CN103339501A - 用于超声地评估结构性能的系统和方法 - Google Patents

Abstract

公开了用于超声评估结构样品的一种或多种显微结构材料特性的系统和方法。示例性的系统包括：超声波传感器单元，其包括在样品内产生超声波反向散射的多个超声波换能器；以及在超声波反向散射数据上执行统计自相关函数的评估模块。自相关算法配置成执行单次散射响应(SSR)模型，该模型计算结构样品的二阶晶粒统计数据。

Description

用于超声地评估结构性能的系统和方法

联邦赞助的研究或开发

本发明是根据FRA批准的DTFR53-04-G-00011在政府支持下进行的。政府在本发明中享有一定的权利。

背景技术

结构健康监测被应用于众多不同行业以分析结构应力和其它材料特性。例如应力场测量技术可以用于分析铁路车轮和路轨、诸如水坝和桥梁的土木结构、以及在结构的整个使用寿命期间需要持续应力监测的其它应用。出于包括在结构退化或失效之前执行准确的预防性维护在内的多种原因，监测这些结构中的应力是很重要的。

有时会利用破坏性(Destructive)技术来执行结构的应力监测。一种这样的方法使用应变仪，就其必须被附接到结构上而言，它们是无损的。应变仪测量在结构上的可与结构应力场相关联的点处的应变。然而，由于它们永久性地附接在离散的局部位置处，因此应变仪对于收集代表整个结构的应力信息而言往往不够。此外，对于应变仪永久性地安置在结构上而言，当对应变仪进行校准和一般养护时往往费力且昂贵。例如在诸如铁路钢轨的结构应力监测过程中，由于需要过多数量的仪表来准确理解可能沿着路轨长度的应力和应变变化，因此应变仪的使用往往成本高昂。

诸如X-射线和中子衍射技术的无损评估方法能够监测应变中的局部变化且用来测量应力场，但是由于它们的高成本和便携性限制而往往不切实际。诸如超声技术的无损评估方法也被改进，并用于克服应变仪的不足之处，并以与衍射技术相比更低的成本来提供便携式系统。具体地，基于声弹性理论的超声评估技术已被用来监测加载结构中的应力。声弹性表示在外加应力下材料中的弹性波的传播速度变化。基于声弹性理论的超声技术已被用于将外加应力与弹性波的速度变化相关联。波速中的这些相对变化也可与结构中出现的应变相关联。

基于波速计算的超声评估方法的实用性受到一些限制。通常利用包括间隔一定距离的源和接收机换能器的超声波换能器的一发一收构造来执行这些计算。通过声弹性理论，传播该距离的波所需的时间量与波速成正比且与材料应力状态相关。一般情况下，为使接收信号具有足够的分辨率，间隔距离需要足够大。此外，为避免边缘反射效应，待分析结构的表面几何形状需一致。结果，这些因素限制了可被测量的结构的形状和尺寸。另一个问题是在实际应力范围内观察到的分辨率受限。当校正结构内的温度梯度和伸长效应时，该限制会出现测量和校准问题。

发明内容

本发明涉及用于确定和监测显微结构材料特性变化的超声系统和方法。示例性的系统包括：超声波传感器单元，其包括多个超声波换能器，所述超声波换能器配置成以脉冲-回波模式操作以便将超声波传送到目标区域上或结构样品内以及接收响应于超声波的超声波反向散射信号；以及配置成用于接收超声波反向散射信号的评估模块，所述评估模块配置成用于在超声波反向散射信号上执行统计自相关函数并确定样品的一种或多种显微结构材料特性。

用于超声评估铁路路轨的一种或多种显微结构特性的系统包括：超声波传感器单元，其包括多个超声波换能器，所述超声波换能器配置成以脉冲-回波模式操作以便将超声波传送到目标区域上或铁路路轨内并接收响应于超声波的超声波反向散射信号，所述多个超声波换能器包括垂直入射的超声波换能器和至少一个斜向入射的超声波换能器，所述垂直入射的超声波换能器配置成用于在路轨内感生纵模波超声波，而所述斜向入射的超声波换能器配置成用于在路轨内感生横模波超声波；以及配置成用于接收超声波反向散射信号的评估模块，所述评估模块配置成用于在超声波反向散射信号上执行统计自相关函数并确定铁路路轨的一种或多种显微结构材料特性。

用于超声确定结构样品的一种或多种显微结构材料特性的示例性方法包括将多个脉冲超声波传送到结构样品上的单点；感测响应于脉冲超声波的超声波反向散射信号；选择用于分析超声波反向散射信号的时窗；在时窗内的超声波反向散射信号上执行自相关函数；并确定结构样品的一种或多种显微结构材料特性。

虽然公开了多个实施例，但是从示出和描述本发明示例性实施例的以下详细描述，本发明的其它实施例对于本领域内的技术人员而言将变得显而易见。因此，附图和详细描述在本质上被认为是说明性的而非限制性的。

附图说明

图1是用于超声分析结构样品显微结构特性的示例性系统的框图；

图2是用于超声分析铁路路轨显微结构特性的示例性系统的示意图；

图3是用于在结构样品中产生纵向和斜向超声波反向散射的超声波换能器示例性几何配置的示意图；

图4是利用单次散射响应(SSR)模型获取的示例性反向散射响应数据相比于实验波形数据的曲线图；

图5是利用图1所示系统用于确定和监测显微结构材料特性变化的示例性方法的框图；

图6是示出适于一系列超声扫描的自相关函数的曲线图；

图7A是示出针对垂直入射超声波换能器配置所产生的样品波形的曲线图；

图7B是示出针对倾斜入射超声波换能器配置所产生的样品波形的曲线图；

图8是示出铝样品的实验和理论协方差值相对于应力的曲线图；

图9是示出钢样品的实验和理论协方差值相对于应力的曲线图。

虽然本发明可具有各种变型和替代形式，但是在下面仅通过实例的方式在附图中示出特定实施例，且在下面对特定实施例进行更详细的描述。然而，本发明并非将本发明限制于所述具体实施例。相反，本发明旨在涵盖落入由所附权利要求限定的本发明范围内的所有变型、等同物和备选形式。

具体实施方式

图1是用于超声分析结构样品12显微结构特性的示例性系统10的框图。如图1中所示，系统10包括超声波传感器单元14和评估模块16，其可通过分析传送到样品12内的超声波的超声波反向散射的效应来分析在处于结构样品12之上或之内的一个或多个目标位置18处的局部应力。例如在某些实施例中，系统10可通过对从超声波传感器单元14传送到处于样品12之上或之内的目标位置18的多个超声波的超声波反向散射特性进行分析来确定铁路路轨样品12内的诸如应力和应变的显微结构材料特性。系统10也可用于分析其它类型的结构，诸如水坝、桥梁、建筑物、储罐和压力容器。

所述超声波传感器单元14包括多个超声波换能器20、22、24，其分别配置成以脉冲-回波模式操作以便将脉冲超声波传送到结构样品12内。然后由以接收模式操作的超声波换能器20、22、24来感测来自结构样品12的这些超声波的传送进入和反射所得到的超声波反向散射。在一些实施例中且如本文中针对图3进一步所述，超声波传感器单元14包括两个超声波换能器20、22和一个第三超声波换能器24，所述两个超声波换能器20、22配置成用于传送以相对于结构样品12的表面成倾斜角度的入射超声波，而第三超声波换能器24配置成用于传送垂直于结构样品12表面的超声波。在其它实施例中，超声波换能器20、22、24的数量和配置可以变化。例如，可使用附加超声波换能器以产生并将倾斜和垂直入射超声波传送到样品12内。此外，在一些实施例中，个别超声波换能器配置成以传送或接收模式独立地操作。在一些实施例中，可将诸如水或油或固体耦合剂的声耦合介质放置于传感器单元壳体内，以助于将超声波换能器20、22、24声耦合到结构样品12。在一些实施例中，超声波传感器单元14是静止的。在其它实施例中，超声波传感器单元14配置成沿着样品12的表面移动。例如在铁路路轨的评估中，超声波传感器单元14可固定地耦联到路轨或配置成沿着路轨的表面诸如轨头或轨腰移动。

评估单元16配置成用于评估由以接收模式操作的每一超声波换能器20、22、24所接收的超声波反向散射信号。在一些实施例中，评估单元16包括控制器26、模数(A/D)转换器28和数模(D/A)转换器28以及脉冲发生器/接收器30。基于来自控制器26的控制信号，脉冲发生器/接收器30将电信号提供到超声波换能器20、22、24以便以传送模式产生脉冲超声波。然后，由脉冲发生器/接收器30处理超声波换能器20、22、24上接收的所得到的超声反向散射波，数字化并反馈到控制器26，以便由自相关算法32进行分析来确定结构样品12的一种或多种显微结构特性。

从每一超声波换能器20、22、24获取的超声波反向散射数据可存储于记录单元34内和/或可中继到一个或多个其它设备以便进行进一步处理。在一些实施例中，记录单元34存储从每个超声波换能器20、22、24获取的原始数据、由自相关算法32计算出的结构数据以及由系统所使用的用于获取原始数据和计算出的数据的控制参数和操作参数。

在一些实施例中，评估单元16还包括诸如全球定位系统(GPS)的位置识别器36以获取可与由超声波传感器单元14所获取的反向散射数据测量值相关联的全球位置数据。在一些实施例中，这种定位数据可用于跟踪超声波传感器单元14相对于结构样品12的位置，允许将随时间推移所获取的反向散射数据测量值与样品12上的相应位置相关联。例如在铁路路轨的分析中，来自位置标识器36的全球位置数据可用于与沿着路轨特定位置所获取的反向散射数据测量值相关联以及趋向于沿着路轨特定位置所获取的反向散射数据测量值。在一些实施例中，系统10配置成趋向于该数据以便产生整个路轨的应力梯度场。与采用应变仪以便获取在沿着路轨的离散位置处的局部测量值的结构健康监测技术相比，所述系统10可用于分析整个结构内的应力和应变，从而提供对结构实际情况的更好的理解。

用户界面38配置成用于允许用户查看和分析经由超声波传感器单元14所获取的原始数据和处理后的数据以便对评估单元16进行编程和执行其它系统功能。在某些实施例中，用户界面38包括图形用户界面(GUI)，其可用于以实时方式或基于存储于记录单元34内的数据来查看与一个结构或多个结构相关联的图形、表格或其它可视数据。在一些实施例中，数据发送器/接收器40配置成用于在评估单元16和配备有远程用户界面的远程设备42之间来回地无线中继数据、设置和其它信息。就用户界面38而言，远程用户界面44也可用于查看经由超声波传感器单元14所获取的原始数据和处理后的数据，以便对评估单元16进行编程并用于执行其它系统功能。在一些实施例中，远程设备42可进一步配置成运行自相关算法32，以便确定结构样品12的一种或多种特性(例如应力、应变等)。

评估单元16和/或远程设备42的一个或多个组件可以以软件、硬件、或两者的组合执行。在一些实施例中，本文所述的系统和方法可以作为计算机可读指令在包括带有易失性和/或非易失性存储器的数据存储系统的可编程计算机或处理器上来执行。

图2是用于超声分析铁路路轨48显微结构特性的示例性系统46的示意图。图2例如可表示图1所示系统10的执行以便测量连续焊接路轨(CWR)的样品中由温度导致的的纵向应力。在图2所示的实施例中，超声波传感器单元14经由动臂和旋转轮组件52与有轨车40耦联，且可配置成将超声波传送到诸如轨头54或轨腰56的路轨48部分内。在其它实施例中，超声波传感器单元14可耦联到有轨车50上的其它位置，包括车轮58之一在内。在一些实施例中，多个超声波传感器单元14可耦联到有轨车50，且可配置成感测沿着同一路轨48或者沿着两条路轨48的不同位置。例如在一些实施例中，第一超声波传感器单元14的任务是获取沿着第一路轨的超声波反向散射测量值以及第二超声波传感器单元14的任务是获取沿着另一路轨的超声波反向散射测量值。可以采用多个超声波传感器单元14来测量沿着同一路轨的不同位置，诸如轨腰和轨头。也可能有其它配置。

在有轨车50沿着路轨运动的过程中，超声波传感器单元14将超声波传送到路轨48内且感测所得到的反向散射波。然后将该数据馈送到评估单元16以便进行分析。经由GPS系统60获取的位置数据也由评估单元16所接收，并与反向散射测量值一起存储于记录单元34内。在一些实施例中，原始的反向散射数据和位置数据被无线传送到远程设备42，所述远程设备42处理数据以便确定与路轨48相关联的一种或多种显微结构特性。在其它实施例中，评估单元16计算与路轨48相关联的一种或多种显微结构特性，且将该数据实时或在稍后的时间传送到远程设备42以便进行进一步的分析。在某些实施例中，评估单元16配置为将原始数据和处理后的数据存储于记录单元34内，且以周期时间间隔和/或根据要求将该数据传送到远程设备42。

图3是用于在结构样品中产生纵向和斜向超声波反向散射的超声波换能器示例性几何配置的示意图。例如图3可代表由图1所示的超声波传感器单元14使用的超声波换能器20、22、24的示例性空间配置。在图3所示的实施例中，两个超声波换能器20、22相对于结构样品12的入射表面62以不同的倾斜角度取向，且配置成分别在由箭头64和66通常指示的方向上产生横波模式的反向散射。第三超声波换能器24依次垂直于入射表面62取向，且配置成在由箭头68通常指示的方向上产生纵波反向散射。

在诸如铁路路轨的多晶材料中，超声波反向散射通常是由于单晶弹性模量变化而在晶界上产生的众多反射和折射所导致的。晶界是单相界面，其中在晶界的每一侧上的晶体除了它们的取向之外几乎相同。超声波在多晶材料中的散射通过该材料的弹性模量协方差与外加应力相关。垂直入射(即纵向)超声波和倾斜入射(即横向)超声波测量值随外加应力而变化，尽管基于包含多个变量的函数而有不同程度的变化。就晶粒的统计学上的各向同性分布，可以封闭形式来计算模量的协方差。

在一些实施例中，可以使用基于漫射超声波反向散射的统计方法来获取关于材料显微结构的信息，包括裂缝、空隙、夹杂物的存在和位置以及可能会损害结构强度和耐疲劳性的其它特性。也可使用统计方法来提取(extract)金属中的粒度，其中粒径处于超声波波长数量级内。对于诸如由图1所示的系统10采用的脉冲-回波配置而言，评估单元16可配置成在相应于材料主体内不同位置的时域响应部分上进行统计分析。在一些实施例中，统计模型考虑到超声波换能器20、22、24的传递函数以及从非均质介质产生的合适时域散射响应来进行分析。如果材料的空间显微结构特性是先验(priori)的，则可从弹性模量的协方差来推导出材料内的应力场。

使用单次散射假设，由超声波换能器20、22、24产生的反向散射响应可表示如下：

${\mathrm{\Φ}}^1\left(t\right)={\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{LL}}^1\left(t\right)+{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{TT}}^1\left(t\right);---\left(1\right)$

其中

和

是由于以任意入射角度分别进入到纵向模式和横向模式的超声波折射导致的单次散射响应(SSR)。对于纵向模式/横向模式而言的SSR可表示为：

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{LL}/\mathrm{TT}}^1\left(t\right)={\mathrm{\γ}}_{\mathrm{LL}/\mathrm{TT}}{\mathrm{\Ξ}}_{\mathrm{LL}/\mathrm{TT}}\exp [-\frac{t^2}{{\mathrm{\σ}}^2}];---\left(2\right)$

其中：

γ_LL/TT代表与材料和换能器相关的实验参数；

是与供应到超声波换能器上的超声波信号的输入脉冲形状相关的场分布函数；以及

Ξ_LL/TT是材料的应力相关的弹性协方差张量。

图4是从单次散射响应(SSR)模型获取的示例性反向散射响应Φ(t)数据72相比于从钢样品获取的实验波形数据74的曲线图70。对于垂直入射配置而言，其中的横波能量低于纵模几个数量级，SSR模型数据72在初始响应阶段(即在约40μs时)接近实验波形数据，然后在响应的后期部分偏离于散射信号。由于增加的倍数受到多重散射的影响，因此这种偏离会导致高阶散射效应。

上述公式(2)中的弹性协方差张量可由与包括外加应力(T)的应力状态相关的二次方程表示为：Ξ_LL/TT(T)＝K₀+K₁T+K₂T²；             (3)

其中K₀、K₁和K₂是已知的应力相关系数。在一些实施例中，材料内的残余应力也可用作该应力状态的一部分来产生除了上述公式(3)中的外加应力(T)之外的测量值或代替其的测量值。

实验中，且在一些实施例中，单次分散响应可通过扫描材料的表面并收集来自材料内不同点的信号来求得。在这种情况下，单次分散响应基于下面的公式等于所收集到信号的空间方差：

${\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{EXP}}^1\left(t\right)=\mathrm{var}\left[V\left(t\right)\right]=<{V\left(t\right)}^2>-{<V\left(t\right)>}^2;---\left(4\right)$

其中V(t)是在传统超声波C-扫描中不同位置处所获取的信号矩阵。

在SSR模型中，上述公式(4)的第二项<V(t)>假定为0，其原因在于合适设计的漫射场测量值将通常具有零均值。在方差计算中所看到的波动幅度是在横截面积上声穿透的晶粒数目的函数。在理想情况下，应收集大量信号以将所产生的波动最小化。然而，在许多实际应用中，由于材料的几何形状和换能器耦联的限制，大扫描区域并不总是可行的。

在一些实施例中，仅利用单点测量值的统计自相关方法可用于确定样品的一种或多种显微结构材料特性。通过维纳-辛钦定理(Wiener-Khinchintheorem)和数值技术，单点自相关和空间方差之间的关系显而易见，上述关系提供成：

$\sqrt{{\&Integral;}_{t_0}^{t_0+{\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{LL}/\mathrm{TT}}}\mathrm{\&Lambda;}\left(t\right)\mathrm{dt}}\&ap;{\&Integral;}_{t_0}^{t_0+{\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{LL}/\mathrm{TT}}}<{V\left(t\right)}^2>\mathrm{dt};---\left(5\right)$

其中：

τ_LL/TT包括在垂直或斜向入射信号的单次散射区域内的时窗；以及

∧(t)是单点自相关函数。

上述公式(5)的左手侧的一项与公式(3)中的弹性协方差张量Ξ_LL/TT(T)成正比，且从而可被代入如下以便对利用图1所示系统10所获取的材料应力场进行单点应力测量：

$\sqrt{{\&Integral;}_{t_0}^{t_0+{\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{LL},\mathrm{TT}}}\mathrm{\&Lambda;}\left(t\right)\mathrm{dt}}\&Proportional;K_0+K_{1}T+K_2{T}^2---\left(6\right)$

图5是利用图1所示系统10和自相关函数用于确定和监测显微结构材料特性变化的示例性方法的框图76。方法76通常可在框78处开始，在框78处通过将超声波传送到结构样品12内以便在样品材料内产生超声波反向散射。例如在一些实施例中，可以使用包括多个超声波换能器20、22、24的超声波传感器单元14来在样品12内产生纵波和横波从而形成可测量的超声波反向散射，其中每个超声波换能器20、22、24均以传送模式操作。在一些实施例中，超声波换能器20、22、24利用从脉冲发生器/接收器30产生的高斯调制脉冲来激发，上述脉冲发生器/接收器30诸如为从纽约的Imaginant和JSR Ultrasonics of Pittsford商可购得的DPR500。

通过将超声波传送到样品内而产生的超声波反向散射数据由以接收模式操作的超声波换能器20、22、24来感测(框80)。然后在单次散射目标区域18内选择用于执行自相关函数的时窗，以便在反向散射数据上进行统计分析(框82)。基于时窗，来自每一换能器20、22、24的超声波反向散射信号被收集并作为数据存储于记录单元34内(框84)。在一些实施例中，反向散射数据也将被传送到一个或多个远程设备42以便存储和/或进行进一步的处理(框86)。

利用时窗反向散射信号，自相关算法32执行时窗超声波反向散射数据的自相关函数。在一些实施例中，用于在时窗数据上执行自相关函数的步骤可利用上面的公式(5)计算，其中计算出在每个时间点处的自相关函数，以及在一些实施例中还计算出它们的相关平均值<V(t)>(框88和90)，然后在时窗(T)内积分(框92)。然后在相同的时间周期将这些量的均方根与方差的积分∫<V(t)²>dt进行比较(框94)。

利用自相关反向散射数据，系统10可计算结构样品的一种或多种显微结构材料特性(框96)。例如在一些实施例中，自相关数据可用于与校准数据相关联来计算在结构样品上的每一目标位置处的应力和/或应变，以及确定裂缝、空隙、夹杂物或其它异常的位置和存在。利用自相关数据也可确定样品内的诸如应力场梯度的其它特性。

现在将描述适用于分析铝和钢结构样品的方法76的示例性实施例。利用图1所示的系统10，利用具有孔径为0.5英寸(1.27厘米)和几何焦距为约3英寸(7.62厘米)的15MHz的聚焦浸入式超声波换能器来扫描无应力钢块。在垂直入射的配置中，且如图6中的曲线图76所示，收集和分析一百个散射信号，同时在任何两个相继扫描的位置之间保持0.02英寸(0.05厘米)的距离以避免记录相关信号。在分别由参考线78和80所示的时窗(T)内计算和积分在每个点处自相关函数∧(t)及其平均值<∧(t)>。然后在由参考线82所反映的相同时窗内将这些量的均方根与方差积分∫<V(t)²>dt进行比较。平均自相关的时间积分与方差积分相差4.46％。单点自相关具有等于0.49％的相比空间方差的标准偏差。该偏差远小于加载过程中单点自相关幅度组合的预期变化，从而验证了自相关方法。

为了测试上述公式(6)，在通常由图3中箭头64所指示的方向上在单轴加载的铝轨和钢轨样品的样品上以垂直和倾斜的入射角执行单点超声波反向散射测量。样品利用453,000磅(2015千牛)的压缩应力加载。每个样品具有15.3平方英寸(98.7平方厘米)的横截面积，而路轨具有13.3平方英寸(85.9平方厘米)的横截面积。在样品上产生的最大压缩应力分别为204兆帕和235兆帕。

利用以脉冲/回波配置操作且具有诸如图3中所示几何配置的三聚焦超声换能器20、22、24来用于测量超声波反向散射。由于反向散射系数依赖于超声波的入射方向，因此换能器的不同取向将对单轴负载更加敏感。因此，斜向入射换能器20、22以图3中的与轴线3333成18度的角度取向，且在样品12的横截面上产生彼此正交传播的横波模式

垂直入射的超声波换能器24产生垂直于装载方向的纵波模式选择18度的入射角将横波传送最大化，同时将钢样品中的纵波分量最小化。该入射角也精密地将横波传送最大化以及将铝样品中的纵波分量最小化。可采用19.5度的入射角来将横波传送最大化以及将铝中的纵波分量最小化。

超声波换能器20、22、24可以通过装满水的附件安装到样品12上，装满水的附件提供换能器和样品12之间的声耦合。选择超声波换能器20、22、24和样品12之间的距离或水程，使得每个换能器20、22、24将聚焦在相同的晶粒体积上。对于斜向超声波换能器20、22和垂直入射的超声波换能器24而言分别采用2.65英寸(6.73厘米)和2.4英寸(6.1厘米)的水程。这些水程提供深入到材料内约0.16英寸(0.4厘米)的震深。

从脉冲发生器/接收器30产生的高斯调制脉冲用于激发超声波换能器20、22、24。由于从垂直入射的超声波换能器24的散射衰减超过斜向入射的超声波换能器20、22，采用67dB和51dB的前置放大增益来补偿信号强度。由取样频率为500MHz的12位模数卡来获取所产生的超声波反向散射信号。采用80,000磅/分钟(36,287千克/分钟)的线性加载速率将样品从0加载到453,000磅(2015千牛)。利用UTWIN^TM超声C-扫描软件，利用每分钟12个信号的比例采集速率在加载范围内收集反向散射信号。然后对从每个超声波换能器20、22、24所收集到的反向散射信号进行后处理和显示。例如在图7A中示出曲线图86，其示出对于垂直入射的换能器配置而言所产生的样品波形88。例如在图7B中示出曲线图90，其示出对于斜向入射的换能器配置而言所产生的样品波形92。

如在图7A-7B中可见，在大致单次散射的区域内选择时窗94、96，以便在每一波形88、92上进行统计分析。对于斜向超声波换能器20、22和垂直入射配置而言分别选择下述时窗长度：τ_TT＝2.6μsτ_TT＝2.6μs以及τ_LL＝1.3μsτ_LL＝1.3μs。通过选择τ_TT＝2τ_LL，时窗94、96在每种模式中封装的晶粒数目大致相等。

通过时窗信号的自相关，可计算得出公式(6)的左手侧的一项并将其与应力相关的弹性协方差张量相比较。实验数据利用图6所示的方法76获取。利用每一换能器取向进行6次试验。取每次试验的平均值，并利用装载前的样品无应力值进行归一化。利用公式(3)来计算理论曲线，其中基于来自铁(Fe)的系数来假设适于钢样品的合适系数(K)。图8和9示出样品曲线图98、100，示出通过由所测得的应力值除以相应的无应力系数(K₀)而获得的适于铝和钢的归一化理论应力曲线。适于铝样品的实验协方差通常由波形102a、104a和106a表示，其中每一波形102a、104a和106a的虚线部分表示相关联的标准偏差区域。以类似的方式，适于钢样品的实验协方差通常由波形102b、104b、106b表示，其中每一波形102b、104b、106b的虚线部分表示相关联的标准偏差区域。利用相同的标记形状在图8和图9中也示出对于每一样品而言的理论曲线108、110、112。

换能器的取向与图3中大致示出的标示相一致，其中纵模标记为

而横模由

和

标记。实验协方差对应力变化敏感。图8中的铝样品表现出的变化大于图9中的钢样品。由于比值K₂/K₁比钢的更大，因此可以预期到这种行为。适于铝的波形104a在加载范围内显示35％的变化。适于铝和钢的标准偏差处于10^-3的量级上。这些低标准偏差指示在多个加载循环下的测量可重复性。

如图8中所示，

斜率为正，而

斜率为负。这些特性可被用来预测样品是否处于压缩或拉伸载荷下。因此，可利用具有不同偏振方向的横波散射来预测相对于加载轴线的不同类型的加载。理论模型和实验结果之间的差异可能部分地由于未考虑理论模型中的残余应力或纹理信息。当与理论模型相比较时，实验结果表明相对于有效弹性模量斜率的类似定性特性。

多晶体有效弹性模量的二阶统计是外加应力的函数。因此，从这些二阶统计得到的结果表明在这种材料内以超声波频率发生散射行为。与一阶波速计算相比，对于某些材料而言二阶统计(即散射)通常比一阶统计(波速)受到施加负载的影响更大。

声弹性指的是在固体内的外加应力和波速之间的关系研究。应力和波速之间的这种关系是由高阶材料反应所导致的，当对于给定应用而言线弹性近似度足够时，高阶材料行为可以忽略不计。然而，当应变足够大时，非线性行为是组件或设备响应的必要和重要方面。声弹性行为通常以两种形式来检测。首先，单晶体的非线性响应是晶体谐振器的一个重要方面，所述晶体谐振器由于通常会导致的谐振频率偏移而承受较大的加速度或外加压力。其次，复杂固体的声弹性响应通常在宏观层面上来检测。这些材料的有关应用通常集中在利用超声波方法来监测材料中的应力。

仅仅因为适于单晶非线性行为的多晶体被用来预测随机取向晶体系综的非线性行为，因此桥接这两个方面曾是成功的。当外加应力对波速的影响是唯一关注点时，模型会仅仅依赖于针对这种预测的一阶晶粒统计。这项工作在关联不同的材料尺度方面一直非常成功。在过去的几十年中，多晶体的高阶空间统计一直受到关注。

通过弹性模量波动协方差的二阶晶粒统计可用于将单晶特性与当高频波通过多晶体时所导致的超声波散射行为相关联。由于晶轴未对准所导致的阻抗失配由于节能工艺引起能量从主传播方向损失。这种散射在衰减或漫射反向散射系数方面最经常被量化。

对于无应力材料而言，一阶Voigt-平均模量通常被限定为<C_ijkl(x)>，其中尖括号<>表示系综平均模量。在许多应用中，假定遍历假设，这样系综平均值可由空间平均值来代替。对于二阶统计而言，受到关注的量<C_ijkl(x)C_αβγδ(y)>涉及双点统计。可通过两种假设将上述简化：(1)该材料在空间上是均质的，这样它仅取决于位置x和y之间的差异；且(2)张量性质不依赖于空间性质。基于这些假设，项<C_ijkl(x)C_αβγδ(y)>可以如下表示：

<C_ijklC_αβγδ>W(|x-y|)；           (7)

其中，W是包含所有空间依赖性的无量纲函数。平均值<C_ijklC_αβγδ>取决于外加应力的量，且代表在所有可能的晶体取向上的角度平均值。为简单起见，假定结构上的外加应力不会引起晶体的任何几何变化。

在二阶和三阶弹性模量方面对于单晶而言与载荷相关的有效弹性模量G_ijkl通常可由下面的公式表示：

G_ijkl＝C_ijkl+δ_jlδ_kPδ_iQ+2C_ijkrS_lrPQ+

C_ijklmnS_mnPQT_PQG_ijkl＝C_ijkl+(δ_jlδ_kPδ_lQ+2C_ijkrS_lrPQ+C_ijkmnS_mnPQ)T_PQ；    (8)其中：

T_PQ是外加应力张量；

C_ijklmn是限定三阶弹性模量的第六(six-rank)张量；

C_ijkl是二阶弹性模量张量；

S_ijkl＝(C_ijkl)^-1是二阶柔度张量。

对于具有立体对称性的单晶而言，二阶模量可表示为：

$C_{\mathrm{ijkl}}=C_{\mathrm{ijkl}}^I+\mathrm{\&delta;}{C}_{\mathrm{ijkl}}=C_{\mathrm{ijkl}}^I+v{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{ijkl}}=C_{\mathrm{ijkl}}^I+v{\mathrm{\&Sigma;}}_{n=1}^3{a}_{\mathrm{in}}{a}_{\mathrm{jn}}{a}_{\mathrm{kn}}{a}_{\ln ;};---\left(9\right)$

其中v＝C₁₁-C₁₂-2C₄₄是对于立方材料而言的各向异性系数。各向同性的第四张量可表示为：

$C_{\mathrm{ijkl}}^I={\mathrm{\&lambda;}}^I{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{ij}}{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{kl}}+{\mathrm{\&mu;}}^I({\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{jk}}{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{il}}+{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{ik}}{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{jl}})C_{\mathrm{ijkl}}^I={\mathrm{\&lambda;}}^I{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{ij}}{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{kl}}+{\mathrm{\&mu;}}^I({\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{ik}}{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{jl}}+{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{il}}{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{jk}}).$ 如果晶体和实验室轴之间的旋转由三个欧拉角

θ和ζ表示，则旋转矩阵a_ij的元素可表示为：

由于尖括号<>指代晶体取向上的平均值，无应力平均模量可改写为：

其中上述公式(10)中旋转矩阵中元素的不同组合在单位球面上积分。

要考虑在外加应力下对于具有立体对称性的材料而言的有效模量，可利用下面的三阶弹性模量张量：

$C_{\mathrm{ijklmn}}=C_{123}{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{ijklmn}}^1+C_{144}{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{ijklmn}}^2+C_{456}{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{ijklmn}}^3+d_1{A}_{\mathrm{ijklmn}}^1+$

$d_2{A}_{\mathrm{ijklmn}}^2+d_3{A}_{\mathrm{ijklmn}}^3;---\left(12\right)$

其中d₁，d₂和d₃是三个各向异性常量，其利用六个独立的三阶弹性常量限定为：

d₁＝C₁₁₁-3C₁₁₂+2C₁₂₃+12C₁₄₄-12C₁₆₆+16C₄₅₆

d2＝C₁₁₂-C₁₂₃-2C₁₄₄

以及d3＝C₁₆₆-C₁₄₄-2C₄₅₆。

公式(12)中的各向同性基张量δ¹，δ²，和δ³可基于下述函数来确定：

${\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{ijklmn}}^1={\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{ij}}{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{kl}}{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{mn}}$

${\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{ijklmn}}^2=2({\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{ij}}{I}_{\mathrm{klmn}}+{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{kl}}{I}_{\mathrm{ijmn}}+{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{mn}}{I}_{\mathrm{ijkl}})$

${\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{ijklmn}}^3=2({\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{ik}}{I}_{\mathrm{jlmn}}+{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{il}}{I}_{\mathrm{jkmn}}+{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{im}}{I}_{\mathrm{jnkll}}+{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{in}}{I}_{\mathrm{jmkl}})$

$I_{\mathrm{ijkl}}=\frac{1}{2}({\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{ik}}{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{jl}}+{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{il}}{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{jk}})$

公式(12)中的基张量A¹，A²和A³可根据旋转矩阵的分量如下表示：

$A_{\mathrm{ijklmn}}^1=a_{\mathrm{iu}}{a}_{\mathrm{ju}}{a}_{\mathrm{ku}}{a}_{\mathrm{lu}}{a}_{\mathrm{mu}}{a}_{\mathrm{nu}},$ $A_{\mathrm{ijklmn}}^2={\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{ij}}{a}_{\mathrm{ku}}{a}_{\mathrm{lu}}{a}_{\mathrm{mu}}{a}_{\mathrm{nu}}+$

${\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{kl}}{a}_{\mathrm{iu}}{a}_{\mathrm{ju}}{a}_{\mathrm{mu}}{a}_{\mathrm{nu}}+{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{mn}}{a}_{\mathrm{iu}}{a}_{\mathrm{ju}}{a}_{\mathrm{ku}}{a}_{\mathrm{lu}}{A}_{\mathrm{ijklmn}}^3={\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{ik}}{a}_{\mathrm{ju}}{a}_{\mathrm{lu}}{a}_{\mathrm{mu}}{a}_{\mathrm{nu}}+$

${\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{il}}{a}_{\mathrm{ku}}{a}_{\mathrm{ju}}{a}_{\mathrm{mu}}{a}_{\mathrm{nu}}+{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{im}}{a}_{\mathrm{ju}}{a}_{\mathrm{ku}}{a}_{\mathrm{lu}}{a}_{\mathrm{nu}}+{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{in}}{a}_{\mathrm{ju}}{a}_{\mathrm{ku}}{a}_{\mathrm{lu}}{a}_{\mathrm{mu}}+$

${\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{jk}}{a}_{\mathrm{iu}}{a}_{\mathrm{ju}}{a}_{\mathrm{ku}}{a}_{\mathrm{lu}}+{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{jl}}{a}_{\mathrm{iu}}{a}_{\mathrm{ku}}{a}_{\mathrm{mu}}{a}_{\mathrm{nu}}+{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{jm}}{a}_{\mathrm{iu}}{a}_{\mathrm{ku}}{a}_{\mathrm{lu}}{a}_{\mathrm{nu}}+$

${\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{jn}}{a}_{\mathrm{iu}}{a}_{\mathrm{ku}}{a}_{\mathrm{lu}}{a}_{\mathrm{mu}}+{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{km}}{a}_{\mathrm{iu}}{a}_{\mathrm{ju}}{a}_{\mathrm{lu}}{a}_{\mathrm{nu}}+{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{kn}}{a}_{\mathrm{iu}}{a}_{\mathrm{ju}}{a}_{\mathrm{lu}}{a}_{\mathrm{mu}}+$

${\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{lm}}{a}_{\mathrm{iu}}{a}_{\mathrm{ju}}{a}_{\mathrm{ku}}{a}_{\mathrm{nu}}+{\mathrm{\&delta;}}_{\ln }{a}_{\mathrm{iu}}{a}_{\mathrm{ju}}{a}_{\mathrm{ku}}{a}_{\mathrm{mu}}$

因此有效弹性模量张量的平均值可表示如下：

<G_ijkl>＝<C_ijkl>+δ_jlδ_kPδ_iQT_PQ+2<C_ijkrS_lrPQ>T_PQ+<C_ijklmnS_mnPQ>T_PQ.                            (13)

有效的(与应力相关的)弹性模量协方差可以与上述公式(13)类似的格式表示。

将上述公式(7)至(12)结合得到用于确定协方差的如下简化公式：

${\mathrm{\&Xi;}}_{\mathrm{ijkl}}^{\mathrm{\&alpha;\&beta;\&gamma;\&delta;}}=<G_{\mathrm{ijkl}}{G}_{\mathrm{\&alpha;\&beta;\&gamma;\&delta;}}>-<G_{\mathrm{ijkl}}><G_{\mathrm{\&alpha;\&beta;\&gamma;\&delta;}}>=<C_{\mathrm{ijkl}}{C}_{\mathrm{\&alpha;\&beta;\&gamma;\&delta;}}>-<C_{\mathrm{ijkl}}>$

$<C_{\mathrm{\&alpha;\&beta;\&gamma;\&delta;}}>+\left(2\right(<C_{\mathrm{ijkr}}{S}_{\mathrm{lrPQ}}{C}_{\mathrm{\&alpha;\&beta;\&gamma;\&delta;}}>-<C_{\mathrm{ijkr}}{S}_{\mathrm{lrPQ}}><C_{\mathrm{\&alpha;\&beta;\&gamma;\&delta;}}>)+<$

$C_{\mathrm{ijklmn}}{S}_{\mathrm{mnPQ}}{C}_{\mathrm{\&alpha;\&beta;\&gamma;\&delta;}}>-<C_{\mathrm{ijklmn}}{S}_{\mathrm{mnPQ}}><C_{\mathrm{\&alpha;\&beta;\&gamma;\&delta;}}>)T_{\mathrm{PQ}}+$

$(<C_{\mathrm{ijkl}}{C}_{\mathrm{\&alpha;\&beta;\&gamma;\&delta;\&sigma;\&lambda;}}{S}_{\mathrm{\&sigma;\&lambda;RT}}>-<C_{\mathrm{ijkl}}><C_{\mathrm{\&alpha;\&beta;\&gamma;\&delta;\&sigma;\&lambda;}}{S}_{\mathrm{\&sigma;\&lambda;RT}}>+2(<C_{\mathrm{ijkl}}{C}_{\mathrm{\&alpha;\&beta;\&gamma;\&rho;}}{S}_{\mathrm{\&delta;\&rho;RT}}>$

$-<C_{\mathrm{ijkl}}><C_{\mathrm{\&alpha;\&beta;\&gamma;\&rho;}}{S}_{\mathrm{\&delta;\&rho;RT}}>\left)\right)T_{\mathrm{RT}}+4(<C_{\mathrm{ijkr}}{S}_{\mathrm{lrPQ}}{C}_{\mathrm{\&alpha;\&beta;\&gamma;\&rho;}}{S}_{\mathrm{\&delta;\&rho;RT}}>-<C_{\mathrm{ijkr}}{S}_{\mathrm{lrPQ}}>$

$<C_{\mathrm{\&alpha;\&beta;\&gamma;\&rho;}}{S}_{\mathrm{\&delta;\&rho;RT}}>)T_{\mathrm{RT}}{T}_{\mathrm{PQ}}+2(<C_{\mathrm{ijklmn}}{S}_{\mathrm{mnPQ}}{C}_{\mathrm{\&alpha;\&beta;\&gamma;\&rho;}}{S}_{\mathrm{\&delta;\&rho;RT}}>-<C_{\mathrm{ijklmn}}{S}_{\mathrm{mnPQ}}><$

$C_{\mathrm{\&alpha;\&beta;\&gamma;\&rho;}}{S}_{\mathrm{\&delta;\&rho;RT}}>)T_{\mathrm{RT}}{T}_{\mathrm{PQ}}+2(<C_{\mathrm{ijkr}}{S}_{\mathrm{lrPQ}}{C}_{\mathrm{\&alpha;\&beta;\&gamma;\&delta;\&sigma;\&lambda;}}{S}_{\mathrm{\&sigma;\&lambda;RT}}>-<C_{\mathrm{ijkr}}{S}_{\mathrm{lrPQ}}><$

$C_{\mathrm{\&alpha;\&beta;\&gamma;\&delta;\&sigma;\&lambda;}}{S}_{\mathrm{\&sigma;\&lambda;RT}}>)T_{\mathrm{RT}}{T}_{\mathrm{PQ}}+(<C_{\mathrm{ijklmn}}{S}_{\mathrm{mnPQ}}{C}_{\mathrm{\&alpha;\&beta;\&gamma;\&delta;\&sigma;\&lambda;}}{S}_{\mathrm{\&sigma;\&lambda;RT}}>-<C_{\mathrm{ijklmn}}{S}_{\mathrm{mnPQ}}><$

$C_{\mathrm{\&alpha;\&beta;\&gamma;\&delta;\&sigma;\&lambda;}}{S}_{\mathrm{\&sigma;\&lambda;RT}}>)T_{\mathrm{RT}}{T}_{\mathrm{PQ}}.---\left(14\right)$

如从上述公式(14)中可见，因此可根据二阶模量和柔度张量和三阶模量张量来求得协方差的必要分量。

为了计算确定协方差，由于几项对称，因此仅需九项。协方差随着外加应力以二次方程而变化，因此可根据外加应力的量值以简化的形式表示如下：

${\mathrm{\&Xi;}}_{\mathrm{ijkl}}^{\mathrm{\&alpha;\&beta;\&gamma;\&delta;}}\left(T\right)=K_0+K_{1}T+K_2{T}^2,---\left(15\right)$

其中K₀，K₁，和K₂是与外加应力的方向性以及分量ijkl和αβγδ(其固有地依赖于与负载无关的常量)相关的与负载无关的常量。系数K₀为对于无应力材料而言的弹性模量协方差。系数K₁和K₂依次是与应力相关的分量。

为了单轴加载，假定该材料沿着1-方向加载，这样公式(14)中的四个下标可表示为R＝T＝P＝Q＝1。为了分析的目的，可以将上述确定限制到四种特定的情况。量

与在垂直于外加单轴载荷的方向上的垂直入射超声波反向散射相关，而

与在平行于外加载荷的方向上的超声波反向散射相关。最后，可测定其它两个分量

和

其原因在于这些分量与横波散射相关联。

对于具有立体对称性的几种重要材料的二阶和三阶弹性常量在本领域内是公知的。对于这些材料而言的K₀，K₁，和K₂的数值在本领域内也是公知的。对于某些类型的材料和外加应力而言，K₂的值通常是正的，这样散射通常会随外加应力(为拉伸应力或压缩应力)而增加。此外，K₁的符号可以是正的或负的，这取决于材料和模式类型。因此，在外加应力值下的拉伸应力或压缩应力中会形成

的最小值，其中T_min＝-K₁/(2K₂)。此外，对于每种材料而言

中的相对变化(K₂/K₀)表明可在散射行为中预期到的声弹性响应整体程度。

在不脱离本发明范围的情况下可对所论述的示例性实施例作出各种修改和补充。例如，虽然上述实施例提及特定特征，但是本发明的范围还包括具有不同特征组合的实施例和不包括所有上述特征的实施例。因此，本发明的范围旨在包括落入权利要求范围内的所有这些替代、修改和变型及其所有等同物。

Claims (24)

1.用于超声评估结构样品的一种或多种显微结构特性的系统，所述系统包括：

超声波传感器单元，其包括多个超声波换能器，所述超声波换能器配置成以脉冲-回波模式操作以便将超声波传送到目标区域上或结构样品内并接收响应于超声波的超声波反向散射信号；以及

配置成用于接收超声波反向散射信号的评估模块，所述评估模块配置成用于在超声波反向散射信号上执行统计自相关函数并确定样品的一种或多种显微结构材料特性。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述多个超声波换能器包括：

垂直入射的超声波换能器，其配置成传送与结构样品成垂直角度的超声波，以便在样品内感生纵波模式的超声波；以及

多个斜向入射的超声波换能器，每一斜向入射的超声波换能器配置成传送与结构样品成倾斜角度的超声波，以便在样品内感生横波模式的超声波。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于所述多个斜向入射的超声波换能器包括第一斜向入射超声波换能器和第二斜向入射超声波换能器。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于所述第一斜向入射超声波换能器以与结构样品成第一倾斜角的方式定位，以及所述第二斜向入射超声波换能器以与结构样品成第二倾斜角的方式定位，其中第二倾斜角不同于所述第一倾斜角。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述评估单元包括控制器，所述控制器配置成执行用于评估超声波反向散射信号的自相关算法。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于所述自相关算法包括单次散射响应模型。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于所述单次散射响应模型包括结构样品的二阶晶粒统计数据。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述评估单元包括用于获取全球位置数据并将所述全球位置数据与目标区域位置相关联的装置。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述评估单元包括用于将超声波反向散射数据无线中继到远程设备的装置。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述目标区域包括位于结构样品上的单点。

11.用于超声评估铁路路轨的一种或多种显微结构特性的系统，所述系统包括：

超声波传感器单元，其包括多个超声波换能器，所述超声波换能器配置成以脉冲-回波模式操作以便将超声波传送到目标区域上或铁路路轨内并接收响应于超声波的超声波反向散射信号，所述多个超声波换能器包括垂直入射的超声波换能器和至少一个斜向入射的超声波换能器，所述垂直入射的超声波换能器配置成用于在路轨内感生纵模超声波，而所述斜向入射的超声波换能器配置成用于在路轨内感生横模的超声波；以及

配置成用于接收超声波反向散射信号的评估模块，所述评估模块配置成用于在超声波反向散射信号上执行统计自相关函数并确定铁路路轨的一种或多种显微结构材料特性。

12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于所述至少一个斜向入射超声波换能器包括第一斜向入射超声波换能器和第二斜向入射超声波换能器。

13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于所述第一斜向入射超声波换能器以与路轨成第一倾斜角的方式定位，以及所述第二斜向入射超声波换能器以与路轨成第二倾斜角的方式定位，其中第二倾斜角不同于所述第一倾斜角。

14.根据权利要求11所述的系统，其特征在于所述自相关算法包括单次散射响应模型。

15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于所述单次散射响应模型包括结构样品的二阶晶粒统计数据。

16.根据权利要求11所述的系统，其特征在于所述评估单元包括用于获取全球位置数据以及将所述全球位置数据与目标区域位置相关联的装置。

17.根据权利要求11所述的系统，其特征在于所述评估单元包括用于将超声波反向散射数据无线中继到远程设备的装置。

18.根据权利要求11所述的系统，其特征在于所述目标区域包括位于结构样品上的单点。

19.用于超声确定结构样品的一种或多种显微结构材料特性的方法，所述方法包括：

将多个脉冲超声波传送到结构样品上的单点上；

感测响应于脉冲超声波的超声波反向散射信号；

选择用于分析超声波反向散射信号的时窗；

在时窗内的超声波反向散射信号上执行自相关函数；并

确定结构样品的一种或多种显微结构材料特性。

20.根据权利要求19所述的方法，其中将多个脉冲超声波传送到结构样品上的单点的步骤包括：

将垂直入射超声波信号传送到位于样品之上或之内的目标区域，以便在样品内感生纵波模式；以及

将多个斜向入射的超声波信号传送到目标区域，以便在样品内感生横波模式。

21.根据权利要求19所述的方法，其特征在于所述自相关函数包括配置成分析单次散射响应模型的自相关算法。

22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于所述单次散射响应模型包括结构样品的二阶晶粒统计数据。

23.根据权利要求21所述的方法，其特征在于所述单次散射响应模型包括二阶弹性模量和柔度张量以及三阶弹性模量张量。

24.根据权利要求19所述的方法，其特征在于在时窗内的超声波反向散射信号上执行自相关函数的步骤包括：

针对反向散射信号的多个数据点的每一数据点计算自相关函数；

计算平均自相关值；

将针对每一数据点计算出的自相关函数以及在时窗内的平均自相关值积分以便获得积分值；并

将积分值的均方根与在时窗内的方差积分进行比较。

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