[發明專利]一種非均勻介質組織均勻性超聲無損表征方法

有效

• 申請號: 202010944265.2
• 申請日: 2020-09-10
• 公開（公告）號: CN112083068B
• 公開（公告）日: 2021-07-30
• 發明（設計）人: 林莉;馬志遠;張偉;雷明凱
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01N29/04
• 分類號: G01N29/04;G01N29/44;G01N23/046;G01N1/28
• 代理公司: 大連星海專利事務所有限公司 21208
• 代理人: 郭海英;花向陽

一種非均勻介質組織均勻性超聲無損表征方法，屬于材料超聲無損檢測與評價技術領域。這種非均勻介質組織均勻性超聲無損表征方法針對非均勻介質組織均勻性超聲無損表征過程中多相、非均質、散射體形貌不規則、尺寸變化范圍大導致超聲波散射機制復雜、組織均勻性信息難以有效解耦的問題，采用超聲脈沖回波技術，結合小波變換多尺度分析和支持向量回歸機器學習算法對非均勻介質組織均勻性進行無損表征。該表征方法具有易于實現、魯棒性強、表征精度高等優點，克服了傳統擬合法和正則化方法難以處理物理機制復雜的非線性和不適定問題的局限性，具有良好的推廣及應用前景。

技術領域

本發明涉及一種非均勻介質組織均勻性超聲無損表征方法，屬于材料超聲無損檢測與評價技術領域。

背景技術

目前，非均勻介質組織均勻性的評價主要采用破壞性檢測方式，包括壓汞法、金相法、掃描電鏡、電子探針及X射線衍射分析等。此類方法雖然直觀，但屬于有損測試手段，且局部微觀情況難以反映非均勻介質整體的組織均勻程度。與傳統的破壞性檢測方式不同，無損檢測技術能夠在不損傷被檢對象結構完整性和使用性能的前提下，利用材料內部組分含量或結構異常引起的聲、熱、光、電、磁等響應特性變化，對材料成份、組織結構、力學性能、彌散的不連續性和缺陷群等重要特征做出判斷和評價。

材料科學中，用于表征組織均勻性的參數很多。對于異質相尺寸較小的非均勻介質，可將異質相視為質點，利用固定區域內的平均粒子數表征介質的分布均勻程度。對于異質相尺寸較大、形貌規則、尺寸分布較為集中的非均勻介質，可將異質相視為等尺寸的規則幾何體，使用概率密度函數表征其分布均勻性。但對于一些多相、異質相形貌不規則、尺寸分布變化范圍大的非均勻介質，上述參數很難精確反映其組織分布均勻性。

超聲檢測技術具有靈敏度高、檢測速度快、成本低和對人體無害等優點，已成為應用最為廣泛的無損檢測技術之一。從超聲特征參量提取和參數反演的角度看，非均勻介質組織均勻性超聲無損表征中存在的問題和挑戰主要體現在以下兩方面：一是超聲波在非均勻介質中傳播時，組成相彈性特性和尺寸分布上的差異導致超聲波在不同頻帶范圍內多種散射機制并存，其衰減特性在頻域內表現出明顯的非線性和“多尺度效應”，常用的時域或頻域分析技術很難實現目標信息的有效解耦；二是由于受到組成相的不規則形貌及其相互作用的影響，超聲信號中耦合了大量與孔隙率和組織均勻性無關的干擾因素，采用傳統的擬合法或正則化方法難以進行精確求解。因此，必須另辟蹊徑，探索更為有效的非均勻介質組織均勻性超聲反演策略。

作為一類前沿的非線性問題求解方案，機器學習方法能夠在缺少先驗知識的情況下通過學習或訓練自動總結出數據間隱含的函數或映射關系，非常適合處理物理機制復雜的非線性反演問題。此外，對于多數非均勻介質，實驗中很難獲得組織均勻性精準可控的系列樣品，缺少開展大規模精確定量標定和超聲實驗測試的條件，樣本數目有限。基于統計學習理論和結構風險最小化原則的支持向量回歸機器學習算法在處理小樣本數據非線性反演問題中具有明顯的優勢，利用支持向量回歸進行非均勻介質組織均勻性表征是一個不錯的選擇。

發明內容

本發明的目的是提供一種非均勻介質組織均勻性超聲無損表征方法。該方法采用一套包括超聲探傷儀、水浸聚焦探頭、數字示波器、三維精密運動裝置以及計算機構成的超聲脈沖回波檢測系統。針對非均勻介質組織均勻性超聲無損表征過程中多相、非均質、散射體形貌不規則、尺寸變化范圍大導致超聲波散射機制復雜、組織均勻性信息難以有效解耦的問題，采用超聲脈沖回波技術，結合小波變換多尺度分析和支持向量回歸機器學習算法對非均勻介質組織均勻性進行無損表征。針對一些多相、異質相形貌不規則、尺寸分布變化范圍大的非均勻介質，傳統方法很難精確反映其組織分布均勻性的問題，本發明定義了一個描述非均勻介質組織均勻性的統計學評價指標—分布均勻性長度F，其在數值上等于非均勻介質的自相關長度，同一組分下，F越大，表示介質的組織均勻性越差。

本發明為解決現有技術中存在的技術問題所采用的技術方案是：一種非均勻介質組織均勻性超聲無損表征方法，其特征是：該方法采用一套包括超聲探傷儀、水浸超聲探頭、數字示波器、三維精密運動裝置和計算機的超聲脈沖回波檢測系統，并采用以下步驟：