[發明專利]固體材料非均勻性質的無損檢測方法

無效

• 申請號: 201010191680.1
• 申請日: 2010-06-04
• 公開（公告）號: CN102012401A
• 公開（公告）日: 2011-04-13
• 發明（設計）人: 沈中華;董利明;阿雷克塞.羅莫諾索夫;倪辰蔭;倪曉武
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G01N29/04
• 分類號: G01N29/04;G01N29/34
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 唐代盛

技術領域

本發明屬于固體中的非均勻性質進行無損診斷的技術，特別是一種固體材料非均勻性質的無損檢測方法。

背景技術

超聲波在非均勻材料中傳播時都會發生頻散并引起基于頻率變化的能量損耗。材料的非均勻性例如晶粒結構、沉積薄膜或層狀結構等就是聲波頻散的主要原因，具體表現為超聲波波形逐漸扭曲。為了實現對隨深度改變的材料性質進行無損檢測、薄膜、涂層等厚度進行檢測以及類似的問題，必須要測量得到具有盡可能高精度的色散曲線。

現有的測量非均勻材料中的色散方法是基于探測離激發源不同距離處的兩個寬帶聲表面波信號得到的，如文獻1[Patent?USA?4372163《Acoustic?measurement?of?nearsurface?property?gradients》]。這種方法由于只利用了兩個聲表面波信號，相速度的測量誤差較大。該方法采用壓電換能器激發，使得頻寬范圍相對較窄，同時由于是接觸式激發，換能器的尺寸限制使得兩個聲表面波之間的距離不可能太小，在確定相位差時會帶來2π的不確定性，從而會帶來相速度測量上的誤差。

利用熱柵分布的激光源可以激發不同波長的窄帶聲表面波，計算不同頻率的聲波波速得到色散曲線能對材料沿深度方向的非均勻性進行分析，如文獻2[Patent?CN101055265A《功能梯度材料的表面和近表面分層層析方法》]。文中使用熱柵分布的激光源需要高精度空間相位調制器通過控制軟件調制而成，一方面設備成本較高，另一方面為保證激發效率對激光器有特殊要求，一般的納秒級激光器并不適用；只探測固定傳播距離不同中心頻率的窄帶信號進行相速度計算分析誤差較大，并不能保證足夠的測量可靠度。因此開發一種精確測量聲表面波色散，進而無損檢測固體材料非均勻性質的高可靠性技術是非常必要的。

發明內容

本發明的目的在于提供一種對固體材料的空間非均勻性進行無損檢測的方法，這種方法使各頻率的相速度測量精度更高，可以避免相位的不確定性，能在更寬的頻率范圍內無損探測，因此測量材料非均勻性的空間分辨率更高。

實現本發明目的的技術解決方案為：一種固體材料非均勻性質的無損檢測方法，步驟如下：

第一步，通過探測N個由激光激發并傳播不同距離的聲表面波信號，N≥2；

第二步，對獲取的N個傳播不同距離的聲表面信號數據進行處理，即：

(1)首先把每個信號離散傅里葉變換為振幅譜和相位譜，得到各頻率成分下與波傳播距離x_i相關的N個振幅值A_i(i＝1…N)和N個相位值其中相位是距離x_i的函數；

(2)通過最小二乘法把各頻率下相位和距離的關系擬合成直線；

(3)各頻率時的相速度則為f為頻率，k為直線的斜率，根據各頻率的相速度值C_f得到色散曲線，從而反映了固體材料的非均勻性質。

本發明與現有技術相比，其顯著優點：(1)利用脈沖激光線源激發聲表面波，不僅增大了頻率范圍，因此提高探測材料非均勻性的空間分辨率，而且聲表面波在熱彈機制下非接觸激發，避免材料產生過熱現象，從而實現無損檢測；(2)通過采集大量傳播了不同距離的表面聲波數據來進行色散分析，可以大大減少由有限的信噪比帶來的相位計算誤差和確定傳播距離時的誤差，從而顯著提高了相速度的測量精度；(3)圖2的設計方案可以控制聲表面波源之間的距離足夠小，使得相鄰聲表面波之間的相位差小于2π，從而可以有效地避免了2π的相位不確定性，提高聲表面波相速度測量的精度。(4)利用脈沖激光激發寬帶聲表面波，改變激發點和探測點的距離，探測大量傳播了不同距離的聲表面波信號，根據聲表面波波形隨傳播距離的改變計算非均勻固體中的聲表面波色散。利用柱面透鏡把脈沖激光聚焦成線源，作為樣品表面狹長區域內的熱彈源，非接觸式激發垂直于線源方向傳播的聲表面波。(5)采用多個具有相等間距的換能器探測固定激光線源激發的聲表面波，或者采用等間距的激光線源移動激發，固定位置的換能器接收大量傳播了不同距離的聲表面波。可以采用接觸式的壓電換能器探測，也可以采用非接觸式的光學或電磁方法探測；在非接觸式的激發或探測時，可以采用精密步進電機等間距的改變激發位置或探測位置，從而實現探測傳播不同距離的聲表面波信號。

下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。

附圖說明

圖1是使用一個聲表面波激發源和N個換能器激發和探測聲表面波的設計檢測系統示意圖。

圖2是使用步進電機移動激光線源在距換能器距離N個不同位置時探測聲表面波的設計檢測系統示意圖。