CN102124328A - 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 - Google Patents

Abstract

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模块，以便对样本(2)的弹性和耗散非线性以及非线性黏弹性进行量化。

Description

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

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，M.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.

Z.Zhu，M.S.Rooc，W.N.Cobb，K.Joncon；Determination of the acoustic nonlinearity parameter B/A from phase measurements(确定相位测量的声非线性参数B/A)；J.Acoust.Soc.Am.，Vol.74(5)，1983；pp.1518-1521；

-C.Barrière，D.Royer；Diffraction effects in the parametric interaction of acoustic waves(声波参数相互酌中的衍射效应)；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.M.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 et B.Castagnede；Novel nonlinear-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(关于位错动力学研究的二波声学方法)；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模块，以便对样本的弹性与耗散非线性和黏弹性进行量化。

有利地，该装置包括黏弹性效应(tan(Φ))和非线性声学弹性(α、β和δ)与耗散效应的多参数成像模块。

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模块的分析单元，对样本的弹性和耗散非线性以及黏弹性进行量化的步骤。

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100kHz，超声波脉冲具有20kHz到100MHz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。

在三维空间中以匀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)。

附图说明

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。

具体实施方式

图1示出在样本(2)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(2)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(2)放置在具有流体(6)(例如水)的容器(4)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(10a)和(10b)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(10a)与高频功率放大器(12)连接，并产生高频电发射信号(12a)。高频功率放大器(12)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(4)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(28)，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(10b)与低频功率放大器(20)连接。该低频功率放大器(20)将放大的低频电信号(20a)传送到振动壶(22)使得活塞(24)运动，该活塞(24)与振动壶(22)的轴线成一整体且设置在容器(4)内。有利地，该振动壶(22)产生10Hz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(24)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(24)的运动产生低频声波(24a)，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(24a)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(24a)的波长要比探测样本(2)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(24a)之间的正交相互作用，可以以对于低频声波(24a)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(24a)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(24)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(24a)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(24a)的振幅变化最大，优选地活塞(24)在第一共振模式上运行。组成活塞(24)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2800Hz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(24a)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(26)测量低频流体静压力的变化。因此，通过该水听器(26)测量在容器(4)中产生的低频声波。有利地来自水听器(26)的低频电信号(26a)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2800Hz频率的低频声波(24a)，使用约25kHz超声波脉冲(14a)的速率，或者对低频声波(24a)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(26a)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(24a)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1MHz频率的超声波脉冲，在水中获得约10^-10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(26a)传输到用于数据存储和处理的分析单元(32)。

该分析单元(32)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(2)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)：

等式1

其中，

-L是超声波发射和接收转换器(14)与(16)之间的距离；

-TOF(飞行时间)是超声波转换器(14)与(16)之间的高频脉冲(14a)的传播时间；

-c是在承受低频压力变化的相关介质中的超声波传播速度；

-C₀是在没有低频压力变化的相关介质中的超声波传播速度；

因为超声波的传播速度与弹性模数K和相关的介质密度ρ₀有关，可以以同样的方式写出根据K变化的速度c或者飞行时间(TOF)的变化(等式2)：

$\frac{\∂\mathrm{TOF}}{\∂\mathrm{PBF}}=-\frac{L}{{2C}_0^3{\mathrm{\ρ}}_0}\frac{\∂K}{\∂\mathrm{PBF}}$ 等式2

其中，

-K是黏弹性模数；

-ρ₀是没有低频压力变化的介质密度。

分析单元(32)包括根据时间的样本(2)的弹性非线性与耗散非线性的计算模块，如分别在图3和5中所示的。分析单元(32)还包括黏性参数计算模块。

弹性非线性计算模块对来自高频接收电信号(18)的第一高频脉冲(对应于非承受低频压力变化的超声波脉冲(14a))与该电接收信号(18)的每个接续高频脉冲之间实施互相关算法。互相关对第一参考高频脉冲和电接收信号(18)的第n个高频脉冲之间的延时进行估算。为了将该延时估算最优化，在取消数字采样的目标中，执行互相关峰值的抛物线状相互极化。最终结果获得根据时间的飞行时间的调制(飞行时间调制：TOFM)(图3)。

可以替代互相关算法，在低频波列(24a)发射时间中连续发送超声探测波(14a)的情况下，可以使用源自该超声探测波(14a)的信号的相位的解调算法。

对于耗散非线性计算模块，可能有三种方法：

1.测量在时域中高频电接收信号(18)的脉冲的峰值-峰值振幅变化率；

2.测量在频域中高频电接收信号(18)的脉冲的最大振幅变化率(图5)；

3.测量频率衰减斜率的变化率。

如同弹性非线性，在三种情况之一中根据高频电接收信号脉冲(18)计算变化，参考信号不承受低频压力变化。在方法3)的情况下，在骨应用中通常称为BUA(宽带超声波衰减)的频率衰减对应于在涉及通带上的参考信号谱模数(第一高频接收电信号脉冲(18))与第n个高频电接收信号脉冲(18)的比例斜率。最终结果是根据时间的振幅或者衰减的变化率(图5)。

一方面根据先前说明的弹性和耗散非线性的时间函数的模式，另一方面，根据时间的低频压力变化的同步测量的模式，可能分析并介绍根据以上两种模式的结果：

1)瞬时模式：根据低频压力振幅或者低频振幅形变速度(即导数)的弹性和耗散非线性瞬时曲线图；

2)频率模式：根据低频压力平均振幅的0阶、1阶和2阶(分别为活塞共振的0频、基频，和活塞的双频)的弹性和耗散非线性频率分析。

在瞬时模式情况中，将与飞行时间调制(弹性非线性)或者调幅率(耗散非线性)的计算点，与低频压力振幅的每个测量点进行同步化。这些同步测量自然地产生根据低频压力振幅的超声波脉冲(14a)飞行时间或者振幅的调制表示，以及作为在样本(2)中压缩与减压阶段时期黏弹性和耗散非线性的即时追踪。一旦在板上生成共振，则可以在活塞共振的上升阶段选择分析窗口，和/或在活塞释放阶段(电信号(10b)停止后)选择分析窗口。

这种表示可以通过在活塞平面的平行平面(XoY)中确定的传输，以及呈现的黏弹性效应(tan(Φ))与弹性声学非线性(α、β、δ)和耗散效应，而由多参数断层X线摄影的成像模块来实现。有利地，装置包括样本(2)的旋转和平移的机械模块或者超声波转换器对(14，16)。然而，有利地，超声波转换器对和相关平移系统可以由一维转换器网代替。

该表示还可以由多参数横向成像模块实现，多参数横成像模块包括样本(2)的机械扫描模块或者位于活塞平面的垂直平面(YoZ)中的超声波转换器(14，16)。有利地，与电子扫描模块相连的转换器二维网络的使用可以代替超声波转换器对和机械扫描系统。

如果涉及的样本不具有滞后型非线性(损伤的或者粒状的介质)，而且虽然该曲线图具有滞后性，但是该曲线图可有助于黏弹性系数的测量。根据低频压力与高频电接收信号(18)飞行时间调制之间的相位差Φ的测量通过黏弹性参数计算单元而获得黏弹性参数。通常黏弹性系数(或者损失因子)用tan(Φ)表示。

根据所示的，图4和6分别示出根据在踵骨测量范围内的低频压力振幅的高频电接收信号(18)飞行时间调制示例和调幅率示例。

如同对于准静态测试机器的机械试验，该分析清楚地呈现并且在同样的试验过程中，介质的黏弹性和耗散特性，通过负流体静压力变化而拉伸，通过正流体静压力变化而压缩。

在频率模式情况中，在活塞共振上升和下降阶段期间，根据时间的高频电接收信号(18)的飞行时间和振幅以及低频压力振幅的调制被切割成等于4或5个低频周期尺寸的平滑窗口。在频域中分析两个非线性(弹性与耗散)调制窗口，其中对于活塞共振的0频(0阶)、基频(1阶)和活塞双频(2阶)，谱模块的振幅被记录。

相比之下，对应于低频压力振幅的窗口谱模块促使该低频压力平均振幅的计算。在用于计算适当傅里叶变换的足够长度和用于考虑将低频压力平均振幅视为常数的最小长度之间的折中而促使选择4到5个低频周期。

根据所示的，图7a和7b分别示出在踵骨测量范围中，通过根据低频压力平均振幅的0阶、1阶和2阶频域中测量获得的编码和放大的电信号(18)的飞行时间调制的示例和调幅率的示例。

与瞬时模式相反，与拉伸和压缩阶段有关的信息不再可获得，因为对低频压力振幅在傅里叶域内的几个周期进行平均化。然而，频率分析促使根据不同频率阶的非线性分解：常数、基的和谐次的。而且，在活塞共振期间，可以研究低频振幅的升高和减少阶段期间的可能不同的特性。

基于根据低频压力的弹性模数K直到2阶的泰勒级数展开，并且考虑到非典型非线性或者滞后效应而修改的现象学关系(K.R.McCall et R .A.Guyer；Equation of state and wave propagation in hysteretic nonlinear elastic materials(在滞后非线性弹性材料中的状态方程和波传播)；Journal of Geophysical Research，Vol.99(B12)，1984；pp.23 887-23897.)，用于提取或者鉴别根据以下等式的典型非线性参数β、δ(1阶和2阶)与非典型参数α：

$K=K_0+\mathrm{\β}\·\mathrm{PBF}-\mathrm{\δ}\·\frac{{\mathrm{PBF}}^2}{K_0}+\mathrm{\α}(\mathrm{\Δ}\left(\mathrm{PBF}\right)-\mathrm{PBF}\·\mathrm{sign}\left(\mathrm{PBF}\right))$ 等式3

其中，

-K₀是线性弹性模数；

-PBF是低频压力的时间导数。

根据在低频压力变化中有关的飞行时间(或者弹性的)调制的瞬时曲线图的调整，可以实施该鉴别。

本发明不限制于已描述和介绍的实施例。还可以预见其它实施方式，如容器(4)包含气相和非液相的元素。而且，在不脱离本发明范围的情况下，可以以不同的方式组合分析单元(32)的不同实施方式以及在所述实施方式中获得的结果。

Claims (13)

1.一种对样本(2)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(4)，其用于容纳所述样本(2)；

低频声波(24a)的发射装置(10、20、22、24)，其用于在所述样本(2)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、28、30)接收，以及

分析单元(32)，其包括由在所述样本(2)中的所述低频声波(24a)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模块，以便对所述样本(2)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(tan(Φ))以及声学弹性和耗散非线性效应(α、β和δ)的多参数成像模块。

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(24a)的所述产生装置(24)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(24a)的所述产生装置(24)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(24a)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(32)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(0阶)、共振基频(1阶)和双频(2阶)的频率分量。

8.一种对设置在容器(4)中的样本(2)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(24a)的发射步骤，其用于在所述样本(2)中产生流体静压力的周期的低频变化；

测量所述低频声波(24a)的步骤；

产生穿过所述样本(2)的高频超声波脉冲(14a)的步骤；

接收穿过所述样本(2)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(32)对所述样本(2)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(32)包括用于计算由所述样本(2)中的所述低频声波(24a)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(2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(2)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(24a)的频率为几个2Hz到100kHz，所述超声波脉冲(14a)具有20kHz到100MHz的频率范围以及比所述低频声波(24a)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(32)处理通过对低频声波(24a)列的连续2到100次发射进行平均得到的序列。

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