[发明专利]一种测量材料超声横波衰减系数与频率关系的方法和装置

说明书

本发明公开了一种测量材料超声横波衰减系数与频率关系的方法和装置，测量材料超声横波衰减系数与频率关系的方法包括以下步骤：确定底面耦合有测试块的缓冲块的耦合界面的反射系数；利用超声探头透过缓冲块向耦合在缓冲块底面的测试块发射不同频率的超声波信号；利用超声探头分别接收经测试块顶面反射的和经测试块底面反射的不同频率的超声波信号的回波信号；根据经测试块顶面和底面反射的回波信号并结合耦合界面的反射系数计算出不同频率的超声波信号对应的测试块的超声横波衰减系数；根据各个超声波信号的频率与各个超声波信号的频率对应的超声横波衰减系数拟合得到测试块的超声横波频域衰减曲线。

技术领域

本发明涉及超声技术领域，尤其涉及一种测量材料超声横波衰减系数与频率关系的方法和装置。

背景技术

在超声无损评价中，衰减系数是表征材料特性的重要参数之一，广泛应用于材料晶粒尺寸、孔隙率和疲劳等微观结构定量无损评价。相同的超声激发频率下横波比纵波具有更大衰减系数，因此在材料微观结构微小变化表征中具有一定的优势。由于超声横波的产生和传播方式与纵波有所不同，大多数测量纵波衰减系数的实验方法不能直接用于横波衰减系数的测量。因此，有必要提出一种有效的用于材料特性定量无损评价的实验测量超声横波衰减系数的方法。

超声衰减包括超声束扩散衰减、材料内部散射衰减和介质吸收衰减。实际实验测量的衰减系数为材料内部散射和介质吸收衰减两部分总和。很多研究者提出了测量超声横波衰减系数的实验方法。由于横波无法在液体介质中传播，因此利用水浸超声垂直入射方法测量横波衰减系数是不可行的。为了解决这个问题，有人提出了一种利用纵波斜入射通过波形转换成横波的水浸方法计算横波衰减系数，然而这种波形转换的方式很难区分衰减系数的来源是界面转换损失还是材料自身的属性，并且这种方法还受到测试块几何尺寸和自身特性的影响，实验测量误差取决于待测量衰减系数本身。

接触式直探头测量材料横波衰减系数是实际运用中采用的方便且有效的方法，有研究表明，用接触式探头测量衰减系数时，如果不考虑超声探头和材料界面处的部分反射系数，结果会造成较大的误差。为此另一相关技术提出了利用耦合界面部分反射系数修正方法计算超声横波衰减系数，该方法在测量过程中需要同时用到不同厚度的相同特性的材料，因此在实际运用中这种方法具有很大的局限性。

有研究提出采用接触式垂直入射的脉冲回波方法测量超声横波衰减系数通过一个没有衰减或衰减很小几乎可以忽略的材料充当耦合缓冲层。利用缓冲层与测试块之间声阻抗关系计算出两者界面的反射系数，从而求解出材料的超声横波衰减系数。该方法的思路与水浸测量纵波衰减系数类似，不过要严格保证两固体之间的紧密耦合是很困难的，尤其当声波以兆赫兹频率传播时更难检测到由测试块底面反射回来的信号，这些严格的要求限制了该方法在测量材料横波衰减系数在实际中的广泛运用。

另外还有一种间接测量材料横波衰减系数的方法也被研究者们所提及，该方法也被称为比较法或者参考试块法。通过透射法在测试块两侧布置探头，然后将采集的信号频谱与参考试块作对比从而得到材料的相对衰减系数值。虽然该方法在理论上是很简单的，但是选择和准备参考试块是一个具有挑战性的工作，而且参考试块与测试块的材料特性不一致，从而会产生由于衍射修正或探头转换效率导致的测量偏差。

上述提及的所有测量方法都是以宽带脉冲为激励信号，这种信号在衰减介质中传播时，信号的频谱会发生偏移，其次，当频率值远离探头有效频带时衰减系数值测量不准确，从而导致衰减系数和频率之间的曲线关系出现偏差。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种测量材料超声横波衰减系数与频率关系的方法，旨在解决背景技术中的测量超声横波衰减系数的方法存在不足导致超声横波衰减系数与频率的对应关系准确率低的问题。

为实现上述目的，本发明提供的测量材料超声横波衰减系数与频率关系的方法，包括以下步骤：

确定底面耦合有测试块的缓冲块的耦合界面的反射系数；