[发明专利]固体材料非均匀性质的无损检测方法

说明书

技术领域

本发明属于固体中的非均匀性质进行无损诊断的技术，特别是一种固体材料非均匀性质的无损检测方法。

背景技术

超声波在非均匀材料中传播时都会发生频散并引起基于频率变化的能量损耗。材料的非均匀性例如晶粒结构、沉积薄膜或层状结构等就是声波频散的主要原因，具体表现为超声波波形逐渐扭曲。为了实现对随深度改变的材料性质进行无损检测、薄膜、涂层等厚度进行检测以及类似的问题，必须要测量得到具有尽可能高精度的色散曲线。

现有的测量非均匀材料中的色散方法是基于探测离激发源不同距离处的两个宽带声表面波信号得到的，如文献1[Patent USA 4372163《Acoustic measurement of nearsurface property gradients》]。这种方法由于只利用了两个声表面波信号，相速度的测量误差较大。该方法采用压电换能器激发，使得频宽范围相对较窄，同时由于是接触式激发，换能器的尺寸限制使得两个声表面波之间的距离不可能太小，在确定相位差时会带来2π的不确定性，从而会带来相速度测量上的误差。

利用热栅分布的激光源可以激发不同波长的窄带声表面波，计算不同频率的声波波速得到色散曲线能对材料沿深度方向的非均匀性进行分析，如文献2[Patent CN101055265A《功能梯度材料的表面和近表面分层层析方法》]。文中使用热栅分布的激光源需要高精度空间相位调制器通过控制软件调制而成，一方面设备成本较高，另一方面为保证激发效率对激光器有特殊要求，一般的纳秒级激光器并不适用；只探测固定传播距离不同中心频率的窄带信号进行相速度计算分析误差较大，并不能保证足够的测量可靠度。因此开发一种精确测量声表面波色散，进而无损检测固体材料非均匀性质的高可靠性技术是非常必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对固体材料的空间非均匀性进行无损检测的方法，这种方法使各频率的相速度测量精度更高，可以避免相位的不确定性，能在更宽的频率范围内无损探测，因此测量材料非均匀性的空间分辨率更高。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种固体材料非均匀性质的无损检测方法，步骤如下：

第一步，通过探测N个由激光激发并传播不同距离的声表面波信号，N≥2；

第二步，对获取的N个传播不同距离的声表面信号数据进行处理，即：

(1)首先把每个信号离散傅里叶变换为振幅谱和相位谱，得到各频率成分下与波传播距离x_i相关的N个振幅值A_i(i＝1…N)和N个相位值其中相位是距离x_i的函数；

(2)通过最小二乘法把各频率下相位和距离的关系拟合成直线；

(3)各频率时的相速度则为f为频率，k为直线的斜率，根据各频率的相速度值C_f得到色散曲线，从而反映了固体材料的非均匀性质。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)利用脉冲激光线源激发声表面波，不仅增大了频率范围，因此提高探测材料非均匀性的空间分辨率，而且声表面波在热弹机制下非接触激发，避免材料产生过热现象，从而实现无损检测；(2)通过采集大量传播了不同距离的表面声波数据来进行色散分析，可以大大减少由有限的信噪比带来的相位计算误差和确定传播距离时的误差，从而显著提高了相速度的测量精度；(3)图2的设计方案可以控制声表面波源之间的距离足够小，使得相邻声表面波之间的相位差小于2π，从而可以有效地避免了2π的相位不确定性，提高声表面波相速度测量的精度。(4)利用脉冲激光激发宽带声表面波，改变激发点和探测点的距离，探测大量传播了不同距离的声表面波信号，根据声表面波波形随传播距离的改变计算非均匀固体中的声表面波色散。利用柱面透镜把脉冲激光聚焦成线源，作为样品表面狭长区域内的热弹源，非接触式激发垂直于线源方向传播的声表面波。(5)采用多个具有相等间距的换能器探测固定激光线源激发的声表面波，或者采用等间距的激光线源移动激发，固定位置的换能器接收大量传播了不同距离的声表面波。可以采用接触式的压电换能器探测，也可以采用非接触式的光学或电磁方法探测；在非接触式的激发或探测时，可以采用精密步进电机等间距的改变激发位置或探测位置，从而实现探测传播不同距离的声表面波信号。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是使用一个声表面波激发源和N个换能器激发和探测声表面波的设计检测系统示意图。

图2是使用步进电机移动激光线源在距换能器距离N个不同位置时探测声表面波的设计检测系统示意图。