专利名称：对弹性和耗散非线性以及黏弹性进行局部且非接触式测量的声学装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于局部且非接触式地测量介质中的弹性和耗散非线性与非线 性黏弹性的声学方法和装置，其中所述介质承受低频声应力并且由脉冲或者超声波列探 测。本发明涉及在工业材料或者生物材料中，特别是在骨组织中对微损伤(微裂纹) 进行检测和量化的技术领域。本发明还涉及其它复杂介质的特征的技术领域，如凝固或者非凝固粒状介质(岩 石、沙、混凝土等)，复杂流体介质(化妆品、农产品加工物)或者二相流体介质(聚合物、石 油)。
背景技术：
在本技术领域中已知多篇文献描述了声学非线性测量系统。这些公开文献描述了 通过使被测试材料承受变化振幅的机械应力而测量声学非线性效应的方法。实际上，在被 测试材料上应用变化的机械应力改变了材料的弹性性质，甚至有时会改变耗散性质。这些方法中的部分方法是测量在样本中由该样本中处于机械应力(流体静压力 或者单轴应力)状态的准静态变化引起的声波的传播速度和振幅的变化。其他方法是利用 两种声波的相互作用并且通常测量低频波的谐波增长-N. Ichida, T. Sato，Μ. Linzer ；Imaging the nonlinear parameter of the medium(对介质的非线性参数进行成像)，Ultrason. Imaging，Vol. 5，1983 ；pp. 295-299.Ζ. Zhu, Μ. S. Rooc, W. N. Cobb, K. Joncon ；Determination of the acoustic nonlinearity parameter B/A from phase measurements (石角定相位狈|J量的声非线性参数 Β/Α) ； J. Acoust. Soc. Am.，Vol. 74 (5)，1983 ；pp. 1518-1521 ；-C. Barriere, D. Royer ；Diffraction effects in the parametric interaction of acoustic waves (, * 才百5酉勺巾白勺身寸 ) ；application to measurements of the nonlinearity parameter B/A in liquids (对液体中非线性参数B/A进行测量的应 用)；IEEE Trans. UFFC. , Vol. 48 (6), 2001, pp 1706-1715;-C. Μ. Sehgal，R. C. Bahn, J. F. Greenleaf ；Measurement of the acoustic nonlinearity parameter B/A in human tissues by a thermodynamic method(通过 热力学方法测量人体组织中的声非线性参数B/A) J. Acoust. Am. Soc.，Vol. 76 (4)，1984 ； pp.1023-1029 ；-V. Zaitsev, V. Nazarov, V. Gusev e t B. Castagnede ；Novel nonlinear一modulation acoustic technique for crack detection (关于裂痕检测的新颖 的非线性调制声学技术)；NDT&E International, 39 (2006) 184-194 ；-G.Gremaud, M. Bujard, et W. Benoit ；The coupling technique ；A two-wave acoustic method for the study of dislocation dynamics(关于位错动力学石if究的二波声学方法);J. Appl. Phys. 1987 61 (5)，1795-1805.然而，这种测量系统具有许多缺陷使用准静态测试机器(需要使样本和装置接触)的技术不可以应用在流体、凝胶 介质和有生命的介质中(生物医学应用in vivo)。需要超声波转换器与样本接触(例如粘贴)并且因此改变其表面的在干燥介质中 的方法，不与某些应用，特别是生物医学应用相兼容。利用连续发射超声探测波的方法可以产生使测量分析复杂化的驻波。在低频波和超声波之间共线相互作用的情况下，在由超声波转换器建立的低频场 中，可能存在声波阴影区域。利用低频波和超声波之间共线相互作用的方法(其中超声波应该在样本中形成 一个或者多个往返)不可以应用于明显衰减的介质，如骨组织。利用用于使样本中应力发生变化的接触式机械装置的方法，在不使用该样本机械 共振的情况下，具有受到形变速度限制的使用范围(最大几kHz)。利用用于使样本中应力发生变化的接触式机械装置的方法，使用该样本的机械共 振，可以达到几十kHz的形变频率，然而机械共振频率受到样本的几何尺寸和物理性质的 条件限制。逐步使流体静压力变化并且需要围住填充流体的密封罩中被测试样本的方法是 相对复杂的设计和使用。不利用低频声波产生应力变化的方法难以同时执行压缩和拉伸(或者压缩和减 压)的测试。在测试机器的情况下，保持装置使样本变化。在密封罩的情况下，小于大气压 的流体压力的减少要求相对复杂的设计。
发明内容
本发明以解决现有技术的缺陷为目的，提出一种对承受外部应力样本的弹性与耗 散非线性和黏弹性进行局部和非接触式测量的方法和装置。根据另一方面，本发明还允许考虑在不期望与测量系统相接触的应用领域(如农 产品加工物和生物医学应用)中的弹性与耗散非线性和黏弹性进行测量。可以替代地，本发明还允许考虑对材料的损伤进行量化，特别是对于工业或者医 疗的应用。另外，本发明根据样本的压缩和拉伸阶段期间的外部应力瞬时变化而测量弹性和 衰减的瞬时变化以及对被分析样本的黏弹性特性进行量化。鉴于此，施加在样本上的外部应力由低频声波产生，所述低频声波的波长明显大 于样本所在介质中的样本尺寸。如此产生的流体静压力变化在空间的三个方向将样本压缩 和减压。同时一系列超声波脉冲(高频)传输通过样本以测量与流体静压力的变化有关的 介质的传播和衰减的速度的变化。更确切地，本发明的目标是对样本的弹性与耗散非线性和黏弹性进行局部且非接 触式的声学测量装置。该装置包括用于容纳样本的容器、用于在样本中产生流体静压力的 周期的低频变化的低频声波发射装置、用于测量由发射装置产生的低频声波的测量装置、 高频超声波脉冲产生装置、设置用于使穿过样本的高频超声波脉冲由接收装置接收的接收
5装置以及分析单元，该分析单元包括对样本中低频声波通过引起的超声波脉冲飞行时间和 振幅的调制计算�？椋员愣匝镜牡杂牒纳⒎窍咝院宛さ越辛炕�。有利地，该装置包括黏弹性效应(tan(c5))和非线性声学弹性(α、β和δ )与耗 散效应的多参数成像�？�。优选地，低频声波产生装置包括用于使专用活塞共振的振动壶。可以替代地，低频声波产生装置包括声学投射仪。有利地，使高频超声波脉冲发射装置和低频声波产生装置定向以使得超声波脉冲 的传播方向与低频声波的传播方向是垂直的。优选地，该装置包括根据低频流体静压力的压缩和减压阶段来瞬时表示黏弹性和 耗散非线性的装置。本发明还涉及对设置在容器中的样本的弹性与耗散非线性和黏弹性进行局部非 接触式测量的声学方法，包括用于在样本中产生流体静压力周期的低频变化的低频声波发 射步骤、测量由发射装置产生的低频声波的步骤、穿过样本的高频超声波脉冲产生的步骤、 穿过样本的高频超声波脉冲接收的步骤，以及通过包括对样本中低频声波通过引起的超声 波脉冲飞行时间和振幅的调制计算�？榈姆治龅ピ匝镜牡院秃纳⒎窍咝砸约梆さ� 性进行量化的步骤。有利地，在低频流体静压力的减压和压缩阶段期间，分析单元实现弹性和耗散非 线性效应的瞬时计算以及样本的复杂黏弹性特性的表示。根据具体的实施方式，在低频流体静压力的拉伸和压缩阶段期间，或者根据振幅 或者根据形变速度而实现非线性瞬时计算。有利地，分析单元根据低频流体静压力的平均振幅对弹性和耗散非线性的频率分 量进行计算(0频0阶；基频1阶；双频2阶)。有利地，低频声波频率在几Hz到IOOkHz，超声波脉冲具有20kHz到IOOMHz的频率 范围和大约10倍于低频声波频率的发射速率；在该目标中涉及对低频波的拉伸/压缩周期 的正确抽样。优选地，分析单元处理通过对低频声波列2到100次发射进行平均得到的序列和 连续的高频脉冲。有利地，本方法包括根据低频流体静压力的压缩和减压阶段的黏弹性和耗散非线 性的瞬时表示步骤。利用样品中与超声波“探测”综合相互作用的低频声波而在容器内产生流体静压 力变化的事实而获得对样本中黏弹性效应以及弹性和耗散非线性效应的瞬时测量。利用声 波以产生在介质中的流体静压力的变化允许在样本拉伸和压缩的连续阶段期间动态地研 究非线性声学效应。根据被分析的样本类型，可以在需要时测量流体静压力的升高和减少阶段之间的 滞后。连接活塞到振动壶使得设计和实现用于进行形变速度选择的具有宽幅度的低频 波的产生装置。实际上，活塞的几何和结构参数确定其共振频率。有利地，声学投射仪(水下扬声器)的使用能够代替振动壶/活塞系统，则低频声 波频率不再依赖于活塞。
在三维空间中以勻质方式改变流体静压力条件的低频声波的使用允许通过改变 超声探测波的传播方向而“探测”样本并且因此研究介质的黏弹性和耗散非线性的各向异 性。在介质中利用声波而非接触式产生的牵引与收缩的低频应力而能够研究黏弹性 和耗散非线性-在传统机械测试机器中对流体和不可掌握的胶体介质；-在保护可能的外部污染的介质中(生物和农产品加工材料)；-在具有复杂几何形状的固体介质中；以及-用于有生命体的应用(例如对脚踵骨中的微损伤的研究)。
通过阅读随附的详细实施例，并参考分别示出的附图，将引出本发明的其它特征 和优点-图1是根据本发明样本的弹性与耗散非线性参数和黏弹性参数的测量装置的实 施例示意图；-图2示出根据本发明，借助位于与低频活塞下的超声波转换器在同一平面的容 器中的水听器进行测量的流体静压力(低频声波)；-图3示出根据在人踵骨中传播时间的高频超声波列飞行时间的调制计算；-图4示出表示根据在踵骨中低频应力(流体静压力)变化的弹性非线性的超声 波脉冲飞行时间调制的瞬时曲线图；-图5示出根据在人踵骨中传播时间的高频超声波列的调幅率；-图6示出根据在人踵骨中低频应力(流体静压力)的变化的耗散非线性的超声 波脉冲调幅率的瞬时曲线图；-图7a和7b示出在人踵骨中传播后且对于平均低频振幅的不同级别，以分别对应 活塞共振的0频、基频和双频的0阶、1阶和2阶，在频域中测量高频超声波列的飞行时间调 制和调幅率。
具体实施例方式图1示出在样本( 中传播的高频超声波脉冲的速率和衰减变化的局部和非接触 式瞬时测量装置的实施例，该样本( 承受由低频声波产生的流体静压力的变化。在该示例中，将被分析的样本( 放置在具有流体(6)(例如水)的容器中。 将容器装满水以确保超声波脉冲的正确传播。而且有利地，水可以由任何其它的流体代替。该装置包括用于产生同步信号(8a)的同步设备(8)，优选地同步信号(8a)为方波 形式。该同步信号(8a)允许信号发生器(10)与示波器(30)同步，且因此确保高频脉冲与 低频压力测量的绝对同步，使得黏弹性和耗散非线性瞬时曲线图得以恰当表示。信号发生器(10)包括两条信道(IOa)和(IOb)并传递两个同步信号，优选地是正 弦形式的信号。可以替代地，可以使用两个发生器来代替双信道发生器(10)。在该情况下， 通过同步信号(8a)使两个信号发生器同步。有利地，该发生器(10)的第一信道(IOa)与高频功率放大器(1 连接，并产生高频电发射信号(1 )。高频功率放大器(1 与超声波发射转换器(14)连接，该超声波 发射转换器(14)用于将由高频电脉冲构成的高频电发射信号(12a)变换成超声波脉冲列 (14a)。有利地，发射转换器(14)的频率为20kHz到100MHz。根据示例，确定在脚踵骨中 应用的额定频率等于1MHz。发射转换器(14)还放置在容器中并且与超声波接收转换 器(16)面对面设置，以便穿过样本(2)的超声波脉冲(14a)在接收转换器(16)处被接收。 超声波脉冲(14a)可以由一到几个超声波周期构成。有利地，将来自超声波接收转换器(16)的高频电接收信号(18)传输到高频接收 放大器( )，然后由数字示波器(30)进行数字化。发射和接收转换器(14)和(16)可以是一维或者二维的平面或会聚的单转换器、 平面或会聚的环状多元件网、或者平面或会聚的线性多元件网。接收转换器(16)也可以是 水听器。作为示例，借助平面单转换器获得踵骨中的结果。优选地，发生器(10)的第二信道(IOb)与低频功率放大器O0)连接。该低频功 率放大器O0)将放大的低频电信号(20a)传送到振动壶0 使得活塞04)运动，该活 塞04)与振动壶02)的轴线成一整体且设置在容器内。有利地，该振动壶02)产生 IOHz到15kHz的形变速度。作为示例，将在2到5kHz之间的频率应用在与踵骨相关的应用 中。对于理想的操作，需要发送几十个正弦周期以使得活塞04)达到它的最大振幅共振。低频波长应该明显大于发射和接收超声波转换器(14)和(16)之间的距离，以认 为准静态低频压力场贯穿在超声波转换器(14)和(16)之间的超声波脉冲(14a)的传播时 间内。活塞04)的运动产生低频声波0 ),优选地为正弦波并且有利地具有与超声波脉 冲(14a)的传播方向正交的传播方向。该低频声波(Ma)在容器(4)的局部区域中产生流 体静压力的正弦变化。实际上，低频声波(Ma)的波长要比探测样本O)的至少一个维度 大很多。可以替代地，对超声波脉冲(14a)与低频声波(Ma)之间的正交相互作用，可以以 对于低频声波0 )的传播方向成任何的角度设置超声波转换器(14)和(16)对。超声波脉冲(14a)与低频(Ma)的传播方向之间的正交相互作用的结构允许对平 行于活塞04)的平面中的样本(4)的非线性参数各向异性的研究。而且，如果考虑高频转 换器(14，16)的平面与低频声波0 )的传播方向之间的任何角度，可以进行在三维空间 中的非线性参数的各向异性研究。为了使低频声波0 )的振幅变化最大，优选地活塞04)在第一共振模式上运 行。组成活塞04)的材料密度和刚度的选择及其直径和厚度确定它的共振频率并产生约 70kPa级的流体静压力的变化。作为示例，直径140mm且厚度6mm的玻璃活塞产生^OOHz频率的震动并在活塞表 面的15mm处获得70kPa的流体静压力的振幅变化。可以替代地，低频声波(Ma)发射装置可能由水下扬声器(声学投射仪)或者声 纳组成，使得获得大于15kHz同时保持高压级别的形变速度。借助于平行放置在高频转换器(14)和(16)平面中活塞上的水听器06)测量低 频流体静压力的变化。因此，通过该水听器06)测量在容器(4)中产生的低频声波。有利 地来自水听器06)的低频电信号被传输到放大器(34)，然后为了数字化而和示波器(30)连通。例如在图2中，示出该放大的低频电信号(26a)的典型形式。高频波(14a)短列以允许在容器(4)中的流体静压力变化的正确抽样的发射速率 穿过样本(2)。通常对^OOHz频率的低频声波(Ma)，使用约25kHz超声波脉冲(14a)的 速率，或者对低频声波0 )的周期使用约10次发射超声波。合理地确定高频电接收信号(18)与低频电信号06a)的采集窗口时间长度以 记录非承受低频压力变化的部分信号与全部低频活塞共振的上升。作为示例，如果使用 2800Hz的共振活塞，则需要70ms的窗口以覆盖整体实验(图2)。为了使高频电接收信号(18)的信噪比最优化，通过发送N次低频声波(Ma)列而 执行N次实验的平均值。选择明显大于(约10到50倍大的量级)超声波脉冲频率(14a)的高频接收电信 号的采样频率。作为示例，对于25MHz的采样频率、N = 30的平均值和IMHz频率的超声波 脉冲，在水中获得约ΙΟ—"1秒量级的飞行时间调制测量的噪声级别。随后将由示波器(30)数字化的高频电接收信号(18)和低频接收电信号06a)传 输到用于数据存储和处理的分析单元(32)。该分析单元(3 对包含在先前已经数字化和同步化的高频电接收信号(18)和低 频电信号(26a)的中的信息进行处理，以便计算样本O)的弹性和耗散非线性以及黏弹性 系数。根据低频压力的变化的高频电接收信号(18)的飞行时间和振幅的变化，计算弹 性和耗散非线性以及黏弹性。低频流体静压力的压缩和减压阶段期间产生的超声波短列(14a)的飞行时间变 化与介质中超声波传输速度的变化有关联(等式1)
权利要求
1.一种对样本O)的弹性和耗散非线性以及黏弹性的局部和非接触式声学测量装置， 其特征在于包括容器G)，其用于容纳所述样本O)；低频声波(Ma)的发射装置(10、20、22、对)，其用于在所述样本( 中产生流体静压力 的周期的低频变化；测量装置(26、30、34)，其用于测量由所述发射装置(10、20、22、24)产生的所述低频声 波(24a)；高频超声波脉冲(14a)的产生装置(10、12、14)；接收装置(16、28、30)，其与所述产生装置(10、12、14)面对面设置，使得穿过所述样本 (2)的所述高频超声波脉冲(14a)由所述接收装置(16、观、30)接收，以及分析单元(32)，其包括由在所述样本O)中的所述低频声波(Ma)的通过引起的所述 超声波脉冲(14a)的飞行时间和振幅的调制的计算�？椋员愣运鲅綩)的所述弹性 和耗散非线性以及所述黏弹性进行量化。
2.根据权利要求1所述的声学测量装置，包括黏弹性效应α&η(Φ))以及声学弹性和 耗散非线性效应(α、β和δ)的多参数成像�？�。
3.根据权利要求1或2所述的声学测量装置，其中所述低频声波的所述产生装 置04)包括用于使专用活塞(2)产生共振的振动壶(22)，所述专用活塞(2)用于产生周期 的低频变化。
4.根据权利要求1或2所述的声学测量装置，其中所述低频声波的所述产生装 置04)包括用于产生低频声学变化的声学投射仪。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的声学测量装置，其中将所述高频超声波脉冲 (14a)的所述发射装置(10、12、14)与所述低频声波(24a)的所述产生装置(10、20、22、24) 定向，使得所述超声波脉冲(14a)的传播方向和所述低频声波(Ma)的传播方向垂直。
6.根据权利要求1到4中任一项所述的声学测量装置，其中所述分析单元(3 用于根 据所述低频流体静压力的压缩和减压阶段瞬时表示黏弹性和耗散非线性。
7.根据权利要求1到4中任一项所述的声学测量装置，其中所述分析单元(32)用于实 现表示根据所述低频流体静压力的平均振幅的弹性和耗散非线性的活塞的零频(O阶)、共 振基频(1阶)和双频O阶)的频率分量。
8.一种对设置在容器(4)中的样本( 的弹性和耗散非线性以及黏弹性的局部和非接 触式声学测量方法，其特征在于其包括低频声波0 )的发射步骤，其用于在所述样本O)中产生流体静压力的周期的低频 变化；测量所述低频声波(Ma)的步骤；产生穿过所述样本O)的高频超声波脉冲(14a)的步骤；接收穿过所述样本O)的所述高频超声波脉冲的步骤；以及量化的步骤，通过分析单元(3 对所述样本( 的所述弹性和耗散非线性以及所述黏 弹性进行量化，所述分析单元(3 包括用于计算由所述样本O)中的所述低频声波(Ma) 的通过引起的所述超声波脉冲(14a)的飞行时间和振幅的调制的模块。
9.根据前述权利要求中任一项所述的声学测量方法，包括根据所述低频流体静压力的压缩和减压阶段瞬时表示黏弹性和耗散非线性的步骤。
10.权利要求8所述的声学测量方法，包括根据所述低频流体静压力的平均振幅的弹 性和耗散非线性的活塞的零频(0阶)、共振基频(1阶)和双频O阶)的频率分量的表示步骤。
11.根据权利要求8到10中任一项所述的声学测量方法，包括对所述样本O)的损伤 级别的量化步骤。
12.根据权利要求8到12中任一项所述的声学测量方法，其中所述低频声波0 )的 频率为几个2Hz到IOOkHz，所述超声波脉冲(14a)具有20kHz到IOOMHz的频率范围以及比 所述低频声波(Ma)的频率高约10倍的发射速率。
13.根据权利要求8到12中任一项所述的声学测量方法，其中所述分析单元(3 处理 通过对低频声波04a)列的连续2到100次发射进行平均得到的序列。
全文摘要
本发明涉及对介质的弹性和耗散非线性以及动态非线性黏弹性进行局部非接触式测量的声学方法和装置，所述介质承受低频声应力和由脉冲或者超声波列探测的声应力。因此本发明涉及对样本(2)的弹性和耗散非线性以及黏弹性进行局部非接触式测量的声学装置，其特征在于包括用于在样本(2)中产生流体静压力的周期的低频变化的低频声波(24a)的发射(10、20、22、24)和接收(26、34、30)装置，高频超声波脉冲(14a)的产生(10、12、14)和接收(16、28、30)装置，以及分析单元(32)，该分析单元(32)包括由样本(2)中的低频声波(24a)通过引起的超声波脉冲(14a)飞行时间和振幅的调制计算�？椋员愣匝�(2)的弹性和耗散非线性以及非线性黏弹性进行量化。
文档编号G01N29/07GK102124328SQ200980132103
公开日2011年7月13日 申请日期2009年6月23日 优先权日2008年6月24日
发明者玛耶勒·德方泰尼, 纪尧姆·任奥德, 让-皮埃尔·里门耶拉斯, 赛缪尔·卡勒 申请人:图尔弗朗索瓦·拉伯雷大学
专业数控铣床产品供应商
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