[发明专利]一种涂覆层厚度、密度与纵波声速同时超声反演方法

摘要

一种涂覆层厚度、密度与纵波声速三参数同时超声反演的方法，属于材料超声无损检测与评价技术领域。该发明采用一个包括试样台、涂覆层试样、延迟块探头、探伤仪、数字示波器以及计算机的超声脉冲回波检测系统。该发明推导出了涂覆层结构的声压反射系数相位谱φ(f,d,ρ,c)，对探头有效频带内理论与实验的声压反射系数相位谱进行相关系数计算，得到相关系数矩阵η(d,ρ,c)，测量涂覆层的声阻抗并作为相关系数矩阵的约束条件，满足约束的相关系数矩阵中最大值η_max(d,ρ,c)对应的涂覆层厚度d_i、ρ_i与纵波声速c_i即为所求的涂覆层厚度、密度与纵波声速。该方法解决了涂覆层零件无损检测过程中面临的涂覆层参数波动导致较大测量误差的问题，提供了涂覆层厚度、密度与纵波声速三参数同时无损表征的新方法。

主权项

1.一种涂覆层厚度、密度与纵波声速三参数同时超声反演的方法，它采用一个包括试样台、涂覆层试样、延迟块探头、探伤仪、数字示波器以及计算机的超声脉冲回波检测系统；其特征是：/n(1)在x-z平面中，延迟块探头发射声压为P_入＝1的超声波垂直入射到介质1/介质2/介质3组成的二界面结构中，介质1为延迟块，介质2为被测涂覆层材料，介质3为基体材料，延迟块探头接收到的反射回波声压P_反为下列各反射回波的合成：界面1的反射回波P₁＝r₁₂，界面2的反射回波P₂＝r₂₃t₁₂t₂₁exp(2ik_2zd)，其中r₁₂为界面1的声压反射率，r₂₃为界面2的声压反射率，t₁₂和t₂₁为界面1处的声压透射率，下标表示超声波在介质之间的声压反射或透射；d为涂覆层厚度；k_2z为超声波在介质2中沿z轴方向的波数，波数表示为k_2z＝2πf/c₂+iα，f为超声波频率，c₂为涂覆层纵波声速，α为涂覆层的超声衰减系数，涂覆层结构的声压反射系数R表示为：/n /nR本身为一复数，求解出R的相位谱表达式φ(f)，如式(2)所示：/n /n其中声压反射率r₁₂、r₂₃为对应介质密度ρ与声速c的函数：r₁₂＝(ρ₂c₂-ρ₁c₁)/(ρ₂c₂+ρ₁c₁)、r₂₃＝(ρ₃c₃-ρ₂c₂)/(ρ₃c₃+ρ₂c₂)，已知介质1、3的密度ρ与声速c，φ(f)仅为频率f、涂覆层厚度d、密度ρ与纵波声速c的函数，表示为φ(f,d,ρ,c)；/n(2)根据已知密度ρ、厚度d和纵波声速c的涂覆层样品相位谱φ(f,d,ρ,c)计算相位谱对某一参数p的灵敏度，计算公式如式(3)所示：/n /n式中，p是涂覆层参数，包括密度ρ、厚度d和纵波声速c，S_φ,p是相位谱对参数p的灵敏度，计算得到灵敏度随频率变化曲线后读取灵敏度曲线最大值对应频率f_max，选择延迟块探头使其有效频带范围覆盖f_max且主频尽量靠近f_max；/n(3)选择能够使涂覆层上表面回波和界面回波在时域上分离的窄脉冲延迟块探头，选择标准为脉冲信号持续时间τ小于脉冲在界面1和界面2之间的渡越时间dt，截取涂覆层上表面回波用于计算涂覆层声阻抗，计算方法如下：/n涂覆层上表面回波频谱表示为：/nA_coating(f)＝A_s(f)×H(f)×r_coating (4)/n式中，A_s(f)是声源频谱，H(f)是超声测量系统的传递函数，r_coating是超声在涂覆层上表面的声压反射率，选择已知声阻抗的材料作为参考材料，其上表面回波频谱表示为：/nA_reference(f)＝A_s(f)×H(f)×r_reference (5)/nr_reference是参考材料声压反射率，则涂覆层上表面反射系数用参考材料和涂覆层上表面回波频谱表示：/n /nZ_coupling表示耦合介质的声阻抗，涂覆层的声阻抗表示为：/n /n式(7)中Z_coupling和r_reference已知，A_coating和A_reference通过实验手段测得，则涂覆层声阻抗由式(7)计算得到；/n(4)使用步骤(2)的延迟块探头，对涂覆层试样进行超声检测，采用相关系数匹配分析三参数反演方法同时计算涂覆层厚度d、密度ρ与纵波声速c，相关系数的计算公式为：/n /n式中N为有效频带内数据点数，d⁰、ρ⁰和c⁰分别为被检测涂覆层试样实际厚度、密度和纵波声速，φ_the(f,d,ρ,c)与φ_exp(f_i,d⁰,ρ⁰,c⁰)分别为有效带宽内理论声压反射系数相位谱与实验检测得到的声压反射系数相位谱，与分别为有效带宽内理论声压反射系数相位谱与实验检测得到的声压反射系数相位谱的平均值；在被检测试样预估厚度d、密度ρ与纵波声速c附近范围内，取一系列连续变化的涂覆层厚度d、密度ρ与纵波声速c的值，代入式(2)得到对应的理论声压反射系数相位谱φ_the(f,d,ρ,c)，将理论声压反射系数相位谱φ_the(f,d,ρ,c)与实验的声压反射系数相位谱φ_exp(f_i,d⁰,ρ⁰,c⁰)进行相关系数匹配分析，得到不同涂覆层厚度d、密度ρ与纵波声速c组合对应的相关系数矩阵η(d,ρ,c)，利用步骤(3)测得的声阻抗对此矩阵进行约束，满足声阻抗条件的相关系数被保留，不满足的设为零，满足约束的相关系数矩阵中最大值η_max(d,ρ,c)对应的涂覆层厚度d、密度ρ与纵波声速c即为被检测涂覆层试样的实际厚度、密度与纵波声速的值。/n