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专利名称：一种双频超声检测界面接触强度的方法
技术领域：
本发明涉及一种检测界面接触强度的方法，特别是一种采用双频超声波检测界面 接触强度的方法。
背景技术：
在固体界面的粘接、焊接等连接质量的无损检测中，超声手段由于其低成本、易操 作等优势扮演着越来越重要的角色。由于能够分辨复合材料或复合结构中的缺陷、裂纹、 脱粘和界面杂质等影响连接强度的因素，超声无损检测在建筑业、电子工业、汽车工业、航 空工业、造船工业和机械工业等领域得到了越来越广泛的应用。与定量超声技术在其它方 面的应用相比，固体无损检测要求其不仅能反映试样的物理特性(如弹性模量、衰减系数 等)，还能够针对试样的结构提供更多信息。传统的以及现有成熟的超声检测手段包括脉冲_回波法、共振谱分析法和声学成 像等方法。脉冲回波法一般利用1-20兆赫兹(MHz)范围内的窄带超声信号，通过观察反射 波形的存在及其时间、幅度等信息判断缺陷和杂质等的存在、位置和严重程度，具有简单和 直观的优点，但受到波长的限制，只能反映宏观缺陷，对介观裂隙和微观裂纹则无能为力， 同时无法用于厚度较小的试样。共振谱分析法利用0. 2-lOMHz范围内的宽带超声信号，通 过检查试样在不同部位的多阶共振频率来实现连接异常区域的检测与定位(其原理类似 于日常检查缺陷时的敲击听音方法)；该方法的缺点是难以对缺陷的严重程度进行定量的 表征，但近年来有关非经典非线性的研究表明，共振频率会随着缺陷强度出现偏移，这为该 方法在固体无损检测中的进一步发展提供了契机。而超声成像方法并不是一种单独的方 法，其利用不同的物理量在空间的分布对试样进行成像，具有直观、准确的优点；利用诸如 脉冲回波幅度、共振频率偏移、超声非线性参量等可以不同程度地反映界面的结构信息。近年来，接触非线性的相关研究表明，作为一种界面间普遍存在的非线性现象，接 触非线性在进行固体界面无损检测方面具有较大的潜力和应用价值。接触非线性的研究历 史可以追溯至Ij Richardson等人在1978年所进行的理论(Int JEng Sci，1979 ；17 :73_85) 与实验(Appl Phys Lett, 1978 ；33 :371_373)研究，当一列声波经过固体接触界面时，由于 界面在拉伸相与压缩相之间存在运动不对称性，将导致反射和透射信号中存在谐波成分， 谐波的幅度大小与界面接触静压有关。但是必须指出的是，Richardson等人的研究是假设 接触平面绝对光滑，而在现实世界中这显然是不可能存在的，所以基于现实的考虑必须计 入粗糙界面的影响。然而这种影响通常是很难进行估计的，一般必须借助电子显微镜等手 段进行观察，再利用图像处理技术进行分析和统计。Pecorari将界面的粗糙特性等效为密 度分布在Preisach-Mayergoyz空间上的大量非线性接触单元的集合(J Acoust Soc Am， 2004 ；116 1938-1947) ；Gusev等人则建立了一种双稳态界面模型，利用缓冲器来描述界面 的这种非线性(Ultrasonics，2003 ；41 :643_654)。尽管这些模型能够描述和解释界面非线 性的部分本质，但却忽略了这种非线性与接触压力之间的定量关系。在界面连接(接触)质量与彻体静压之间的联系方面，许多研究者进行了大量的统计模型分析，主要的做法是将界面的介观或微观拓扑结构与接触强度这一物理参量相联 系，在这些模型研究中，接触界面的应力_应变特性通常被类比于弹簧，而界面接触强度 大小则与接触静压密切相关。为了能够实现接触强度的测量，Biwa等人从理论(J Appl Mech-T Asme, 2004 ；71 :508_515)和实验(Ultrasonics, 2006 ；44，E1319-E1322)两方面，利 用超声透射、反射系数及界面超声非线性参量共同确定界面的线性和二阶接触强度值。然 而，这种由于缺乏振动幅度的校准和定量分析，理论分析与实验结果事实上无法进行很好 的对应，这也就意味着无法定量测量界面的接触强度。

发明内容
针对目前尚无对固体界面进行接触强度定量检测的方法，本发明要解决的技术问 题是提供一种双频超声激励检测固体界面接触强度的方法，该方法可以得到界面的线性和 二阶接触强度的值，实现定量检测的目的。本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是一种双频超声检测界面接触强度 的方法，主要包括以下步骤a)信号发生器产生双频超声激励信号，并经过功率放大器放大；b)利用一个发射换能器发射信号和一个接收换能器接收信号，先对换能器进行校 准得到电信号与振动位移之间的线性关系；c)发射换能器在待测样品中激发双频超声信号后，再利用快速傅立叶变换对接收 的信号做处理；d)利用步骤b)中通过校准得出的线性关系，将得到的电信号幅度换算成绝对位 移幅度；e)利用绝对位移幅度计算非线性参量；f)由步骤e)得到的非线性参量计算线性接触强度和二阶接触强度的值，从而定 量地给出界面的接触强度。本发明中，可使用任意函数信号发生器重复产生一个包含两个频率正弦(或余 弦)分量的电脉冲。为了在频域上抑制旁瓣，还可以对该脉冲加一个汉宁窗函数。该电信 号经过一个功率放大器，用于驱动发射换能器。为了实现定量测量，在测量之前，对换能器先进行校准工作。对于换能器在工作频 率点发射的信号，首先用激光测振仪测量振动位移，然后同样的发射信号用接收换能器测 量。换能器接收到的电信号和测振仪测得的振动位移线性对应。通过这样的校准程序，接 收换能器在测量时接收到的信号幅度可以转换为绝对位移幅度。如电信号的幅度为V，振 动位移幅度为U，则对应比例系数k = U/V，在实际测量时，换能器接收到的电信号幅度为V1 的话，其对应的振动位移就为U1 = IiXV1 = V1XUA0本发明中，将入射平面波设定为一列由两路不同频率的余弦波叠加而成的双频信 号(也可以使用正弦波)，假设两列信号的角频率分别为O1和ω2(同时假设CO1 > ω2)， 初始相位均为零(相位条件不影响结果的幅频特性)，余弦波幅度分别为A1和A2,则入射波 U1可表示为如下形式
权利要求
一种双频超声检测界面接触强度的方法，其包括以下步骤a)信号发生器产生双频超声激励信号，并经过功率放大器放大；b)利用一个发射换能器发射信号和一个接收换能器接收信号，先对换能器进行校准得到电信号与振动位移之间的线性关系；c)发射换能器在待测样品中激发双频超声信号后，再利用快速傅立叶变换对接收的信号做处理；d)利用步骤b)中通过校准得出的线性关系，将得到的电信号幅度换算成绝对位移幅度；e)利用绝对位移幅度计算非线性参量；f)由步骤e)得到的非线性参量计算线性接触强度和二阶接触强度的值，从而定量地给出界面的接触强度。
2.根据权利要求1所述的一种双频超声检测界面接触强度的方法，其特征在于所述步 骤b)中，校准换能器具体包括以下程序对于换能器在工作频率点发射的信号，首先用激 光测振仪测量振动位移，然后同样的发射信号用接收换能器测量，则换能器接收到的电信 号和测振仪测得的振动位移线性对应。
3.根据权利要求1或2所述的一种双频超声检测界面接触强度的方法，其特征在于所 述步骤e)中，非线性参量为以下四个= A^、丨(4)) =βτ ) - I^r、丨(^T ) ) - KnK1 β^ I (A^ ^ = AK21K3其中4°、劣2)分别为信号两个基频的幅度，<)、劣4)为信号中差频及和频的幅度， 45)、劣6)分别对应两个基频的二倍频的幅度；K21 = K2A1, K1是线性接触强度，K2是二阶接触强度 ’K1+ i = I，2，3，4，笔=KlIpcmi，其中P是材料密度，C是材料的纵波声速，(O1和ω2分别为两个基波的二倍角频率，ω 3是两个基波的角频率之和，ω4是两个 基波的角频率之差。
全文摘要
本发明提供了一种双频超声检测界面接触强度的方法，主要包括以下步骤首先信号发生器产生双频超声激励信号，并经过功率放大器放大；利用一个发射换能器发射信号和一个接收换能器接收信号，先对换能器进行校准；在待测样品中激发双频超声信号后，再利用快速傅立叶变换处理信号；将得到的电信号幅度换算成绝对位移幅度；计算非线性参量、线性接触强度和二阶接触强度值。本发明引入了绝对振动幅度的校准程序，可以计算出具体的接触强度值，从而能实现对固体界面的定量检测。采用双频激励超声进行检测，相比于已有的固体界面接触强度超声检测方法，该技术可以有效地增强固体界面接触强度的检测。
文档编号G01N29/04GK101949894SQ20101025366
公开日2011年1月19日 申请日期2010年8月16日 优先权日2010年8月16日
发明者刘洋, 章东, 郭霞生 申请人:南京大学