專利名稱：一種雙頻超聲檢測界面接觸強(qiáng)度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種檢測界面接觸強(qiáng)度的方法，特別是一種采用雙頻超聲波檢測界面 接觸強(qiáng)度的方法。
背景技術(shù)：
在固體界面的粘接、焊接等連接質(zhì)量的無損檢測中，超聲手段由于其低成本、易操 作等優(yōu)勢扮演著越來越重要的角色。由于能夠分辨復(fù)合材料或復(fù)合結(jié)構(gòu)中的缺陷、裂紋、 脫粘和界面雜質(zhì)等影響連接強(qiáng)度的因素，超聲無損檢測在建筑業(yè)、電子工業(yè)、汽車工業(yè)、航 空工業(yè)、造船工業(yè)和機(jī)械工業(yè)等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。與定量超聲技術(shù)在其它方 面的應(yīng)用相比，固體無損檢測要求其不僅能反映試樣的物理特性(如彈性模量、衰減系數(shù) 等)，還能夠針對試樣的結(jié)構(gòu)提供更多信息。傳統(tǒng)的以及現(xiàn)有成熟的超聲檢測手段包括脈沖_回波法、共振譜分析法和聲學(xué)成 像等方法。脈沖回波法一般利用1-20兆赫茲(MHz)范圍內(nèi)的窄帶超聲信號，通過觀察反射 波形的存在及其時間、幅度等信息判斷缺陷和雜質(zhì)等的存在、位置和嚴(yán)重程度，具有簡單和 直觀的優(yōu)點(diǎn)，但受到波長的限制，只能反映宏觀缺陷，對介觀裂隙和微觀裂紋則無能為力， 同時無法用于厚度較小的試樣。共振譜分析法利用0. 2-lOMHz范圍內(nèi)的寬帶超聲信號，通 過檢查試樣在不同部位的多階共振頻率來實(shí)現(xiàn)連接異常區(qū)域的檢測與定位(其原理類似 于日常檢查缺陷時的敲擊聽音方法)；該方法的缺點(diǎn)是難以對缺陷的嚴(yán)重程度進(jìn)行定量的 表征，但近年來有關(guān)非經(jīng)典非線性的研究表明，共振頻率會隨著缺陷強(qiáng)度出現(xiàn)偏移，這為該 方法在固體無損檢測中的進(jìn)一步發(fā)展提供了契機(jī)。而超聲成像方法并不是一種單獨(dú)的方 法，其利用不同的物理量在空間的分布對試樣進(jìn)行成像，具有直觀、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)；利用諸如 脈沖回波幅度、共振頻率偏移、超聲非線性參量等可以不同程度地反映界面的結(jié)構(gòu)信息。近年來，接觸非線性的相關(guān)研究表明，作為一種界面間普遍存在的非線性現(xiàn)象，接 觸非線性在進(jìn)行固體界面無損檢測方面具有較大的潛力和應(yīng)用價值。接觸非線性的研究歷 史可以追溯至Ij Richardson等人在1978年所進(jìn)行的理論(Int JEng Sci，1979 ；17 :73_85) 與實(shí)驗(yàn)(Appl Phys Lett, 1978 ；33 :371_373)研究，當(dāng)一列聲波經(jīng)過固體接觸界面時，由于 界面在拉伸相與壓縮相之間存在運(yùn)動不對稱性，將導(dǎo)致反射和透射信號中存在諧波成分， 諧波的幅度大小與界面接觸靜壓有關(guān)。但是必須指出的是，Richardson等人的研究是假設(shè) 接觸平面絕對光滑，而在現(xiàn)實(shí)世界中這顯然是不可能存在的，所以基于現(xiàn)實(shí)的考慮必須計 入粗糙界面的影響。然而這種影響通常是很難進(jìn)行估計的，一般必須借助電子顯微鏡等手 段進(jìn)行觀察，再利用圖像處理技術(shù)進(jìn)行分析和統(tǒng)計。Pecorari將界面的粗糙特性等效為密 度分布在Preisach-Mayergoyz空間上的大量非線性接觸單元的集合(J Acoust Soc Am， 2004 ；116 1938-1947) ；Gusev等人則建立了一種雙穩(wěn)態(tài)界面模型，利用緩沖器來描述界面 的這種非線性(Ultrasonics，2003 ；41 :643_654)。盡管這些模型能夠描述和解釋界面非線 性的部分本質(zhì)，但卻忽略了這種非線性與接觸壓力之間的定量關(guān)系。在界面連接(接觸)質(zhì)量與徹體靜壓之間的聯(lián)系方面，許多研究者進(jìn)行了大量的統(tǒng)計模型分析，主要的做法是將界面的介觀或微觀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與接觸強(qiáng)度這一物理參量相聯(lián) 系，在這些模型研究中，接觸界面的應(yīng)力_應(yīng)變特性通常被類比于彈簧，而界面接觸強(qiáng)度 大小則與接觸靜壓密切相關(guān)。為了能夠?qū)崿F(xiàn)接觸強(qiáng)度的測量，Biwa等人從理論(J Appl Mech-T Asme, 2004 ；71 :508_515)和實(shí)驗(yàn)(Ultrasonics, 2006 ；44，E1319-E1322)兩方面，利 用超聲透射、反射系數(shù)及界面超聲非線性參量共同確定界面的線性和二階接觸強(qiáng)度值。然 而，這種由于缺乏振動幅度的校準(zhǔn)和定量分析，理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果事實(shí)上無法進(jìn)行很好 的對應(yīng)，這也就意味著無法定量測量界面的接觸強(qiáng)度。

發(fā)明內(nèi)容
針對目前尚無對固體界面進(jìn)行接觸強(qiáng)度定量檢測的方法，本發(fā)明要解決的技術(shù)問 題是提供一種雙頻超聲激勵檢測固體界面接觸強(qiáng)度的方法，該方法可以得到界面的線性和 二階接觸強(qiáng)度的值，實(shí)現(xiàn)定量檢測的目的。本發(fā)明為解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種雙頻超聲檢測界面接觸強(qiáng)度 的方法，主要包括以下步驟a)信號發(fā)生器產(chǎn)生雙頻超聲激勵信號，并經(jīng)過功率放大器放大；b)利用一個發(fā)射換能器發(fā)射信號和一個接收換能器接收信號，先對換能器進(jìn)行校 準(zhǔn)得到電信號與振動位移之間的線性關(guān)系；c)發(fā)射換能器在待測樣品中激發(fā)雙頻超聲信號后，再利用快速傅立葉變換對接收 的信號做處理；d)利用步驟b)中通過校準(zhǔn)得出的線性關(guān)系，將得到的電信號幅度換算成絕對位 移幅度；e)利用絕對位移幅度計算非線性參量；f)由步驟e)得到的非線性參量計算線性接觸強(qiáng)度和二階接觸強(qiáng)度的值，從而定 量地給出界面的接觸強(qiáng)度。本發(fā)明中，可使用任意函數(shù)信號發(fā)生器重復(fù)產(chǎn)生一個包含兩個頻率正弦(或余 弦)分量的電脈沖。為了在頻域上抑制旁瓣，還可以對該脈沖加一個漢寧窗函數(shù)。該電信 號經(jīng)過一個功率放大器，用于驅(qū)動發(fā)射換能器。為了實(shí)現(xiàn)定量測量，在測量之前，對換能器先進(jìn)行校準(zhǔn)工作。對于換能器在工作頻 率點(diǎn)發(fā)射的信號，首先用激光測振儀測量振動位移，然后同樣的發(fā)射信號用接收換能器測 量。換能器接收到的電信號和測振儀測得的振動位移線性對應(yīng)。通過這樣的校準(zhǔn)程序，接 收換能器在測量時接收到的信號幅度可以轉(zhuǎn)換為絕對位移幅度。如電信號的幅度為V，振 動位移幅度為U，則對應(yīng)比例系數(shù)k = U/V，在實(shí)際測量時，換能器接收到的電信號幅度為V1 的話，其對應(yīng)的振動位移就為U1 = IiXV1 = V1XUA0本發(fā)明中，將入射平面波設(shè)定為一列由兩路不同頻率的余弦波疊加而成的雙頻信 號(也可以使用正弦波)，假設(shè)兩列信號的角頻率分別為O1和ω2(同時假設(shè)CO1 > ω2)， 初始相位均為零(相位條件不影響結(jié)果的幅頻特性)，余弦波幅度分別為A1和A2,則入射波 U1可表示為如下形式
權(quán)利要求
一種雙頻超聲檢測界面接觸強(qiáng)度的方法，其包括以下步驟a)信號發(fā)生器產(chǎn)生雙頻超聲激勵信號，并經(jīng)過功率放大器放大；b)利用一個發(fā)射換能器發(fā)射信號和一個接收換能器接收信號，先對換能器進(jìn)行校準(zhǔn)得到電信號與振動位移之間的線性關(guān)系；c)發(fā)射換能器在待測樣品中激發(fā)雙頻超聲信號后，再利用快速傅立葉變換對接收的信號做處理；d)利用步驟b)中通過校準(zhǔn)得出的線性關(guān)系，將得到的電信號幅度換算成絕對位移幅度；e)利用絕對位移幅度計算非線性參量；f)由步驟e)得到的非線性參量計算線性接觸強(qiáng)度和二階接觸強(qiáng)度的值，從而定量地給出界面的接觸強(qiáng)度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙頻超聲檢測界面接觸強(qiáng)度的方法，其特征在于所述步 驟b)中，校準(zhǔn)換能器具體包括以下程序?qū)τ趽Q能器在工作頻率點(diǎn)發(fā)射的信號，首先用激 光測振儀測量振動位移，然后同樣的發(fā)射信號用接收換能器測量，則換能器接收到的電信 號和測振儀測得的振動位移線性對應(yīng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種雙頻超聲檢測界面接觸強(qiáng)度的方法，其特征在于所 述步驟e)中，非線性參量為以下四個= A^、丨(4)) =βτ ) - I^r、丨(^T ) ) - KnK1 β^ I (A^ ^ = AK21K3其中4°、劣2)分別為信號兩個基頻的幅度，<)、劣4)為信號中差頻及和頻的幅度， 45)、劣6)分別對應(yīng)兩個基頻的二倍頻的幅度；K21 = K2A1, K1是線性接觸強(qiáng)度，K2是二階接觸強(qiáng)度 ’K1+ i = I，2，3，4，筆=KlIpcmi，其中P是材料密度，C是材料的縱波聲速，(O1和ω2分別為兩個基波的二倍角頻率，ω 3是兩個基波的角頻率之和，ω4是兩個 基波的角頻率之差。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種雙頻超聲檢測界面接觸強(qiáng)度的方法，主要包括以下步驟首先信號發(fā)生器產(chǎn)生雙頻超聲激勵信號，并經(jīng)過功率放大器放大；利用一個發(fā)射換能器發(fā)射信號和一個接收換能器接收信號，先對換能器進(jìn)行校準(zhǔn)；在待測樣品中激發(fā)雙頻超聲信號后，再利用快速傅立葉變換處理信號；將得到的電信號幅度換算成絕對位移幅度；計算非線性參量、線性接觸強(qiáng)度和二階接觸強(qiáng)度值。本發(fā)明引入了絕對振動幅度的校準(zhǔn)程序，可以計算出具體的接觸強(qiáng)度值，從而能實(shí)現(xiàn)對固體界面的定量檢測。采用雙頻激勵超聲進(jìn)行檢測，相比于已有的固體界面接觸強(qiáng)度超聲檢測方法，該技術(shù)可以有效地增強(qiáng)固體界面接觸強(qiáng)度的檢測。
文檔編號G01N29/04GK101949894SQ20101025366
公開日2011年1月19日 申請日期2010年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月16日
發(fā)明者劉洋, 章東, 郭霞生 申請人:南京大學(xué)