扫描超声波显微镜同时测量薄层材料厚度、声速、密度和衰减的方法

摘要

本发明公开了一种扫描超声波显微镜同时测量薄层材料厚度、声速、密度和衰减的方法。其步骤包括：1）将薄层材料放置于基体材料表面，使超声波探头分别位于基体材料和薄层材料正上方，测得基体材料和薄层材料的超声波回波信号s₁(t)、s₂(t)；2）对s₂(t)进行基于维纳滤波和自回归谱外推技术的反卷积，得到信号h₁(t)，选定声波渡越时间的初始值；3）选取其他变量初始值，通过薄层材料反射系数频谱拟合，得出薄层材料的声阻抗、声波渡越时间和声波衰减系数的最优值；4）对s₁(t)+s₂(t)进行基于维纳滤波和自回归谱外推技术的反卷积；5）计算得出薄层材料的厚度、声速、密度和衰减。本发明可以实现对薄层材料进行四变量高精度同时测量，并解决了频谱拟合时的收敛域问题。

主权项

一种扫描超声波显微镜同时测量薄层材料厚度、声速、密度和衰减的方法，采用扫描超声波显微镜，扫描超声波显微镜包括超声波探头(1)、三维直线电机(2)、导轨(3)、基体材料(4)、薄层材料(5)、水槽(6)、电机控制器(7)、超声波发射接收器(8)、计算机(9)、显示器(10)，水槽(6)底部放有基体材料(4)，基体材料(4)上设有薄层材料(5)，基体材料(4)上方设有超声波探头(1)，超声波探头(1)上端与三维直线电机(2)相连，导轨(3)上设有三维直线电机(2)，超声波探头(1)与超声波发射接收器(8)相连，三维直线电机(2)与电机控制器(7)相连，计算机(9)分别与电机控制器(7)、超声波发射接收器(8)、显示器(10)相连；其特征在于方法的步骤如下：1)将薄层材料(5)放置于基体材料(4)表面，并置于盛有水的水槽(6)中，开启扫描超声波显微镜；2)调节扫描超声波显微镜的三维直线电机(2)的Y轴电机使超声波探头(1)位于基体材料(4)正上方，测量基体材料(4)表面的超声波回波信号s₁(t)；3)寻找到薄层材料(5)伸出基体材料(4)表面的部分，即薄层材料(5)上下表面完全浸在水中的部分，并调节扫描超声波显微镜的三维直线电机(2)的Y轴电机使超声波探头(1)位于薄层材料(5)此部分的正上方，测量薄层材料(5)的超声波回波信号s₂(t)；4)以s₁(t)为参考信号，对s₂(t)进行基于维纳滤波和自回归谱外推技术的反卷积，得到信号h₁(t)；5)记录h₁(t)信号中的每两个峰峰值之间的间距Δt₁，并将Δt₁/2设定为薄层材料(5)的声波渡越时间的初始值；6)选定薄层材料(5)的声阻抗、声波渡越时间和声波衰减系数的初始值Z_s0、和α₀之后，计算理论的超声波反射系数频谱R_t(ω)；然后将s₂(t)信号的频谱除以s₁(t)信号的频谱再乘以基体反射系数的值R₀，得到薄层材料(5)的反射系数频谱的实验值R_e(ω)；取目标函数其中n为在反射系数频谱带宽内采样点的个数；从三个初始值Z_s0、和α₀开始，利用高斯‑牛顿法寻找的最优化函数f的最小值f_min，得出薄层材料(5)的声阻抗、声波渡越时间和声波衰减系数的最优值Z_s、和α；7)以s₁(t)为参考信号，对s₁(t)+s₂(t)进行基于维纳滤波和自回归谱外推技术的反卷积，得到信号h₂(t)并记录h₂(t)信号中的前两个峰峰值之间的间距Δt₂；8)计算得出薄层材料(5)的厚度为h＝c₀·Δt₂/2，其中c₀为水中声波的速度，薄层材料(5)的声速为，密度为ρ＝Z_s/c₁，衰减系数为α。