用于确定材料的弹性模量的空气耦合超声检测方法技术

本发明专利技术公开了一种用于确定材料的弹性模量的空气耦合超声检测方法。所述方法包括以下步骤：根据对称模式和反对称模式的导波频散关系式，求解得到导波的第一理论频散曲线；利用第一理论频散曲线实验测得在给定的频厚积下待测板中的导波波长，得出导波的第一实测频散曲线；计算得出导波相速度随弹性模量的变化率和导波相速度随泊松比的变化率曲线；根据导波相速度变化率曲线筛选出多对计算点对；针对计算点对中的每一点，以其对应的弹性模量和泊松比重复步骤一、二以得到第二实测频散曲线；根据第二实测频散曲线利用相速度偏差的最小平方和优化算法求解待测材料的弹性模量。本发明专利技术能够实现对于材料的弹性模量的无损测量，并且测量结果准确。

Air coupled ultrasonic testing method for determining elastic modulus of material

An air coupled ultrasonic testing method for determining the elastic modulus of a material is disclosed. The method comprises the following steps: according to the symmetrical mode and frequency guided wave mode against known dispersion relations, obtained the first frequency theory of guided wave dispersion curves; the first theoretical dispersion curve of the measured wave guide plate to be measured in the wavelength at a given frequency thickness product, the first measured frequency guided wave the dispersion curves of guided wave are calculated; velocity varies with the elastic modulus ratio and guided wave phase velocity changes with the Poisson's ratio of the rate curve; according to the guided wave phase velocity curves were selected to calculate point to point to the calculation; for each point, with the elastic modulus and Poisson's ratio of the corresponding repeat step one or two to get second measured dispersion curves; according to the elastic modulus of second measured dispersion curves by solving the least square optimization algorithm and phase velocity deviation of tested materials. The invention can realize the nondestructive measurement of the elastic modulus of the material, and the measurement result is accurate.

【技术实现步骤摘要】
用于确定材料的弹性模量的空气耦合超声检测方法
本专利技术涉及超声无损检测的
，尤其涉及一种用于确定材料的弹性模量的空气耦合超声检测方法。
技术介绍
无损检测(NondestructiveTesting)简称NDT，是不破坏和损伤受检物体，对它的性能、质量、有无内部缺陷进行检测的一种技术。在现有的无损检测方法中，常规方法有射线探伤(RT)方法、超声检测(UT)方法、渗透探查(PT)方法、磁粉检测(MT)方法、涡流检测(ET)方法，当然还有微波检测方法、电位检测方法等。超声检测(UT)是利用超声波在被检测材料中传播时，材料的声学特性和内部组织的变化对超声波的传播产生一定的影响，通过对超声波受影响程度和状况的探测了解材料性能和结构变化。当超声波进入物体遇到缺陷时，一部分声波就会产生反射、透射及折射，接收传感器通过对这些特征波进行分析，来测量材料的厚度、发现隐藏的内部缺陷，或来分析诸如金属、塑料、复合材料、陶瓷、橡胶以及玻璃等材料的物化特性等。空气耦合超声检测以空气作为耦合介质，与常规超声检测方法相比，换能器无需接触工件，被测试样也避免了耦合剂的污染，因此便于工件的现场检测。导波是超声波的一种，是由于介质边界的存在而产生的波，导波在传播过程中以反射与折射的方式与边界发生作用，产生横波和纵波间的模态转换，所以导波就呈现出了常规声波所不具有的一些特点，最主要的特征就是具有频散现象、多模态和较远的传播距离。其中，导波的频散特性中就包含着材料的弹性参数信息，如弹性模量、泊松比等。目前并没有成熟的通过研究材料中导波的频散特性去测量材料弹性参数的方法。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是为了克服现有技术中没有成熟的通过对材料中导波频散特性来进行材料的弹性模量测量的方法的缺陷，提出一种用于确定材料的弹性模量的空气耦合超声检测方法。本专利技术是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：本专利技术提供了一种用于确定材料的弹性模量的空气耦合超声检测方法，其特点在于，采用空气耦合超声检测设备实施所述空气耦合超声检测方法，所述空气耦合超声检测设备包括超声波的发射探头和接收探头，所述空气耦合超声检测方法包括以下步骤：步骤一、根据对称模式和反对称模式的导波频散关系式，由给定的频厚积、由待测材料制成的待测板的密度以及弹性模量和泊松比的估计值，求解出给定的频厚积下各个模态的导波相速度，进而得到待测材料中导波的第一理论频散曲线，所述第一理论频散曲线为对称模式及反对称模式的相速度-频厚积曲线，其中对称模式和反对称模式的导波频散关系式分别为如下的公式(1)、(2)：其中，k＝ω/c，ω＝2πf，上述公式中d是待测板的厚度，f是导波的频率，ω是导波的角频率，c是导波相速度，k为波数，CL是待测材料中的纵波波速，GT是待测材料中的横波波速，E为材料弹性模量，v为泊松比，ρ为待测板的密度，d、f之积为频厚积；步骤二、先利用导波的相速度理论值和折射定律求得在给定的频厚积下导波的各个模态的谐振角，然后调节所述发射探头和所述接收探头使其与由待测板的厚度方向的夹角为求得的各个谐振角，并在与各个谐振角对应的频厚积下测得待测板中的导波波长，根据测得的导波波长计算得到给定的频厚积所对应的导波相速度，进而得到待测板中导波的第一实测频散曲线，所述第一实测频散曲线为对称模式及反对称模式的相速度-频厚积曲线；步骤三、根据第一理论频散曲线得出第一导波相速度变化率曲线和第二导波相速度变化率曲线，第一导波相速度变化率曲线记录有第一理论频散曲线上每个点的第一相速度变化率、频厚积及模态，每个点的第一相速度变化率为当弹性模量增大预设的第一百分比幅值后导波相速度的理论变化量，第二导波相速度变化率曲线记录有第一理论频散曲线上每个点的第二相速度变化率、频厚积及模态，每个点的第二相速度变化率为当泊松比增大预设的第二百分比幅值后导波相速度的理论变化量，所述理论变化量均根据所述第一理论频散曲线所对应的导波频散关系式计算得出；步骤四、根据第一导波相速度变化率曲线、第二导波相速度变化率曲线，找出多对计算点对，每一对计算点对由第一相速度变化率大于预设的第一阈值、且第二相速度变化率异号的两个点组成；步骤五、针对计算点对中的每一点，以其对应的弹性模量和泊松比替代步骤一中弹性模量和泊松比的估计值，并重复步骤一的计算过程得到待测材料中导波的第二理论频散曲线，然后重复步骤二以基于第二理论频散曲线测得第二实测频散曲线；步骤六、根据所述多对计算点对中各个点的模态和频厚积从第二实测频散曲线中查出各个点对应的第二实测导波相速度，以第二实测导波相速度ci为初始解，由对称模式和反对称模式的导波频散关系式(1)或(2)求出第二理论导波相速度c(fi，ci，ρ，E0，v0)，然后根据相速度偏差的最小平方和优化算法，根据以下公式(3)，求出待测材料的弹性模量，其中，E0、ν0分别为待测材料的弹性模量和泊松比，n为所述多对计算点对中点的总数量，点的序号i遍历1至n，fi是序号为i的点对应的导波频率。较佳地，第一百分比幅值小于2％。较佳地，第二百分比幅值小于1％。较佳地，所述空气耦合超声检测设备还包括工控机、数据采集卡、信号发生器、功率放大器和前置放大器，其中，所述发射探头和所述接收探头位于待测板的同侧，且其设置方向相对于待测板的法向对称，所述信号发生器经所述功率放大器连接至所述发射探头，所述接收探头经所述前置放大器连接至数据采集卡和工控机，并且所述数据采集卡还与所述信号发生器或所述功率放大器相连接，以保证发射信号和接收信号的同步。在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本专利技术各较佳实例。本专利技术的积极进步效果在于：本专利技术的空气耦合超声检测方法，解决了由于频散曲线关于材料弹性参数的非线性特征导致弹性模量的求解算法不收敛的问题，实现了对于材料的弹性模量的无损测量，并且测量结果准确。附图说明图1为本专利技术一较佳实施例的空气耦合超声检测方法的流程图。图2A示出了本专利技术一较佳实施例中计算得到的待测材料中导波的第一理论频散曲线中对称模式的频散曲线的示例。图2B示出了本专利技术一较佳实施例中计算得到的待测材料中导波的第一理论频散曲线中反对称模式的频散曲线的示例。图3A为本专利技术一较佳实施例中的相速度随弹性模量的线性变化示意图的示例。图3B为本专利技术一较佳实施例中的相速度随弹性模量的线性变化示意图的示例。图4A示出了本专利技术一较佳实施例中计算得到的导波相速度相对于弹性模量的变化率曲线的示例。图4B示出了本专利技术一较佳实施例中计算得到的导波相速度相对于泊松比的变化率曲线的示例。具体实施方式下面结合说明书附图，进一步对本专利技术的优选实施例进行详细描述，以下的描述为示例性的，并非对本专利技术的限制，任何的其他类似情形也都落入本专利技术的保护范围之中。在以下的具体描述中，方向性的术语，例如“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”、等，参考附图中描述的方向使用。本专利技术的实施例的部件可被置于多种不同的方向，方向性的术语是用于示例的目的而非限制性的。根据本专利技术较佳实施例的用于确定材料的弹性模量的空气耦合超声检测方法，其采用空气耦合超声检测设备实施。空气耦合超声检测设备，可以包括超声波的发射探头和接收探头，以及工控机、数据采集卡、信号发生器、功率放大器和前置放大本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于确定材料的弹性模量的空气耦合超声检测方法，其特征在于，采用空气耦合超声检测设备实施所述空气耦合超声检测方法，所述空气耦合超声检测设备包括超声波的发射探头和接收探头，所述空气耦合超声检测方法包括以下步骤：步骤一、根据对称模式和反对称模式的导波频散关系式，由给定的频厚积、由待测材料制成的待测板的密度以及弹性模量和泊松比的估计值，求解出给定的频厚积下各个模态的导波相速度，进而得到待测材料中导波的第一理论频散曲线，所述第一理论频散曲线为对称模式及反对称模式的相速度‑频厚积曲线，其中对称模式和反对称模式的导波频散关系式分别为如下的公式(1)、(2)：

【技术特征摘要】
1.一种用于确定材料的弹性模量的空气耦合超声检测方法，其特征在于，采用空气耦合超声检测设备实施所述空气耦合超声检测方法，所述空气耦合超声检测设备包括超声波的发射探头和接收探头，所述空气耦合超声检测方法包括以下步骤：步骤一、根据对称模式和反对称模式的导波频散关系式，由给定的频厚积、由待测材料制成的待测板的密度以及弹性模量和泊松比的估计值，求解出给定的频厚积下各个模态的导波相速度，进而得到待测材料中导波的第一理论频散曲线，所述第一理论频散曲线为对称模式及反对称模式的相速度-频厚积曲线，其中对称模式和反对称模式的导波频散关系式分别为如下的公式(1)、(2)：其中，k＝ω/c，ω＝2πf，上述公式中d是待测板的厚度，f是导波的频率，ω是导波的角频率，c是导波相速度，k为波数，CL是待测材料中的纵波波速，CT是待测材料中的横波波速，E为材料弹性模量，v为泊松比，ρ为待测板的密度，d、f之积为频厚积；步骤二、先利用导波的相速度理论值和折射定律求得在给定的频厚积下导波的各个模态的谐振角，然后调节所述发射探头和所述接收探头使其与由待测板的厚度方向的夹角为求得的各个谐振角，并在与各个谐振角对应的频厚积下测得待测板中的导波波长，根据测得的导波波长计算得到给定的频厚积所对应的导波相速度，进而得到待测板中导波的第一实测频散曲线，所述第一实测频散曲线为对称模式及反对称模式的相速度-频厚积曲线；步骤三、根据第一理论频散曲线得出第一导波相速度变化率曲线和第二导波相速度变化率曲线，第一导波相速度变化率曲线记录有第一理论频散曲线上每个点的第一相速度变化率、频厚积及模态，每个点的第一相速度变化率为当弹性模量增大预设的第一百分比幅值后导波相速度的理论变化量，第二导波相速度变化率曲线记录有第一理论频散曲线...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘卫平，刘奎，于光，周晖，张冬梅，黄姿禹，张继敏，肖鹏，
申请(专利权)人：中国商用飞机有限责任公司，上海飞机制造有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31