[發明專利]一種基于有效超聲背散射信號提取多晶材料的晶粒平均尺寸的方法

有效

• 申請號: 201711053382.4
• 申請日: 2017-10-31
• 公開（公告）號: CN107941907B
• 公開（公告）日: 2019-11-22
• 發明（設計）人: 胡平;胡杰;張帥;周吳軍;胡濤
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G01N29/04
• 分類號: G01N29/04
• 代理公司: 42222 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙)
• 代理人: 趙麗影;代文成<國際申請>=<國際公布>

1.一種基于有效超聲背散射信號提取多晶材料的晶粒平均尺寸的方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟一、采用金相法對參考試塊進行晶粒平均尺寸的測定，通過具有全波形存儲和支持原始數據輸出功能的水浸超聲聚焦探頭檢測裝置采集參考試塊的A掃描信號；步驟二、導出參考試塊的A掃描信號，MATLAB編程計算出其空間方差，并得到實測的超聲背散射空間方差時間響應曲線；步驟三、根據水浸超聲聚焦探頭檢測裝置，推導出包含超聲探頭、超聲波傳播路徑和材料特性相關函數的超聲背散射理論模型；

步驟四、擬合實驗實測曲線與超聲背散射理論模型，通過預設初始平均晶粒尺寸，采用迭代法求解包含晶粒平均尺寸的材料的空間函數四階方程，最終提取多晶材料的晶粒平均尺寸；

在所述步驟一中，金相分析經過制樣、拋光、腐蝕及觀測操作，采用截點法測定參考試塊的平均晶粒尺寸

在所述步驟一中，水浸超聲聚焦探頭檢測裝置對參考試塊同一厚度層H_厚截面上進行二維平面內移動掃查，采集不同位置對應的N組A掃描信號；其中厚度層H_厚與水聲距Z_水之間的對應關系如下表達式所示：

H_厚＝(F-Z_水)c_水/c_件 (1)

式中，F表示超聲探頭的焦距；c_水為超聲在水中的速率；c_件為超聲在參考試塊中的傳播速率；

在所述步驟二中，N組A掃描信號的空間方差Φ_測(t)為：

式中，V_i(t)表示第i個A掃信號在時間t時的信號幅值；通過MATLAB編程繪制出實測的超聲背散射空間方差時間響應曲線，其中，該曲線的橫坐標為時間t，縱坐標為其對應的空間方差Φ_測(t)；

在所述步驟三中，所推導超聲背散射理論模型需包含水浸超聲聚焦探頭、超聲波傳播路徑和材料特性相關的函數，并且根據實際水浸超聲聚焦探頭檢測裝置進行相應的改變；超聲背散射理論模型的基礎方程如下：

式中，Φ_理(t)超聲背散射信號空間方差的理論響應值，和為超聲源場和接收場的Wigner分布函數；和由水浸超聲聚焦探頭的實驗裝置和超聲波傳播路徑進行確定；X與t分別表示超聲波傳播時域中的位置時間；T'為積分變量，Φ_理(t)為時間函數的卷積；p與q代表超聲波傳播頻域中的波數，ω代表超聲波傳播頻域中的頻率；表示材料內部散射強度因子，使超聲波散射按照方向為的源場p到方向為的接收場q的路徑進行傳遞，是材料空間相關函數和超聲散射路徑的協方差兩函數的乘積；

其中，材料空間相關函數是晶粒平均尺寸L的函數，特別地，式中，ω為超聲水浸聚焦探頭的校準中心頻率；c_T為超聲波在待測參考試快中的橫波速率。

2.根據權利要求1所述的一種基于有效超聲背散射信號提取多晶材料的晶粒平均尺寸的方法，其特征在于：在所述步驟四中，求解多晶材料的晶粒平均尺寸的迭代法是始于晶粒平均尺寸的初始值L₀，該值為估算值，其結果不影響最終的測量值；MATLAB程序終結于計算值|L_m-L_m-1|≤0.02μm，其中m表示MATLAB求解晶粒平均尺寸的循環次數，最終通過最小二乘方差值來確定的晶粒平均尺寸的測量值