扫描超声波显微镜同时测量薄层材料机械特性参数的方法

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机械特性参数的方法。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，令超声波探头作上下运动并测得基体材料和薄层材料的超声波回波信号V1(z,t)、V2(z,t)；2)分别对V2(z,t)、V1(z,t)进行二维傅里叶变换，并且经过相应公式转换后得到薄层材料的以θ和ω为变量的反射系数R2(θ,ω)；3)选取薄层材料的厚度、纵波声速、横波声速、纵波衰减系数、横波衰减系数和密度的初始值，通过薄层材料的二维反射系数频谱拟合，同时得出薄层材料的多项机械特性参数。本发明实现了对薄层材料局部机械特性六变量的高精度同时测量，且结构简单，横向分辨率高。

主权项

一种扫描超声波显微镜同时测量薄层材料机械特性参数的方法，采用扫描超声波显微镜，扫描超声波显微镜包括超声波聚焦探头(1)、三维直线电机Z轴运动平台(2)、三维直线电机Y轴运动平台(3)、三维直线电机X轴运动平台(4)、电机控制器(5)、超声波发射接收器(6)、计算机(7)、薄层材料(8)、基体材料(9)、水槽(10)、三维直线电机Z轴运动导轨(11)、三维直线电机Y轴运动导轨(12)、三维直线电机X轴运动导轨(13)，水槽(10)底部放有基体材料(9)，基体材料(9)上设有薄层材料(8)，基体材料(9)上方设有超声波聚焦探头(1)，超声波聚焦探头(1)上端固定于三维直线电机Z轴运动平台(2)之上，三维直线电机Z轴运动平台(2)运动在三维直线电机Z轴运动导轨(11)上，三维直线电机Y轴运动平台(3)运动在三维直线电机Y轴运动导轨(12)上，三维直线电机X轴运动平台(4)运动在三维直线电机X轴运动导轨(13)上，超声波聚焦探头(1)与超声波发射接收器(6)相连，三维直线电机Z轴运动平台(2)及三维直线电机Y轴运动平台(3)与电机控制器(5)相连，计算机(7)分别与电机控制器(5)、超声波发射接收器(6)相连；其特征在于方法的步骤如下：1)将薄层材料(8)放置于基体材料(9)表面，并置于盛有水的水槽(10)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Y轴运动平台(3)使超声波聚焦探头(1)位于基体材料(9)正上方；3)调节扫描超声波显微镜的三维直线电机Z轴运动平台(2)使超声波聚焦探头(1)聚焦于基体材料(9)上表面； 4)测量基体材料(9)的超声波回波信号 V1(z, t)；5)调节扫描超声波显微镜的三维直线电机Y轴运动平台(3)使超声波聚焦探头(1)位于薄层材料(8)伸出基体材料表面部分的正上方；6)调节扫描超声波显微镜的三维直线电机Z轴运动平台(2)使超声波聚焦探头(1)聚焦于薄层材料(8)伸出基体材料表面部分的上表面；7)测量薄层材料(8)的超声波回波信号 V2(z, t)；8)分别对V2(z, t)、V1(z, t)进行二维傅里叶变换后相除，再乘以基体材料的以kz和ω为变量的反射系数R1(kz,ω)，得到薄层材料的以kz和ω为变量的反射系数R2(kz, ω)，再由公式kz=ω•cos(θ)/c0得到薄层材料的以θ和ω为变量的反射系数R2(θ, ω)，其中θ为超声波入射角，ω为超声波频率，c0为水中声速，kz为超声波在水中波数的竖直分量；9)选取薄层材料厚度初值h0、纵波声速初值cl0、横波声速初值ct0、纵波衰减系数初值αl0、横波衰减系数初值αt0和密度初值ρ0，计算出薄层材料以θ和ω为变量的反射系数的理论值, 通过对薄层材料(8) 的以θ和ω为变量的反射系数R2(θ,ω)进行最小二乘法拟合，得出薄层材料(8)的厚度、纵波声速、横波声速、纵波衰减系数、横波衰减系数和密度的最优值，即为最终测量结果。