固体材料非均匀性质的无损检测方法技术

本发明专利技术公开了一种固体材料非均匀性质的无损检测方法，通过探测Ｎ个由激光激发并传播不同距离的声表面波信号，Ｎ≥２；对获取的Ｎ个传播不同距离的声表面信号数据进行处理，即首先把每个信号离散傅里叶变换为振幅谱和相位谱，得到各频率成分下与波传播距离ｘｉ相关的Ｎ个振幅值Ａｉ（ｉ＝１…Ｎ）和Ｎ个相位值其中相位是距离ｘｉ的函数；通过最小二乘法把各频率下相位和距离的关系拟合成直线；各频率时的相速度则为ｆ为频率，ｋ为直线的斜率，根据各频率的相速度值Ｃｆ得到色散曲线，从而反映了固体材料的非均匀性质。本发明专利技术不仅增大了频率范围，因此提高探测材料非均匀性的空间分辨率，而且声表面波在热弹机制下非接触激发，避免材料产生过热现象，从而实现无损检测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于固体中的非均勻性质进行无损诊断的技术，特别是一种固体材料非 均勻性质的无损检测方法。
技术介绍
超声波在非均勻材料中传播时都会发生频散并引起基于频率变化的能量损耗。 材料的非均勻性例如晶粒结构、沉积薄膜或层状结构等就是声波频散的主要原因，具体 表现为超声波波形逐渐扭曲。为了实现对随深度改变的材料性质进行无损检测、薄膜、 涂层等厚度进行检测以及类似的问题，必须要测量得到具有尽可能高精度的色散曲线。现有的测量非均勻材料中的色散方法是基于探测离激发源不同距离处的两个 宽带声表面波信号得到的，如文献1 。这种方法由于只利用了两个声表面波信号，相速度的测 量误差较大。该方法采用压电换能器激发，使得频宽范围相对较窄，同时由于是接触式 激发，换能器的尺寸限制使得两个声表面波之间的距离不可能太小，在确定相位差时会 带来2π的不确定性，从而会带来相速度测量上的误差。利用热栅分布的激光源可以激发不同波长的窄带声表面波，计算不同频率 的声波波速得到色散曲线能对材料沿深度方向的非均勻性进行分析，如文献2。文中使用热栅分布的 激光源需要高精度空间相位调制器通过控制软件调制而成，一方面设备成本较高，另一 方面为保证激发效率对激光器有特殊要求，一般的纳秒级激光器并不适用；只探测固定 传播距离不同中心频率的窄带信号进行相速度计算分析误差较大，并不能保证足够的测 量可靠度。因此开发一种精确测量声表面波色散，进而无损检测固体材料非均勻性质的 高可靠性技术是非常必要的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种对固体材料的空间非均勻性进行无损检测的方法， 这种方法使各频率的相速度测量精度更高，可以避免相位的不确定性，能在更宽的频率 范围内无损探测，因此测量材料非均勻性的空间分辨率更高。实现本专利技术目的的技术解决方案为一种固体材料非均勻性质的无损检测方 法，步骤如下第一步，通过探测N个由激光激发并传播不同距离的声表面波信号，N22;第二步，对获取的N个传播不同距离的声表面信号数据进行处理，即(1)首先把每个信号离散傅里叶变换为振幅谱和相位谱，得到各频率成分下与 波传播距离X1相关的N个振幅值A1G = Ρ··Ν)和N个相位值仍(/ = 1…N)，其中相位Inf仍是距离Xl的函数；(2)通过最小二乘法把各频率下相位和距离的关系拟合成直线；(3)各频率时的相速度则为<^=￥，￡为频率，k为直线的斜率，根据各频率的相速度值Cf得到色散曲线，从而反映了固体材料的非均勻性质。本专利技术与现有技术相比，其显著优点(1)利用脉冲激光线源激发声表面波， 不仅增大了频率范围，因此提高探测材料非均勻性的空间分辨率，而且声表面波在热弹 机制下非接触激发，避免材料产生过热现象，从而实现无损检测；(2)通过采集大量传 播了不同距离的表面声波数据来进行色散分析，可以大大减少由有限的信噪比带来的相 位计算误差和确定传播距离时的误差，从而显著提高了相速度的测量精度；(3)图2的 设计方案可以控制声表面波源之间的距离足够小，使得相邻声表面波之间的相位差小于 2π，从而可以有效地避免了 的相位不确定性，提高声表面波相速度测量的精度。 (4)利用脉冲激光激发宽带声表面波，改变激发点和探测点的距离，探测大量传播了不同 距离的声表面波信号，根据声表面波波形随传播距离的改变计算非均勻固体中的声表面 波色散。利用柱面透镜把脉冲激光聚焦成线源，作为样品表面狭长区域内的热弹源，非 接触式激发垂直于线源方向传播的声表面波。(5)采用多个具有相等间距的换能器探测固 定激光线源激发的声表面波，或者采用等间距的激光线源移动激发，固定位置的换能器 接收大量传播了不同距离的声表面波。可以采用接触式的压电换能器探测，也可以采用 非接触式的光学或电磁方法探测；在非接触式的激发或探测时，可以采用精密步进电机 等间距的改变激发位置或探测位置，从而实现探测传播不同距离的声表面波信号。下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。附图说明图1是使用一个声表面波激发源和N个换能器激发和探测声表面波的设计检测系 统示意图。图2是使用步进电机移动激光线源在距换能器距离N个不同位置时探测声表面波 的设计检测系统示意图。图3是对N个信号作傅里叶变换后，给出的几个频率下相位和波传播距离的函数 关系曲线图。图4是根据相位与距离函数关系计算各频率相速度，从而得到的色散曲线。 具体实施例方式本专利技术固体材料非均勻性质的无损检测方法，步骤如下第一步，通过探测N个由激光激发并传播不同距离的声表面波信号，Ν22;第二步，对获取的N个传播不同距离的声表面信号数据进行处理，即(1)首先把每个信号离散傅里叶变换为振幅谱和相位谱，得到各频率成分下与 波传播距离X1相关的N个振幅值A1G = Ρ··Ν)和N个相位值灼( ' = 1…N)，其中相位灼 是距离&的函数。(2)通过最小二乘法把各频率下相位和距离的关系拟合成直线，图3即为几个频率下相位于距离的拟合直线图。(3)各频率时的相速度则为C^ ，f为频率，k为直线的斜率，根据各频率的K相速度值Cf得到色散曲线(如图4所示)，从而反映了固体材料的非均勻性质。其中，第一步中探测N个由激光激发并传播不同距离的声表面波信号的方法为 两种，其中一种方法如图1所示，具体如下首先设计检测系统，该检测系统包含脉冲激光器、柱面透镜、N个压电换能 器、固体材料样品、多通道ADC和计算机，计算机、多通道ADC、N个压电换能器依次 相连；将脉冲激光器发出的短脉冲激光作为激光光源，通过柱面透镜把激光聚焦成线光 源辐照在固体材料样品表面，作为固体材料样品的声表面波的激发源，固体材料吸收脉 冲激光能量后，在样品表面很窄的激光聚集区域内产生一个局部的短脉冲的热应力，激 发出宽带的声表面波激发出声表面波，并沿表面传播；各压电换能器固定在线光源中轴线方向上，分别把位于X1G = 1···Ν)处的压电换 能器下压至固体材料样品表面，依次探测不同位置的声表面波信号，也即探测到传播不 同距离的声表面波，并把声表面波信号转换成电信号输入多通道ADC，然后多通道ADC 把各压电换能器探测到的声表面波信号转换成数字信号输入计算机，该计算机记录各声 表面波的信号数据并进行后续的数据处理。第一步中探测N个由激光激发并传播不同距离的声表面波信号的第二种方法如 图2所示，具体如下首先设计检测系统，该检测系统包括脉冲激光器、柱面透镜、步进电机、单个 压电换能器、固体材料样品、单通道示波器和计算机，步进电机分别连接脉冲激光器、 柱面透镜，该计算机控制单通道示波器、步进电机，单通道示波器与单个压电换能器相 连。采用步进电机移动激光光束，其优点是移动空间步长很小，能够激发出大量的传播 距离相隔很短的声表面波，大大了提高探测的精度。脉冲激光器激发的短脉冲激光通过 柱面透镜聚焦线光源辐照在固体材料样品表面X1G = 1…N)的位置，作为固体材料表面 的声表面波的激发源，固体材料吸收脉冲激光能量后，在样品表面很窄的激光聚集区域 内产生一个局部的短脉冲的热应力，激发出宽带的声表面波激发出声表面波，并沿表面 传播；其中脉冲激光器和柱面镜固定在步进电机的平移台上，计算机控制步进电机使 激光线光源沿轴向精确移动，在不同的位置X1G = 1…N)处激发声表本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种固体材料非均匀性质的无损检测方法，其特征在于步骤如下：第一步，通过探测Ｎ个由激光激发并传播不同距离的声表面波信号，Ｎ≥２；第二步，对获取的Ｎ个传播不同距离的声表面信号数据进行处理，即：（１）首先把每个信号离散傅里叶变换为振幅谱和相位谱，得到各频率成分下与波传播距离ｘ↓［ｉ］相关的Ｎ个振幅值Ａ↓［ｉ］（ｉ＝１…Ｎ）和Ｎ个相位值φ↓［ｉ］（ｉ＝１…Ｎ），其中相位φ↓［ｉ］＝２πｆ／Ｃ↓［ｆ］ｘ↓［ｉ］是距离ｘ↓［ｉ］的函数；（２）通过最小二乘法把各频率下相位和距离的关系拟合成直线；（３）各频率时的相速度则Ｃ↓［ｆ］＝２πｆ／ｋ，为ｆ为频率，ｋ为直线的斜率，根据各频率的相速度值Ｃ↓［ｆ］得到色散曲线，从而反映了固体材料的非均匀性质。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：沈中华，董利明，阿雷克塞罗莫诺索夫，倪辰荫，倪晓武，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：84