[发明专利]一种双层板兰姆波非接触式波速提取的方法

说明书

技术领域

本发明属于无损检测领域，具体涉及一种对双层板兰姆波的波速提取方法。 

背景技术

随着材料科学的不断向前发展，各种功能型材料不断涌现，如薄膜材料、超薄板材料，其往往表现出脆性的特征，特别是双层超薄板的粘接结构，采用传统拉伸等破坏性传统力学性能测试的方法将无法满足新型材料的需求。在以测量声波波速为主的非破坏性检测中，由漏兰姆波和直接反射波的干涉所形成的V(z)曲线包含材料微结构方面的许多信息，以超声显微镜作为波速测量工具，可以应用于检弹性模量、残余应力、薄板厚度、密度等材料机械性质，使得超声显微镜在材料力学特性测试和定量无损检测等方面获得了越来越广泛的应用。 

利用超声波对材料弹性性质进行测量是无损检测领域很有前景的测量方法之一。在各向同性均质薄板材料中，兰姆波(Lamb Wave)的传播具有频散特性，而该特性又包含了大量材料机械性质的信息，因此通过波速与波长或频率的关系——即频散曲线，即可反演出薄板材料的机械性质，如厚度、密度、纵波波速、横波波速等。 

为了达到上述目的，波速的精确提取显得尤为必要。目前对于瑞利波和兰姆波的波速提取大多数采用单频逐点提取的方式，通过测量V(z)曲线中的振荡周期□z来确定表面波和兰姆波的波速，但其缺点是单频波速提不适用于多模态兰姆波波速的提取。本发明的目的就是通过对二维傅里叶变换算法进行优化，使之可以应用于双层板兰姆波波速的宽频连续波速提取。 

发明内容

本发明的目的是为了解决各向同性双层薄板材料兰姆波宽频连续波速提取的问题，提出一种先进的材料波速提取方法。 

步骤1)：确立波速提取的公式。 

这里需要说明的是，由于水的负载效应，漏兰姆波与兰姆波的波速并不完全一致，但由于被测材料的密度远大于水的密度，两者之间的差异是可以忽略的。之后的阐述中将不再区分兰姆波和漏兰姆波。在波速提取的过程中，依据V(z)曲线理论，可根据如下公式进行波速的计算： 

其中：□z为V(z)曲线振荡周期，v_w为水中的超声波波速，f为换能器的激励频率，v_Lamb为材料的兰姆波波速。测量被测材料的V(z)曲线振荡周期是波速提取的关键。 

步骤2)：搭建测试系统。 

为了方便散焦步进测量，搭建了一套进行散焦步进测量的测试系统，如图1所示。该测试系统主要包括：试样1、水槽与水2、换能器3、移动平台4、脉冲激励/接收仪5、示波器6、GPIB总线7、PXI总控制系统8、移动伺服马达9、旋转轴10。其中，在移动平台4下面安装换能器3，换能器3与脉冲激励/接收仪5相连，脉冲激励/接收仪5与示波器6相连，示波器6通过GPIB总线7与PXI总控制系统8相连，PXI总控制系统8与移动伺服马达9相连，同时PXI总控制系统8与旋转轴10相连。 

步骤3)：聚焦面数据采集。 

将被测试样置于换能器的聚焦面，脉冲激励/接收仪5在发出一个带宽为10-200MHz的脉冲后转换为接收状态，当接收到反射信号后，将信号传输进示波器6，示波器的采样频率为f_S，f_S为0.5-5GHz，采样点数为N_s，N_s的取值范围为10000-100000点。经过示波器的低通滤波后，通过GPIB总线7存储进PXI总控制系统8。 

步骤4)：散焦测量。 

将换能器垂直向下移动一个距离□z₀，□z₀的取值范围为1-50μm，待移动完成后进行数据采集，采样频率为f_S，采样点数为N_s。采集结束后再将换能器垂直向下移动□z₀进行数据采集，如此循环往复，共移动距离z，z的取值范围为2-20mm，因此将得到M组电压数据，M由z与□z₀共同决定，为40-20000组。 

步骤5)：时域傅里叶变换。 

将所有数据沿散焦距离排列好，对测得的数据进行时域傅里叶变换：