一种量化激光声表面波在分层介质中频散特性的方法技术

本发明专利技术公开一种量化激光声表面波在分层介质中频散特性的方法，包括

【技术实现步骤摘要】
一种量化激光声表面波在分层介质中频散特性的方法


[0001]本专利技术属于超声检测
，具体涉及一种量化激光声表面波在分层介质中频散特性的新方法
。

技术介绍

[0002]声表面波，作为超声导波的一种，目前已广泛用于材料近表面的无损评估和结构健康监测
。
与超声体波相比，超声导波检测具有监测范围更远
、
灵敏度更高和花费成本更低等优势
。
声表面波以自由表面为波导，因此其能量主要集中在表面以下的一个波长范围内
。
当波导的机械性能在深度方向上不均匀时，无频散的声表面波变得色散，即声表面波速度与频率相关
。
由此产生的频散现象使基于激光激发宽带声表面波反演涂层的机械性能甚至是加工表面的亚表面损伤成为可能
。
[0003]为了准确反演材料近表面的机械性能，实验声表面波频散特性的准确量化至关重要
。
目前，已经提出了多种多通道分析方法用于计算声表面波相速度频散曲线，如频率
‑
波数变换
、
相移法和高分辨率线性
Radon
变换等
。
然而，这些方法均需要多个空间采样点，这通常意味着获得的频散曲线描述的是材料的平均特性
。
为了评估材料局部表面性能，允许仅从两个相邻位置计算频散数据的方法是很重要的
。
目前，基于复数傅里叶变换的相位法是常用的两点计算方法，但是这种方法对信号质量要求很高且无法计算多模信号r/>。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种量化激光声表面波在分层介质中频散特性的方法，该方法鲁棒性高，不仅适用于各种频散程度，同时也适用于多模声表面波信号
。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0006]一种量化激光声表面波在分层介质中频散特性的方法，包括：
[0007]S1、
利用脉冲激光在待测样品表面激发声表面波，并通过接触式压电传感器拾取待测样品表面所需检测区域两端的声表面波时域信号；
[0008]S2、
利用同步压缩小波变换对拾取到的一对激光声表面波进行时频分析，得到相应的原始含噪声时频分布图；
[0009]S3、
通过
R
é
nyi
熵从原始含噪声时频分布图中提取声表面波信号；
[0010]S4、
基于互相关函数估计提取出的声表面波信号不同频率分量的相对时间延迟；
[0011]S5、
利用余弦插值计算相对时间延迟估计误差并对相对时间延迟进行矫正，从而得到准确的声表面波信号不同频率分量的相对时间延迟；
[0012]S6、
用采样距离除以校正后的时间延迟得到声表面波不同频率分量的相速度，即频散曲线
。
[0013]进一步的，
S2
中原始含噪声时频分布图通过如下同步压缩小变换获得：
[0014][0015]式中，
T
s
(
ω
l
,b)
为声表面波信号的时频分布图，
W
s
(a,b)
是时域信号的连续小波变换系数，
a
是比例因子，
b
是时间平移，
ω
是瞬时频率，
Δω
＝
ω
l
‑
ω
l
‑1，
(
Δ
a)
k
＝
a
k
‑
a
k
‑1，
l、k
为离散值
。
[0016]进一步的，
S3
中基于
R
é
nyi
熵的频谱降噪公式为：
[0017][0018]式中，为降噪后的时频分布图，为降噪前的原始时频分布图，为能量均匀化后的时频分布图，
t
*
为能量阈值，由下式计算：
[0019][0020]式中，
G
表示值从高到低离散成的
256
个等级
{0,1,2,
…
,255}
，和分别表示与目标和背景分布相关的
R
é
nyi
熵：
[0021][0022]式中，
α
是熵的阶数，
p
i
为能量均匀化后的时频分布图中离散的能级概率密度函数
。
[0023]进一步的，
S4
中用于相对时间延迟估计的互相关函数公式为：
[0024][0025]式中，
T1和
T2为步骤
S1
中拾取到的两个声表面波时域信号经过降噪后的时频分布图，
f
为声表面波频率，
b
表示时间，
τ
为时间延迟
。
[0026]进一步的，
S5
中基于余弦插值的相对时间延迟估计误差公式为：
[0027][0028]式中，
s
cos
是声表面波互相关信号某个局部最大离散点
n
与拟合余弦曲线最大值之间的距离，
f
s
是采样频率，和
ω
分别是拟合余弦曲线的相位和角频率，由下式计算：
[0029][0030]式中，
y
n
‑1、y
n
、y
n+1
分别是互相关结果
n
－
1、n、n+1
位置处对应的互相关函数值
。
[0031]进一步的，本专利技术还提供一种量化激光声表面波在分层介质中频散特性的系统，包括脉冲激光器
、
半波片
、PBS、
扩束镜
、
直角棱镜
、
柱面透镜
、
旋转平台
、
示波器和计算机；所述旋转平台放置于光学平台上方，所述旋转平台上表面放置有待测样品；所述直角棱镜
、
柱
面透镜设置于微动平台上，所述待测样品上设置有压电传感器，所述压电传感器通过电荷放大器与示波器连接；所述光电探测器放置在待测样品的待检测区域一侧，所述光电探测器与所述示波器连接，示波器与计算机连接；脉冲激光器发射的脉冲激光依次通过半波片
、PBS、
扩束镜
、
直角棱镜和柱面透镜入射至待测样品
。
[0032]进一步的，本专利技术还提供一种电子设备，包括存储器
、
处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述量化激光声表面波在分层介质中频散特性的方法的步骤
。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种量化激光声表面波在分层介质中频散特性的方法，其特征在于，包括：
S1、
利用脉冲激光在待测样品表面激发声表面波，并通过接触式压电传感器拾取待测样品表面所需检测区域两端的声表面波时域信号；
S2、
利用同步压缩小波变换对拾取到的一对激光声表面波进行时频分析，得到相应的原始含噪声时频分布图；
S3、
通过
R
é
nyi
熵从原始含噪声时频分布图中提取声表面波信号；
S4、
基于互相关函数估计提取出的声表面波信号不同频率分量的相对时间延迟；
S5、
利用余弦插值计算相对时间延迟估计误差并对相对时间延迟进行矫正，从而得到准确的声表面波信号不同频率分量的相对时间延迟；
S6、
用采样距离除以校正后的时间延迟得到声表面波不同频率分量的相速度，即频散曲线
。2.
根据权利要求1所述的一种量化激光声表面波在分层介质中频散特性的方法，其特征在于，
S2
中原始含噪声时频分布图通过如下同步压缩小变换获得：式中，
T
s
(
ω
l
,b)
为声表面波信号的时频分布图，
W
s
(a,b)
是时域信号的连续小波变换系数，
a
是比例因子，
b
是时间平移，
ω
是瞬时频率，
Δω
＝
ω
l
‑
ω
l
‑1，
(
Δ
a)
k
＝
a
k
‑
a
k
‑1，
l、k
为离散值
。3.
根据权利要求1所述的一种量化激光声表面波在分层介质中频散特性的方法，其特征在于，
S3
中基于
R
é
nyi
熵的频谱降噪公式为：式中，为降噪后的时频分布图，为降噪前的原始时频分布图，为能量均匀化后的时频分布图，
t
*
为能量阈值，由下式计算：式中，
G
表示值从高到低离散成的
256
个等级
{0,1,2,
…
,255}
，和分别表示与目标和背景分布相关的
R
é
nyi
熵：式中，
α
是熵的阶数，
p
i
为能量均匀化后...

【专利技术属性】
技术研发人员：林滨，刘再蔚，马小康，万杨帆，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：