[发明专利]一种轴类结构类表面波非接触式波速提取的方法

摘要

一种轴类结构类表面波非接触式波速提取的方法，属于无损检测技术领域。采用超声显微镜方法检测试件力学性能已经被广泛的应用于无损检测领域，表面波波速是材料力学性能超声测量的关键。由漏类表面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，本发明基于散焦测量系统，利用宽频脉冲作为激励源，并接收包含多种频率成分的超声波，通过改进的傅里叶变换技术获得材料的V(z)曲线及其振荡周期，通过实验得到的不同频率下的散焦周期与理论值的拟合对比，进而反演出柱面轴类试件柱面表面波波速。本发明可对不同材料的类表面波波速进行提取；可在宽频范围内对类表面波波速进行提取，取代单频逐点的方式；可对不同频率段内的类表面波波速进行提取。

主权项

1.一种轴类柱面表面波波速宽频连续提取的方法，其特征在于该方法按照如下步骤进行：步骤1）：波速提取的基本公式推导；在波速提取的过程中，依据超声波传输理论，可推导出如下公式进行波速的计算：t1=2[R-r-zsin(θR)[sin(sin-1[sin(θR)r(r-z)]-θR)]]VW+2r(sin-1[sin(θR)r(r-z)]-θR)VS]]>t2=2(R-z)VW]]>Δt=t1-t2=2{R-VS(r-z)VW[sin(sin-1(VWrVS(r-z))-sin-1(VWVS))]}Vw+2r[sin-1(VWrVS(r-z))-sin-1(VWVS)VW-2(R-z)VW]]>其中：t₁为超声波从发射、转换为表面波、到接收回波信号的传播时间；t₂为超声波从发射到接收直接反射被接收的传播时间；Δt为直接反射回波与表面波回波的时间间隔；R为传感器的聚焦半径；r为被测试件的半径；z为探头下降的距离；θ_R为瑞丽角；V_S为表面波波速；V_w为水的波速。步骤2）：搭建测试系统；该测试系统包括：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，使被测试样表面轴线与传感器聚焦线重合。脉冲激励/接收仪（5）在发出一个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；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Δz₀，Δz₀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，如此重复采集，共移动距离z，z的取值范围为2-20mm，得到M组电压数据；步骤5）：时域傅里叶变换；将所有数据沿散焦距离排列好，对测得的电压数据进行时域傅里叶变换；步骤6）：推导相位差公式；通过步骤1中的公式计算出，在相同频率下反射回波和漏表面波的相位差，其中，f为超声波的频率。随着散焦距离z逐渐变大，直接反射回波与漏表面波相位差为2π的整数倍时，即为直接反射回波与漏表面波干涉的一个震荡周期。步骤7）：波速提取；采用数值拟合的方式进行波速提取，将水中的超声波波速V_w，及每一个频率f所对应的假设表面波波速V_s带入步骤6）中所示公式，即可得到探头散焦距离与振荡周期关系。根据检测的震荡相位0点和该频率下假设的一组V_S波速所计算的理论震荡相位0点进行对比，最方差的假设波速V_S为检测波速。