[发明专利]一种利用相位关系测量材料的声非线性系数的方法

说明书

本发明公开了一种利用相位关系测量材料的声非线性系数的方法，是利用有限振幅超声对存在力学非线性的材料进行无损检测，对检测和/或计算所得的位移信号或质点振动速度信号进行Hilbert变换处理，得到非线性信号的相位，再经数值计算得到归一化角频率，从而根据归一化角频率的最大值对声非线性系数进行测量。本发明方法更加简单，且可以扩展实验条件，在距离更远、激励更强、非线性系数更大的条件下仍可测得非线性系数，且测试结果更加准确；本发明的适用条件可接近激波的产生位置。

技术领域

本发明涉及一种测量材料的声非线性系数的方法，特别是一种利用相位关系测量材料的声非线性系数的方法。

背景技术

相对二阶线弹性参量，声非线性系数与材料的高阶弹性参量相关，更适合用来反映和评估材料内部的应力集中、微损伤、疲劳程度等，也可以用来检测生物组织内由于病变引起的微小的力学性能变化。利用由这种非线性引起的谐波进行成像，不但能提升微损伤或病变组织的区分度，还能提升图像的分辨率。

一般地，有限振幅超声在材料中传播，会激发出高次谐波，接收的信号为畸变的非线性超声信号。有时也用两种不同频率的超声信号同时激励，产生高次谐波的同时还会产生和频及差频波。实验测量材料非线性系数往往是基于二次谐波的幅度公式将二次谐波与基频信号的幅度进行对比得到非线性系数。但是，由于二次谐波的幅度公式是通过求解非线性声波方程的二阶摄动展开方程得到的，三阶及三阶以上的展开方程被忽略了，这造成二次谐波幅度公式不够精确，致使此方程只能在小幅度激励和短距离传播的实验条件下有相对的可靠性，在激励幅度高、非线性系数大、传播距离远的实验条件下利用此公式会造成较大的误差。其它相关的测量材料非线性系数的方法少见报道，有时利用KZK方程、Westervelt方程和Blackstock方程等进行实验上的定性验证，却很少利用于在非线性系数的定量测量上。

材料的声非线性系数本身并不一定重要，在材料无损检测及医学应用中，相对非线性系数的变化才是人们所关注的。摄动方法得到的非线性系数β＝8A₂/(A₁²k²x)，通常也用β'＝A₂/A₁²来代替非线性系数，但由于激励信号的位移幅度比较难以测定，可以通过信号的电压进行代替，这需要传感器的灵敏度在两个频率的幅度比较接近。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种利用相位关系测量材料的声非线性系数的方法。本发明方法更加简单，且可以扩展实验条件，在距离更远、激励更强、非线性系数更大的条件下仍可测得非线性系数，且测试结果更加准确；本发明的适用条件可接近激波的产生位置。

本发明的技术方案：一种利用相位关系测量材料的声非线性系数的方法，是利用有限振幅超声对存在力学非线性的材料进行无损检测，对检测和/或计算所得的位移信号或质点振动速度信号进行Hilbert变换处理，得到非线性信号的相位，再经数值计算得到归一化角频率，从而根据归一化角频率的最大值对材料的声非线性系数进行测量。

前述的利用相位关系测量材料的声非线性系数的方法，所述方法包括如下步骤：

1)在材料的一端激励有限振幅超声信号，并在材料中传播，然后被设置在材料另一端的信号接收器接收并传输到信号记录器中记录；

2)根据步骤1)记录的信号获得或计算出位移信号、声压或质点振动速度信号，然后对位移信号或质点振动速度信号进行Hilbert变换，再经数值计算得到非线性信号的归一化角频率，取其中最大值得到非线性信号的归一化角频率的最大值N_max；

3)利用位移信号的归一化角频率并依据公式β＝4.7ln(1+25lg(N_max))/xP，或利用质点振动速度的归一化角频率并依据公式β＝1.4ln(1+15lg(N_max))/xP得到材料的声非线性系数β；其中：x为超声传播距离或材料的厚度、P为声压值。