[发明专利]基于空气耦合超声的薄膜面密度测量方法及测量系统

权利要求书

1.基于空气耦合超声的薄膜面密度测量方法，其特征在于，包括

S1、测量激励信号在空气中传播得到的第一衰减信号的能量，所述激励信号由信号发生器发出，经过功率放大器后，由空气耦合超声换能器的信号发射换能器发射，在空气中传播后由所述空气耦合超声换能器的信号接收换能器接收，得到所述第一衰减信号；

S2、测量所述激励信号经过多层介质薄膜后得到的第二衰减信号的能量，所述多层介质薄膜位于所述信号发射换能器和所述信号接收换能器之间；

S3、根据所述第一衰减信号和所述第二衰减信号的能量差异，计算所述多层介质薄膜的测量位置聚焦点处的面密度值；

S4、变换所述空气耦合超声换能器的位置，重复执行S1～S3，得到所述多层介质薄膜不同测量位置聚焦点处的面密度值，通过取平均值得到所述多层介质薄膜的面密度。

2.根据权利要求1所述的基于空气耦合超声的薄膜面密度测量方法，其特征在于，所述激励信号的频率设置为所述空气耦合超声换能器的共振频率，设置所述激励信号的幅值小于所述空气耦合超声换能器的击穿电压，所述激励信号的循环数需满足使穿透后的信号幅值至少为噪声信号幅值的两倍，所述激励信号的触发方式为外部触发。

3.根据权利要求1所述的基于空气耦合超声的薄膜面密度测量方法，其特征在于，S1之前还包括步骤S0、设置PC中信号采集卡的采样率为所述空气耦合超声换能器的中心频率f_C的两倍以上，带通滤波的上下限分别为f_c+100kHz和f_c-100kHz。

4.根据权利要求1所述的基于空气耦合超声的薄膜面密度测量方法，其特征在于，所述信号发射换能器和所述信号接收换能器相对设置，两者的轴线位于同一直线上，两者的距离为焦距L_C的2倍；所述多层介质薄膜位于所述信号发射换能器和所述信号接收换能器之间的焦点处。

5.根据权利要求1所述的基于空气耦合超声的薄膜面密度测量方法，其特征在于，所述第一衰减信号A₁和第二衰减信号F₁的能量根据下式计算得到

其中n表示信号采样点数，f(k)为第k个信号采样点的幅值。

6.根据权利要求1所述的基于空气耦合超声的薄膜面密度测量方法，其特征在于，S3中所述计算所述多层介质薄膜的测量位置聚焦点处的面密度值具体过程如下：

S31、计算所述激励信号经过所述多层介质薄膜后的信号衰减值，

S32、利用以下公式计算聚焦点处的面密度值SD1，

Z₁为空气中声阻抗值，Z₁＝ρ₁c₁，其中空气密度P为测量处压强，M为空气摩尔质量，R为气体常数，T为测量处温度，声速c₁＝331.45+0.61T，ω为所述激励信号的频率，ω＝2πf。

7.根据权利要求1～6任一项所述的基于空气耦合超声的薄膜面密度测量方法，其特征在于，所述多层介质薄膜为涂炭铝箔。

8.一种测量薄膜面密度的空气耦合超声系统，其特征在于，包括信号发生器，用于产生激励信号；

功率放大器，与信号发生器相连；

一对聚焦式空气耦合超声换能器，包括一个信号发射换能器和一个信号接收换能器，所述激励信号由所述信号发射换能器发射，经过空气和待测材料到达所述信号接收换能器；所述信号发射换能器与所述功率放大器连接；

信号放大器，与所述信号接收换能器连接，用于将经衰减的信号放大；以及

PC，分别与所述信号发生器和所述信号放大器相连，用于触发所述信号发生器发出激励信号和计算待测材料的面密度。