基于声压反射系数相位谱的涂层密度超声测量方法

摘要

一种基于声压反射系数相位谱的涂层密度超声测量方法，属于材料超声无损检测与评价技术领域。该方法使用由超声探伤仪、超声窄脉冲水浸聚焦探头、涂层试样、水槽、数字示波器以及计算机组成的窄脉冲超声水浸聚焦回波系统。首先利用该系统采集一个由涂层表面反射信号和涂层与基体界面反射信号所组成的混叠信号，再利用该系统采集一个标准试块的表面回波信号，对采集到的试样信号和标准信号分别进行FFT变换，得到实部和虚部数据，最后计算出涂层密度。利用1～20MHz的超声对涂层密度进行测量，也可扩展用于其它均质或非均质涂层的密度测量。本方法不受涂层材质及其均匀性程度的限制，所用设备简单、可操作性强、成本低，易于实用化，测量精度高，重复性好。

主权项

1.一种基于声压反射系数相位谱的涂层密度超声测量方法，包括由超声探伤仪(1)、超声窄脉冲水浸聚焦探头(2)、涂层试样(3)、水槽(4)、数字示波器(5)以及计算机(6)组成的超声窄脉冲水浸聚焦回波系统，其特征在于：它采用的测量步骤如下：(1)利用所述系统向涂层试样垂直发射超声信号并采集一个由涂层表面反射信号和涂层与基体界面反射信号所组成的混叠信号；(2)利用所述系统采集一个标准试块的表面回波信号；(3)对所述(1)和(2)采集到的试样信号和标准信号分别进行FFT变换，得到相应的频域信号的实部和虚部数据；(4)将试样信号和标准信号的实部和虚部数据代入到公式1中，得到涂层试样的声压反射系数相位谱，公式1：$\phi \left(f\right)=\sqrt{\frac{\mathrm{Im}\left[S\left(f\right)\right]·\mathrm{Re}\left[S_0^{\prime }\left(f\right)\right]-\mathrm{Re}\left[S\left(f\right)\right]·\mathrm{Im}\left[S_0^{\prime }\left(f\right)\right]}{\mathrm{Re}\left[S\left(f\right)\right]·\mathrm{Re}\left[S_0^{\prime }\left(f\right)\right]·\mathrm{Im}\left[S_0^{\prime }\left(f\right)\right]}}$其中：φ(f)表示相位，S(f)和S′₀(f)分别表示涂层试样和标准试块回波信号的频域形式，Im[S(f)]和Im[S′₀(f)]分别表示涂层试样和标准试块回波信号经FFT后得到的虚部数据，Re[S(f)]和Re[S′₀(f)]分别表示涂层试样和标准试块回波信号经FFT后得到的实部数据；(5)当水和基体的声阻抗以及涂层的厚度、衰减系数和纵波声速已知时，根据所得声压反射系数相位谱读取相位极值的大小，将其代入到公式2中，可以计算出涂层的密度ρ₂，公式2：其中：φ(-f_N)和φ(+f_N)分别表示频率-f_N和+f_N所对应的相位极值，±f_N＝f_n±Δf_n、f_n表示谐振频率，它所对应的相位值为零，Δf_n表示谐振频率与其相邻相位极值所对应频率间的差值，这四个值均可在相位谱中直接获得，Z₁、Z₃分别表示水和基体的声阻抗，d、ρ₂分别表示涂层的厚度和密度，c₂(±f_N)和α(±f_N)分别表示±f_N频率所对应的涂层纵波声速和衰减系数。