[發(fā)明專利]一種超聲信號(hào)頻譜濾波技術(shù)無(wú)損測(cè)量涂層厚度的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310577801.X
• 申請(qǐng)日: 2013-11-14
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103615996B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-02-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 雷明凱;林莉;馬志遠(yuǎn);羅忠兵
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G01B17/02
• 分類號(hào): G01B17/02
• 代理公司: 大連星海專利事務(wù)所21208
• 代理人: 花向陽(yáng)

1.一種超聲信號(hào)頻譜濾波技術(shù)無(wú)損測(cè)量涂層厚度的方法，它采用一個(gè)包括試樣臺(tái)1、多層涂層試樣2、超聲波探頭3、超聲波探傷儀4、數(shù)字示波器5以及計(jì)算機(jī)6的脈沖超聲回波測(cè)厚系統(tǒng)；其特征是：

（1）在x-z平面中，超聲探頭發(fā)射聲壓為的超聲波垂直入射到介質(zhì)1/介質(zhì)2/介質(zhì)3/基體4三界面結(jié)構(gòu)中；介質(zhì)1為耦合層；介質(zhì)2與介質(zhì)3分別為被測(cè)涂層材料的涂層1與涂層2；超聲探頭接收到的反射回波聲壓P_反(x₁)為下列各反射回波的合成：界面1的反射回波P₁；界面2的反射回波P₂；界面3的反射回波P₃；則P_反(x₁)可表示為式（1）：

其中r₁₂、r₂₃和r₃₄分別為界面1、界面2和界面3的聲壓反射率，t₁₂和t₂₁為界面1處的聲壓透射率，t₂₃和t₃₂為界面2處的聲壓透射率，下標(biāo)表示超聲波從一種介質(zhì)到另一介質(zhì)的聲壓反射率或透射率；k_1z、k_2z和k_3z分別為超聲波在介質(zhì)1、介質(zhì)2和介質(zhì)3中沿z軸方向的波數(shù)，當(dāng)介質(zhì)中存在衰減時(shí)，k_1z=2πf/c₁+iα₁，k_2z=2πf/c₂+iα₂，k_3z=2πf/c₃+iα₃，f為超聲波頻率，α₁、α₂和α₃分別為介質(zhì)1、2、3的衰減系數(shù)，c₁、c₂和c₃分別為介質(zhì)1、2、3的縱波聲速；和為與超聲波傳播距離有關(guān)的指數(shù)因子；x₀為超聲波發(fā)射位置，x₁為超聲波在介質(zhì)1中傳播的距離，d₂和d₃分別為介質(zhì)2和介質(zhì)3的厚度；

將入射聲壓P_入(x₀)對(duì)反射聲壓P_反(x₁)做商處理，可得到歸一化后的聲壓反射系數(shù)R(x₁-x₀)：

R(x1-x0)=r12·eik1z·x1+t12·r23·t21·eik1z·x1·ei2·k2z·d2+t12·t23·r34·t32·t21·eik1z·x1·ei2·k2z·d2·ei2·k3z·d3---(2)]]>

將R(x₁-x₀)進(jìn)行FFT傅里葉變換，展開(kāi)為復(fù)數(shù)形式的傅立葉級(jí)數(shù)，并將該復(fù)數(shù)形式的傅立葉級(jí)數(shù)分離為相應(yīng)的實(shí)部函數(shù)Real(f)和虛部函數(shù)Imag(f)，其表達(dá)式為：

Real(f)=A·cos(2πft₁)+B·cos(2πf(t₁+t₂))+C·cos(2πf(t₁+t₂+t₃))????(3)

Imag(f)=A·sin(2πft₁)+B·sin(2πf(t₁+t₂))+C·sin(2πf(t₁+t₂+t₃))????(4)其中A=r12·e-α1·x1,]]>B=t12·r23·t21·e-(α1·x1+2α2·d2),]]>C=t12·t23·r34·t32·t21·e-(α1·x1+2α2·d2+2α3·d3);]]>t₁=x₁/c₁、t₂=2d₂/c₂、t₃=2d₃/c₃分別為超聲波在介質(zhì)1、2、3中的傳播時(shí)間；

（2）對(duì)實(shí)部函數(shù)Real(f)或虛部函數(shù)Imag(f)加矩形窗處理，窗函數(shù)表達(dá)式為V(f)：

其中f_q為超聲探頭-6dB的有效頻帶寬度前截止頻率，f_h為后截止頻率；加窗處理后的實(shí)部函數(shù)為Vreal(f)；

對(duì)實(shí)部函數(shù)Vreal(f)做傅里葉變換得到其功率譜M(τ)，τ為功率譜M(τ)的橫坐標(biāo)軸，對(duì)應(yīng)超聲波時(shí)域信號(hào)的時(shí)間軸t，單位為μs；在功率譜M(τ)中讀取第1、2、3極大峰值位置τ₁、τ₂、τ₃，并讀取各峰值-6dB對(duì)應(yīng)的范圍[τ_1q,τ_1h]、[τ_2q,τ_2h]與[τ_3q,τ_3h]；依據(jù)對(duì)應(yīng)的功率譜峰值位置，對(duì)實(shí)部函數(shù)Vreal(f)進(jìn)行FFT帶通濾波，帶通濾波范圍分別選擇[τ_1q,τ_1h]、[τ_2q,τ_2h]與[τ_3q,τ_3h]；實(shí)部函數(shù)Vreal(f)濾波后被剝離為函數(shù)Vreal₁(f)、Vreal₂(f)與Vreal₃(f)；

Vreal₁(f)=A·cos(2πft₁)?????????????(6)

Vreal₂(f)=B·cos(2πf(t₁+t₂))????????(7)

Vreal₃(f)=C·cos(2πf(t₁+t₂+t₃))????????(8)

（3）由Vreal₁(f)、Vreal₂(f)與Vreal₃(f)表達(dá)式可知，讀取實(shí)部函數(shù)譜中余弦信號(hào)的波動(dòng)周期，分別為1/t₁、1/(t₁+t₂)與1/(t₁+t₂+t₃)；通過(guò)余弦信號(hào)的波動(dòng)周期可以計(jì)算出超聲波在各介質(zhì)中的傳播聲時(shí)t_i，其中i取1、2、3；已知各層介質(zhì)的聲速值c_i或者通過(guò)已知各層介質(zhì)厚度的標(biāo)準(zhǔn)試樣標(biāo)定出各層聲速c_i，通過(guò)公式d=c_i×t_i/2可計(jì)算多層介質(zhì)的厚度。