本發(fā)明涉及超聲無損檢測的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于確定材料的彈性模量的空氣耦合超聲檢測方法。

背景技術(shù)：

無損檢測(Nondestructive Testing)簡稱NDT，是不破壞和損傷受檢物體，對它的性能、質(zhì)量、有無內(nèi)部缺陷進行檢測的一種技術(shù)。在現(xiàn)有的無損檢測方法中，常規(guī)方法有射線探傷(RT)方法、超聲檢測(UT)方法、滲透探查(PT)方法、磁粉檢測(MT)方法、渦流檢測(ET)方法，當然還有微波檢測方法、電位檢測方法等。

超聲檢測(UT)是利用超聲波在被檢測材料中傳播時，材料的聲學特性和內(nèi)部組織的變化對超聲波的傳播產(chǎn)生一定的影響，通過對超聲波受影響程度和狀況的探測了解材料性能和結(jié)構(gòu)變化。當超聲波進入物體遇到缺陷時，一部分聲波就會產(chǎn)生反射、透射及折射，接收傳感器通過對這些特征波進行分析，來測量材料的厚度、發(fā)現(xiàn)隱藏的內(nèi)部缺陷，或來分析諸如金屬、塑料、復合材料、陶瓷、橡膠以及玻璃等材料的物化特性等。

空氣耦合超聲檢測以空氣作為耦合介質(zhì)，與常規(guī)超聲檢測方法相比，換能器無需接觸工件，被測試樣也避免了耦合劑的污染，因此便于工件的現(xiàn)場檢測。導波是超聲波的一種，是由于介質(zhì)邊界的存在而產(chǎn)生的波，導波在傳播過程中以反射與折射的方式與邊界發(fā)生作用，產(chǎn)生橫波和縱波間的模態(tài)轉(zhuǎn)換，所以導波就呈現(xiàn)出了常規(guī)聲波所不具有的一些特點，最主要的特征就是具有頻散現(xiàn)象、多模態(tài)和較遠的傳播距離。其中，導波的頻散特性中就包含著材料的彈性參數(shù)信息，如彈性模量、泊松比等。目前并沒有成熟的通過研究材料中導波的頻散特性去測量材料彈性參數(shù)的方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中沒有成熟的通過對材料中導波頻散特性來進行材料的彈性模量測量的方法的缺陷，提出一種用于確定材料的彈性模量的空氣耦合超聲檢測方法。

本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案來解決上述技術(shù)問題的：

本發(fā)明提供了一種用于確定材料的彈性模量的空氣耦合超聲檢測方法，其特點在于，采用空氣耦合超聲檢測設(shè)備實施所述空氣耦合超聲檢測方法，所述空氣耦合超聲檢測設(shè)備包括超聲波的發(fā)射探頭和接收探頭，所述空氣耦合超聲檢測方法包括以下步驟：

步驟一、根據(jù)對稱模式和反對稱模式的導波頻散關(guān)系式，由給定的頻厚積、由待測材料制成的待測板的密度以及彈性模量和泊松比的估計值，求解出給定的頻厚積下各個模態(tài)的導波相速度，進而得到待測材料中導波的第一理論頻散曲線，所述第一理論頻散曲線為對稱模式及反對稱模式的相速度-頻厚積曲線，其中對稱模式和反對稱模式的導波頻散關(guān)系式分別為如下的公式(1)、(2)：

其中，k＝ω/c，ω＝2πf，

上述公式中d是待測板的厚度，f是導波的頻率，ω是導波的角頻率，c是導波相速度，k為波數(shù)，C_L是待測材料中的縱波波速，G_T是待測材料中的橫波波速，E為材料彈性模量，v為泊松比，ρ為待測板的密度，d、f之積為頻厚積；

步驟二、先利用導波的相速度理論值和折射定律求得在給定的頻厚積下導波的各個模態(tài)的諧振角，然后調(diào)節(jié)所述發(fā)射探頭和所述接收探頭使其與由待測板的厚度方向的夾角為求得的各個諧振角，并在與各個諧振角對應的頻厚積下測得待測板中的導波波長，根據(jù)測得的導波波長計算得到給定的頻厚積所對應的導波相速度，進而得到待測板中導波的第一實測頻散曲線，所述第一實測頻散曲線為對稱模式及反對稱模式的相速度-頻厚積曲線；

步驟三、根據(jù)第一理論頻散曲線得出第一導波相速度變化率曲線和第二導波相速度變化率曲線，第一導波相速度變化率曲線記錄有第一理論頻散曲線上每個點的第一相速度變化率、頻厚積及模態(tài)，每個點的第一相速度變化率為當彈性模量增大預設(shè)的第一百分比幅值后導波相速度的理論變化量，第二導波相速度變化率曲線記錄有第一理論頻散曲線上每個點的第二相速度變化率、頻厚積及模態(tài)，每個點的第二相速度變化率為當泊松比增大預設(shè)的第二百分比幅值后導波相速度的理論變化量，所述理論變化量均根據(jù)所述第一理論頻散曲線所對應的導波頻散關(guān)系式計算得出；

步驟四、根據(jù)第一導波相速度變化率曲線、第二導波相速度變化率曲線，找出多對計算點對，每一對計算點對由第一相速度變化率大于預設(shè)的第一閾值、且第二相速度變化率異號的兩個點組成；

步驟五、針對計算點對中的每一點，以其對應的彈性模量和泊松比替代步驟一中彈性模量和泊松比的估計值，并重復步驟一的計算過程得到待測材料中導波的第二理論頻散曲線，然后重復步驟二以基于第二理論頻散曲線測得第二實測頻散曲線；

步驟六、根據(jù)所述多對計算點對中各個點的模態(tài)和頻厚積從第二實測頻散曲線中查出各個點對應的第二實測導波相速度，以第二實測導波相速度c_i為初始解，由對稱模式和反對稱模式的導波頻散關(guān)系式(1)或(2)求出第二理論導波相速度c(f_i，c_i，ρ，E⁰，v⁰)，然后根據(jù)相速度偏差的最小平方和優(yōu)化算法，根據(jù)以下公式(3)，

求出待測材料的彈性模量，其中，E⁰、ν⁰分別為待測材料的彈性模量和泊松比，n為所述多對計算點對中點的總數(shù)量，點的序號i遍歷1至n，f_i是序號為i的點對應的導波頻率。

較佳地，第一百分比幅值小于2％。

較佳地，第二百分比幅值小于1％。

較佳地，所述空氣耦合超聲檢測設(shè)備還包括工控機、數(shù)據(jù)采集卡、信號發(fā)生器、功率放大器和前置放大器，其中，所述發(fā)射探頭和所述接收探頭位于待測板的同側(cè)，且其設(shè)置方向相對于待測板的法向?qū)ΨQ，所述信號發(fā)生器經(jīng)所述功率放大器連接至所述發(fā)射探頭，所述接收探頭經(jīng)所述前置放大器連接至數(shù)據(jù)采集卡和工控機，并且所述數(shù)據(jù)采集卡還與所述信號發(fā)生器或所述功率放大器相連接，以保證發(fā)射信號和接收信號的同步。

在符合本領(lǐng)域常識的基礎(chǔ)上，上述各優(yōu)選條件，可任意組合，即得本發(fā)明各較佳實例。

本發(fā)明的積極進步效果在于：

本發(fā)明的空氣耦合超聲檢測方法，解決了由于頻散曲線關(guān)于材料彈性參數(shù)的非線性特征導致彈性模量的求解算法不收斂的問題，實現(xiàn)了對于材料的彈性模量的無損測量，并且測量結(jié)果準確。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一較佳實施例的空氣耦合超聲檢測方法的流程圖。

圖2A示出了本發(fā)明一較佳實施例中計算得到的待測材料中導波的第一理論頻散曲線中對稱模式的頻散曲線的示例。

圖2B示出了本發(fā)明一較佳實施例中計算得到的待測材料中導波的第一理論頻散曲線中反對稱模式的頻散曲線的示例。

圖3A為本發(fā)明一較佳實施例中的相速度隨彈性模量的線性變化示意圖的示例。

圖3B為本發(fā)明一較佳實施例中的相速度隨彈性模量的線性變化示意圖的示例。

圖4A示出了本發(fā)明一較佳實施例中計算得到的導波相速度相對于彈性模量的變化率曲線的示例。

圖4B示出了本發(fā)明一較佳實施例中計算得到的導波相速度相對于泊松比的變化率曲線的示例。

具體實施方式

下面結(jié)合說明書附圖，進一步對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細描述，以下的描述為示例性的，并非對本發(fā)明的限制，任何的其他類似情形也都落入本發(fā)明的保護范圍之中。

在以下的具體描述中，方向性的術(shù)語，例如“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”、等，參考附圖中描述的方向使用。本發(fā)明的實施例的部件可被置于多種不同的方向，方向性的術(shù)語是用于示例的目的而非限制性的。

根據(jù)本發(fā)明較佳實施例的用于確定材料的彈性模量的空氣耦合超聲檢測方法，其采用空氣耦合超聲檢測設(shè)備實施?？諝怦詈铣暀z測設(shè)備，可以包括超聲波的發(fā)射探頭和接收探頭，以及工控機、數(shù)據(jù)采集卡、信號發(fā)生器、功率放大器和前置放大器。其中，發(fā)射探頭和接收探頭位于待測板的同側(cè)，且其設(shè)置方向相對于待測板的法向?qū)ΨQ，信號發(fā)生器經(jīng)功率放大器連接至發(fā)射探頭，接收探頭經(jīng)前置放大器連接至數(shù)據(jù)采集卡和工控機，并且數(shù)據(jù)采集卡還與信號發(fā)生器或功率放大器相連接，以保證發(fā)射信號和接收信號的同步。

發(fā)射探頭與接收探頭的角度能夠靈活旋轉(zhuǎn)，可以調(diào)節(jié)至各模態(tài)導波所對應的諧振角，從而能夠激發(fā)出所需模態(tài)的導波。由于導波的頻散特性，當改變發(fā)射探頭與接收探頭之間距離時，接收信號的強度會發(fā)生周期性的變化，當此距離為導波半波長的整數(shù)倍時，接收信號強度出現(xiàn)極大值。因此，精確測出接收信號的相鄰若干次極大值所對應的發(fā)射與接收探頭的間距，就可以得到導波波長。

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)本發(fā)明較佳實施例的空氣耦合超聲檢測方法可由材料中的導波波長，進而求得導波相速度，繪制出導波頻散曲線。然后分別計算針對材料彈性模量和泊松比的導波相速度變化率，篩選相速度變化率絕對值大的點用于反求彈性參數(shù)，由此解決了由于頻散曲線上部分點對材料彈性模量和泊松比的變化不靈敏導致求解結(jié)果不準確的問題。并且，根據(jù)本發(fā)明較佳實施例的空氣耦合超聲檢測方法還利用了材料的彈性參數(shù)小幅度變化時，相速度近似成線性變化的特點，運用相速度偏差最小平方和的優(yōu)化方法，選取相速度偏差平方等值線容易在彈性參數(shù)初始解附近相交的點代入計算，從而解決了由于頻散曲線關(guān)于材料彈性參數(shù)的顯著非線性特征而導致求解算法不收斂的問題。以下將詳細描述根據(jù)本發(fā)明較佳實施例的空氣耦合超聲檢測方法的具體步驟。

參考圖1所示，根據(jù)本發(fā)明較佳實施例的空氣耦合超聲檢測方法大體上包括以下步驟：步驟一、根據(jù)對稱模式和反對稱模式的導波頻散關(guān)系式，求解得到待測材料中導波的第一理論頻散曲線；步驟二、利用第一理論頻散曲線實驗測得在給定的頻厚積下待測板中的導波波長，得出導波的第一實測頻散曲線；步驟三、計算得出導波相速度隨彈性模量的變化率和導波相速度隨泊松比的變化率曲線；步驟四、根據(jù)導波相速度變化率曲線篩選出多對計算點對；步驟五、針對計算點對中的每一點，以其對應的彈性模量和泊松比重復步驟一、二的計算過程得到第二實測頻散曲線；步驟六、根據(jù)第二實測頻散曲線利用相速度偏差的最小平方和優(yōu)化算法求解待測材料的彈性模量。

以下將詳細介紹上述空氣耦合超聲檢測方法的實施過程。

首先，測量并繪制待測材料中導波的第一實測頻散曲線。

具體來說，根據(jù)對稱模式和反對稱模式的導波頻散關(guān)系式，由給定的頻厚積、由待測材料制成的待測板的密度以及彈性模量和泊松比的估計值，求解出給定的頻厚積下各個模態(tài)的導波相速度，進而得到待測材料中導波的第一理論頻散曲線，第一理論頻散曲線為對稱模式及反對稱模式的相速度-頻厚積曲線，其中對稱模式和反對稱模式的導波頻散關(guān)系式分別為如下的公式(1)、(2)：

其中，k＝ω/c，ω＝2πf，

上述公式中d是待測板的厚度，f是導波的頻率，ω是導波的角頻率，c是導波相速度，k為波數(shù)，C_L是待測材料中的縱波波速，C_T是待測材料中的橫波波速，E為材料彈性模量，v為泊松比，ρ為待測板的密度，d、f之積為頻厚積。至此，得到的待測材料中導波的第一理論頻散曲線可參考圖2A及圖2B所示，其中圖2A示出對稱模式的頻散曲線，圖2B示出反對稱模式的頻散曲線。

利用導波的相速度理論值和折射定律(其中C_{L_air}為空氣中縱波波速)求得在給定的頻厚積下導波的各個模態(tài)的諧振角，然后調(diào)節(jié)發(fā)射探頭和接收探頭使其與由待測板的厚度方向的夾角為求得的各個諧振角，選取激勵信號頻率為給定的頻厚積除以待測板的厚度，就會在板材中激勵出所測模態(tài)的導波。通過改變兩探頭之間的距離，當接收信號第一次出現(xiàn)極大值時記錄下當前探頭的位置，記為X₀。繼續(xù)改變兩探頭之間的距離，記錄下接收信號再次出現(xiàn)N次極大值時的探頭位置，記為X₁，那么材料中導波的波長就可通過公式計算得到，并進而求出導波的相速度c為按照上面的過程可測得各個給定的頻厚積所對應的導波相速度，進而可以計算得到待測板中導波的第一實測頻散曲線，第一實測頻散曲線為對稱模式及反對稱模式的相速度-頻厚積曲線。至此，即得到了待測板中實際的導波頻散曲線。

在上述步驟得到的第一實測頻散曲線的基礎(chǔ)上，理論上來說，對稱模式和反對稱模式的頻散曲線關(guān)系式中的未知參量只有彈性模量和泊松比，利用對稱模式和反對稱模式的這兩個方程就可以求解。然而，由于頻散曲線關(guān)于材料彈性模量和泊松比的非線性特征非常明顯，即使實驗所測值很精確，通常的反求材料彈性參數(shù)的方法也會出現(xiàn)求解算法不收斂的問題，并且只選兩個點建立方程組使得測量誤差對于計算結(jié)果有顯著影響，從而難以得到可靠的最終結(jié)果。

盡管頻散曲線整體上呈現(xiàn)出很強的非線性特征，但是當彈性模量和泊松比在很小的范圍內(nèi)變化時，導波相速度基本呈線性變化。舉例來說，參考圖3A及圖3B所示，圖中縱坐標為導波相速度的變化量，橫坐標則分別為彈性模量及泊松比，用以示出導波相速度隨彈性模量和泊松比在小范圍內(nèi)變動的線性變化曲線。圖3A及3B中，以導波相速度c與選定的這一小范圍內(nèi)導波相速度的參考值c₀之差與參考值c₀之比顯示其變化，并以彈性模量E與選定的這一小范圍內(nèi)彈性模量的參考值E₀之比顯示各點的彈性模量大小，以泊松比v與選定的這一小范圍內(nèi)泊松比的參考值v₀之比顯示各點的泊松比的大小。因而圖3A及3B中橫坐標及縱坐標均為無量綱量。舉例來說，所選點可以為頻散曲線上S0(0.5，8.311)、S0(3.3，6.308)、S1(7，8.689)，彈性模量變化范圍為-1％～+1％，泊松比變化范圍為-0.5％～+0.5％。當彈性模量和泊松比在小范圍內(nèi)變化時，導波相速度近似隨彈性模量增大線性增大，而隨泊松比增大可能接近線性增大或線性減小，也可能近似不變。總之，當材料彈性參數(shù)在小范圍變化時，線速度偏差呈現(xiàn)出很強的線性變化特征。因此，利用“當彈性模量和泊松比在很小的范圍內(nèi)變化時，導波相速度基本呈線性變化”這一特點，通過合理選取參考點，可避免上述頻散曲線的非線性特征明顯所帶來的問題。

另一方面，對稱模式和反對稱模式的實際的導波頻散曲線上，并不是所有的點的彈性參數(shù)變化后，相速度都會有明顯的變化，而本發(fā)明在計算中顯然需要對于相速度影響更明顯，或者說更靈敏的點。為了得到相速度關(guān)于材料彈性模量和泊松比變化的靈敏度，將材料彈性模量和泊松比的值分別增大一定量，比如較低的百分比，例如1％，然后運用對稱模式和反對稱模式的實際的導波頻散曲線來計算導波相速度的變化量，進而用導波相速度的變化量與彈性模量變化量或泊松比變化量的比值，繪制出導波相速度變化率曲線，參考圖4A及圖4B所示。其中，圖4A示出導波相速度相對于彈性模量的變化率曲線，圖4B示出導波相速度相對于泊松比的變化率曲線。在上述曲線中數(shù)值絕對值大的點表明導波相速度對彈性模量和泊松比的變化靈敏，選擇這些點計算材料的彈性模量會使計算結(jié)果更加準確。相反，運用相速度對彈性模量和泊松比的變化不敏感的點用于計算會降低計算結(jié)果的準確性。

此外，由于導波相速度總是隨彈性模量增大而增大的，因此選擇隨泊松比增大導波相速度變化率數(shù)值異號的點來反求彈性模量，會使得算法更加容易收斂。

基于上述分析，本實施例的方法，在上述步驟得到的第一實測頻散曲線的基礎(chǔ)上，根據(jù)第一理論頻散曲線得出第一導波相速度變化率曲線和第二導波相速度變化率曲線，第一導波相速度變化率曲線記錄有第一理論頻散曲線上每個點的第一相速度變化率、頻厚積及模態(tài)，每個點的第一相速度變化率為當彈性模量增大預設(shè)的第一百分比幅值后導波相速度的理論變化量，第二導波相速度變化率曲線記錄有第一理論頻散曲線上每個點的第二相速度變化率、頻厚積及模態(tài)，每個點的第二相速度變化率為當泊松比增大預設(shè)的第二百分比幅值后導波相速度的理論變化量，理論變化量均根據(jù)第一理論頻散曲線所對應的導波頻散關(guān)系式計算得出。

然后，根據(jù)第一導波相速度變化率曲線、第二導波相速度變化率曲線，找出多對計算點對，每一對計算點對由第一相速度變化率大于預設(shè)的第一閾值、且第二相速度變化率異號的兩個點組成，由此實現(xiàn)對參與最終反求彈性模量的數(shù)值點的篩選。

接下來，針對篩選得到的計算點對中的每一點，以其對應的彈性模量和泊松比替代在上述第一理論頻散曲線的計算過程中采用的彈性模量和泊松比的估計值，并重復第一理論頻散曲線的計算過程得到待測材料中導波的第二理論頻散曲線，然后重復上述第一實測頻散曲線的計算過程以基于第二理論頻散曲線測得第二實測頻散曲線。

最后，進行彈性模量的求解。根據(jù)多對計算點對中各個點的模態(tài)和頻厚積從第二實測頻散曲線中查出各個點對應的第二實測導波相速度，以第二實測導波相速度c_i為初始解，由對稱模式和反對稱模式的導波頻散關(guān)系式(1)或(2)求出第二理論導波相速度c(f_i，c_i，ρ，E⁰，v⁰)，然后根據(jù)相速度偏差的最小平方和優(yōu)化算法，根據(jù)以下公式(3)，

求出待測材料的彈性模量，其中，E⁰、v⁰分別為待測材料的彈性模量和泊松比，n為多對計算點對中點的總數(shù)量，點的序號i遍歷1至n，f_i是序號為i的點對應的導波頻率。

當根據(jù)一對計算點對確定一組彈性模量E和泊松比v時，可以由此得出比較貼近實際的頻散曲線(包含多個模態(tài))，從而可以得到一組不同模態(tài)的導波理論相速度，并基于導波理論相速度測出相應的導波實際相速度，進而就能根據(jù)公式(3)中的括號中的部分計算得到相速度偏差的平方和。而如前，篩選得到的多對計算點對，因而可相應地計算得到多個相速度偏差的平方和。在這些相速度偏差的平方和中，取其中的最小的相速度偏差的平方和所對應的一組彈性模量和泊松比作為最終結(jié)果。

經(jīng)測試，采用本發(fā)明的空氣耦合超聲檢測方法，通過篩選相速度變化率絕對值大的點用于反求彈性參數(shù)，解決了由于部分點相速度對彈性模量和泊松比的變化不靈敏導致求解結(jié)果不準確的問題，同時通過運用相速度偏差最小平方和的優(yōu)化方法，解決了由于頻散曲線關(guān)于材料彈性參數(shù)的非線性特征導致求解算法不收斂的問題，能夠通過空氣耦合超聲檢測方法準確地實現(xiàn)對于材料的彈性模量的無損測量。

雖然以上描述了本發(fā)明的具體實施方式，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應當理解，這些僅是舉例說明，本發(fā)明的保護范圍是由所附權(quán)利要求書限定的。本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不背離本發(fā)明的原理和實質(zhì)的前提下，可以對這些實施方式做出多種變更或修改，但這些變更和修改均落入本發(fā)明的保護范圍。