间ts和材料外壁边界反射回的波包接收时间te；S102.计算出波包在总传播距离下的传播时间：Δt＝te-ts；如图3所示，为Δt的计算示意图。则波包的单程传播时间为Δt/2；S103.波包单程传播时间与超声波波速的关系为：S104.在超声波探头产生横波和纵波的条件下，分别按照步骤S101～S103进行波包单程传播时间采集，并给出材料中超声波的单程传播时间与纵波波速VL及横波波速VT的关系：设超声波探头产生横波时，超声波波包的发射为时间ts1，材料外壁边界反射回的波包接收时间te1，则超声波横波的单程传播时间为超声波横波单程传播时间与材料中的横波波速关系为：设超声波探头产生纵波时，超声波波包的发射为时间ts2，材料外壁边界本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超声波测量材料内部各处弹性模量及泊松比的方法，其特征在于：包括以下步骤：S1.利用超声波无损检测对待测材料进行扫查，获得超声波在材料中的单程传播时间，并给出材料中超声波的单程传播时间与纵波波速VL及横波波速VT的关系；S2.将横波波速VT用剪切模量表示，将纵波波速VL用剪切模量和泊松比进行表示；S3.确定材料内部各位置的剪切模量；S4.确定材料内部各位置的泊松比；S5.计算材料内部各位置的拉伸模量。

【技术特征摘要】
1.一种超声波测量材料内部各处弹性模量及泊松比的方法，其特征在于：包括以下步骤：S1.利用超声波无损检测对待测材料进行扫查，获得超声波在材料中的单程传播时间，并给出材料中超声波的单程传播时间与纵波波速VL及横波波速VT的关系；S2.将横波波速VT用剪切模量表示，将纵波波速VL用剪切模量和泊松比进行表示；S3.确定材料内部各位置的剪切模量；S4.确定材料内部各位置的泊松比；S5.计算材料内部各位置的拉伸模量。2.根据权利要求1所述的一种超声波测量材料内部各处弹性模量及泊松比的方法，其特征在于：所述步骤S1包括以下子步骤：S101.给定超声波探头发射位置及声束方向的材料厚度d；对待测材料进行超声波扫描，采集超声波波包的发射时间ts和材料外壁边界反射回的波包接收时间te；S102.计算出波包在总传播距离下的传播时间：Δt＝te-ts；则波包的单程传播时间为Δt/2；S103.波包单程传播时间与超声波波速的关系为：S104.在超声波探头产生横波和纵波的条件下，分别按照步骤S101～S103获取波包单程传播时间，并给出材料中超声波的单程传播时间与纵波波速VL及横波波速VT的关系：设超声波探头产生横波时，超声波波包的发射为时间ts1，材料外壁边界反射回的波包接收时间te1，则超声波横波的单程传播时间为超声波横波单程传播时间与材料中的横波波速关系为：设超声波探头产生纵波时，超声波波包的发射为时间ts2，材料外壁边界反射回的波包接收时间te2，则超声波纵波的单程传播时间为超声波纵波单程传播时间与材料中的纵波波速关系为：3.根据权利要求1所述的一种超声波测量材料内部各处弹性模量及泊松比的方法，其特征在于：所述步骤S2包括以下子步骤：S201.根据超声波在理想均匀弹性介质中传播的横波波速和泊松比的关系，将横波声速VT用剪切弹性模量G和材料密度ρ表示为：S202.根据超声波在理想均匀弹性介质中传播的纵波波速和材料弹性模量与泊松比的关系，将纵波声速VL用剪切弹性模量G和泊松比ν及材料密度ρ表示为S203.根据材料弹性模量之间的关联关系E＝2G(1+v)，已知剪切模量G和泊松比ν，就能够得到拉伸模量E。4.根据权利要求1所述的一种超声波测量材料内部各处弹性模量及泊松比的方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：关雪飞，
申请(专利权)人：北京领示科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11