本发明专利技术的目的在于提供弹性固体中声速测量方法。将矩形弹性板通过棉线与旋转装置相连接，收发换能器通过连接杆与固定装置相连接，矩形弹性板和收发换能器均位于水中；以声波垂直入射弹性板正横方向为起始位置，收发换能器发射脉冲信号，接收并测量弹性板的回波信号，通过测量的所有旋转角度的回波信号，得到弹性散射波出现的角度，从而得到弹性板中Ｌａｍｂ波传播的相速度，建立水中弹性板Ｌａｍｂ波传播模型，得到频散方程，将相速度分别代入水中弹性板的对称和反对称频散方程，得到弹性固体中的纵波和横波波速。本发明专利技术可以同时测量得到固体中的横波和纵波波速，不需分别测量，提高了测量效率。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及的是一种测量领域的声速测量方法。
技术介绍
声波可以在气体、液体和固体中传播。气体和液体中传播的声波只有纵波(或称 压缩波)；固体中传播的声波包含纵波和横波。声波传播速度的测量方法主要有驻波法、相 位比较法和时差法。驻波法和相位比较法采用连续波测量，需要在介质中连续变化换能器 位置，一般适合在气体和液体介质中测量声速。黄龙沫等人(用驻波法测量固体中声速和 材料杨氏弹性模量的实验尝试，实验技术与管理，1993，10 (3))尝试用驻波法测量固体中的 声速，但只能测量固体中的纵波波速。马志斌等(专利申请号=200520013174. 8)和周小风 等(专利申请号=200510060543. 3)采用时差法测量固体中的纵波波速。杨士莪等(专利 申请号=200610150991. 7)通过弹性球散射场声压模函数进行勒让德展开的方法，可以同 时测得材料的横、纵波速，但其需要非常严格的同步条件以去除池壁反射波的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能同时测量弹性固体中纵波和横波波速的弹性固体 中声速测量方法。本专利技术的目的是这样实现的本专利技术，其特征是(1)将矩形弹性板通过棉线与旋转装置相连接，收发换能器通过连接杆与固定装 置相连接，矩形弹性板和收发换能器均位于水中，矩形弹性板上边缘与水面平行，且弹性板 中心与收发换能器中心处在相同深度；(2)确定测量的起始位置以声波垂直入射弹性板正横方向为起始位置；(3)收发换能器发射CW脉冲信号，接收并测量弹性板的回波信号，以0. 1度为步 长旋转弹性板，待旋转弹性板在水中静止后，重复所述的测量，直至完成旋转弹性板旋转90 度结束测量；(4)通过测量的所有旋转角度的回波信号，得到弹性散射波出现的角度θ，通过 公式sin θ = Cl/Cp计算得到弹性板中Lamb波传播的相速度cp，其中C1为水中声速；(5)建立水中弹性板Lamb波传播模型，得到频散方程为对称模态-f2)2 sin(^)cos(a/z)+ Αξ2αβsin(a/z)cos(/%)}-i[β2 +ξ2} sin(^)sin^)}= 0，反对称模态- ξ2 )2 sin(a/z)cos(/%)+乂2幼 cos(a/z)sin(/%)}+ ^^ιβ2 +^2)2cos(^)cos(^)}=0’PrIcT2 2 2 Λ CO"ι ‘) CO^ ^ O)_ CO其中仅2二1一<242=~^-<2，772二了-#2，< = 一，(0 =2π ·，ω 为角频率，fCLCTC\CP为声波频率，P ！为水的密度，C1为水中声速，P为弹性板密度，2h为板的厚度，Cl和Ct分别 表示固体中的纵波和横波速度，Cp为弹性板中Lamb波传播的相速度，/ = V^T为虚数单位；将Lamb波相速度Cp分别代入水中弹性板的对称和反对称频散方程，得到一组非 线性方程组，采用优化算法中的遗传算法对方程组进行求解，定义代价函数F为Mtt E(cl) +E[cTf其中M表示重复实验的次数， 和q表示进行第η次实验得到的纵波和横波波 速，五fc)和五g)表示M次实验结果的平均值，M的值大于5，当F接近0时，优化计算得到的 e(Cl )m{cT)即分别为弹性固体中的纵波和横波波速。本专利技术的优势在于可以同时测量得到固体中的横波和纵波波速，不需分别测量， 提高了测量效率。附图说明图1为本专利技术的水中弹性板Lamb传播示意图；图2为本专利技术的有限大弹性板中的前向和反向弹性散射波示意图；图3为本专利技术的实验测量布置示意图；图4为本专利技术实施方式1实际测量一钢板目标回波的角度_时间伪彩图。 具体实施例方式下面结合附图举例对本专利技术做更详细地描述实施方式1 结合图1 4，本专利技术，其特征是(1)将矩形弹性板3通过棉线2与旋转装置1相连接，收发换能器6通过连接杆5 与固定装置4相连接，矩形弹性板3和收发换能器6均位于水中，矩形弹性板3上边缘与水 面7平行，且弹性板3中心与收发换能器6中心处在相同深度；(2)确定测量的起始位置以声波垂直入射弹性板3正横方向为起始位置；(3)收发换能器6发射CW脉冲信号，接收并测量弹性板3的回波信号，以0. 1度为 步长旋转弹性板3，待旋转弹性板3在水中静止后，重复所述的测量，直至完成旋转弹性板3 旋转90度结束测量；(4)通过测量的所有旋转角度的回波信号，得到弹性散射波出现的角度θ，通过 公式sin θ = Cl/Cp计算得到弹性板中Lamb波传播的相速度cp，其中C1为水中声速；(5)建立水中弹性板Lamb波传播模型，得到频散方程为对称模态 反对称模态 其中 ω = 2JTf, ω 为角频率，f 为声波频率，P ！为水的密度，C1为水中声速，P为弹性板密度，2h为板的厚度，Cl和Ct分别 表示固体中的纵波和横波速度，Cp为弹性板中Lamb波传播的相速度 为虚数单位；将Lamb波相速度Cp分别代入水中弹性板3的对称和反对称频散方程，得到一组 非线性方程组，采用优化算法中的遗传算法对方程组进行求解，定义代价函数F为 其中M表示重复实验的次数，和表示进行第η次实验得到的纵波和横波波速，表示M次实验结果的平均值，M的值大于5，当F接近0时，优化计算得到的 E(cL )和五(cv )即分别为弹性固体中的纵波和横波波速。通过杨氏模量与横、纵波速的关系式，如下式，同时可以得到弹性体中的杨氏模量 E和泊松系数σ。 σ = 2 2其中，q和cT分别为弹性固体中的纵波和横波波速五(q)，P为固体的密度。采用钢板为测量的固体弹性板3。钢板的厚度为1. 964mm，密度为7800kg/m3。收 发换能器6发射频率为790kHz、10个周期的CW脉冲信号。以声波垂直入射弹性板3正横 方向为起始位置，旋转弹性板3，每隔0. 1度测量一次板的回波信号，直至90度后结束 ’然 后将板旋转至起始位置，重复以上测量10次。将0 90度的测量结果以伪彩图的形式给 出，如图4为钢板一次测量的伪彩图，从图中读出弹性波强度最大时对应的临界角度，然后 计算对应的Lamb波传播的相速度cp，利用遗传算法反演纵波和横波波速。表1为M = 10时用遗传算法计算得到的纵波相速度和横波相速度的值。取E(Ci)、 五可以得到钢板的杨氏模量为208. 59GPa、泊松系数为0. 30。表1计算结果权利要求，其特征是(1)将矩形弹性板通过棉线与旋转装置相连接，收发换能器通过连接杆与固定装置相连接，矩形弹性板和收发换能器均位于水中，矩形弹性板上边缘与水面平行，且弹性板中心与收发换能器中心处在相同深度；(2)确定测量的起始位置以声波垂直入射弹性板正横方向为起始位置；(3)收发换能器发射CW脉冲信号，接收并测量弹性板的回波信号，以0.1度为步长旋转弹性板，待旋转弹性板在水中静止后，重复所述的测量，直至完成旋转弹性板旋转90度结束测量；(4)通过测量的所有旋转角度的回波信号，得到弹性散射波出现的角度θ，通过公式sinθ＝c1/cp计算得到弹性板中Lamb波传播的相速度cp，其中c1为水中声速；(5)建立水中弹性板Lamb波传播模型，得到频散方程为对称模态 <mrow><mo>{</mo><msup> <mrow本文档来自技高网...
【技术保护点】
弹性固体中声速测量方法，其特征是：（１）将矩形弹性板通过棉线与旋转装置相连接，收发换能器通过连接杆与固定装置相连接，矩形弹性板和收发换能器均位于水中，矩形弹性板上边缘与水面平行，且弹性板中心与收发换能器中心处在相同深度；（２）确定测量的起始位置：以声波垂直入射弹性板正横方向为起始位置；（３）收发换能器发射ＣＷ脉冲信号，接收并测量弹性板的回波信号，以０．１度为步长旋转弹性板，待旋转弹性板在水中静止后，重复所述的测量，直至完成旋转弹性板旋转９０度结束测量；（４）通过测量的所有旋转角度的回波信号，得到弹性散射波出现的角度θ，通过公式ｓｉｎθ＝ｃ↓［１］／ｃ↓［ｐ］计算得到弹性板中Ｌａｍｂ波传播的相速度ｃ↓［ｐ］，其中ｃ↓［１］为水中声速；（５）建立水中弹性板Ｌａｍｂ波传播模型，得到频散方程为：对称模态｛（β↑［２］－ξ↑［２］）↑［２］ｓｉｎ（βｈ）ｃｏｓ（αｈ）＋４ξ↑［２］αβｓｉｎ（αｈ）ｃｏｓ（βｈ）｝－ｉρ↓［１］ω↑［２］α／ρηｃ↓［Ｔ］↑［２］｛（β↑［２］＋ξ↑［２］）↑［２］ｓｉｎ（αｈ）ｓｉｎ（βｈ）｝＝０，反对称模态｛（β↑［２］－ξ↑［２］）↑［２］ｓｉｎ（αｈ）ｃｏｓ（βｈ）＋４ξ↑［２］αβｃｏｓ（αｈ）ｓｉｎ（βｈ）｝＋ｉρ↓［１］ω↑［２］α／ρηｃ↓［Ｔ］↑［２］｛（β↑［２］＋ξ↑［２］）↑［２］ｃｏｓ（αｈ）ｃｏｓ（βｈ）｝＝０，其中α↑［２］＝ω↑［２］／ｃ↓［Ｌ］↑［２］－ξ↑［２］，β↑［２］＝ω↑［２］／ｃ↓［Ｔ］↑［２］－ξ↑［２］，η↑［２］＝ω↑［２］／ｃ↓［１］↑［２］－ξ↑［２］，ξ＝ω／ｃ↓［ｐ］，ω＝２πｆ，ω为角频率，ｆ为声波频率，ρ↓［１］为水的密度，ｃ↓［１］为水中声速，ρ为弹性板密度，２ｈ为板的厚度，ｃ↓［Ｌ］和ｃ↓［Ｔ］分别表示固体中的纵波和横波速度，ｃ↓［ｐ］为弹性板中Ｌａｍｂ波传播的相速度，＊为虚数单位；将Ｌａｍｂ波相速度ｃ↓［ｐ］分别代入水中弹性板的对称和反对称频散方程，得到一组非线性方程组，采用优化算法中的遗传算法对方程组进行求解，定义代价函数Ｆ为：Ｆ＝１／Ｍ＊（ｃ′↓［Ｌｎ］－Ｅ（ｃ′↓［Ｌ］））↑［２］＋（ｃ′↓［Ｔｎ］－Ｅ（ｃ′↓［Ｔ］））↑［２］／Ｅ（ｃ′↓［Ｌ］）↑［２］＋Ｅ（ｃ′↓［Ｔ］）↑［２］其中Ｍ表示重复实验的次数，ｃ′↓［Ｌｎ］和ｃ′↓［Ｔｎ］表示进行第ｎ次实验得到的纵波和横波波速，Ｅ（ｃ′↓［Ｌ］）和Ｅ（ｃ′↓［Ｔ］...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：孙辉，朱广平，张明辉，陈文剑，孙筱逸，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]
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