CN103698402B - 超薄聚乙烯试样声性能的测试方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及聚乙烯试样声性能的测试，旨在提供超薄聚乙烯试样声性能的测试方法及其装置。该基于液浸聚焦技术的脉冲反射装置包括超声检测仪、测试容器、夹持装置和聚焦探头；该测超薄聚乙烯试样声性能的测试方法包括步骤：制备出待测的超薄聚乙烯试样；将超薄聚乙烯试样浸没于耦合液体之中，进行耦合液体调配，直至超声检测仪不再接收到回波信号；计算得到耦合液体的声速和声阻抗；耦合液体的声阻抗即为超薄聚乙烯试样的声阻抗，并计算得到超薄聚乙烯试样的声速。本发明不需要考虑超声波与试样接触的界面耦合问题，可以适用于超薄且表面不规则试样的声阻抗测量，且测试结果精度高。

Description

超薄聚乙烯试样声性能的测试方法及其装置

技术领域

本发明是关于聚乙烯试样声性能的测试，特别涉及超薄聚乙烯试样声性能的测试方法及其装置。

背景技术

声速、声阻抗是材料的重要声性能参数。声速、声阻抗不仅能直观反映材料弹性模量的大小，而且与材料结构特征、损伤老化等性质具有特定的联系。近年来，聚乙烯管道被大量应用于燃气输送、引用水输送等重要的民生领域，甚至逐步至核电站等关键能源领域，因此对聚乙烯制品进行超声检测与安全评定技术越来越受到重视。在聚乙烯制品的超声检测过程中，材料声速与声阻抗的测量精度直接关系到检测结果的成像质量以及缺陷的检出率、定量定位精度等。如果无法准确获得材料声性能参数，将无法进一步开展无损检测以及安全评定的相关工作。

然而，聚乙烯的牌号众多，不同厂家生产的同样牌号的聚乙烯其合成工艺也略有不同，导致同样牌号的聚乙烯其密度、模量等参数也存在较大的差异。此外，由于聚乙烯热膨胀系数较大，在经历注塑或挤出成型的加工过程后，往往存在同一结构的不同区域密度不均匀等特点。要测量不同区域聚乙烯的局部声学性能，需要制备聚乙烯的超薄试样进行声速与声阻抗测试。只要测试样品的厚度足够薄，就可以认为材料在厚度范围内是均一稳定的，包括密度、声速的物性参数均保持不变。

传统的声速测量方法有超声波共振法和脉冲回波法。超声波共振法利用共振原理，当被测试样的厚度为超声波在该介质中半波长的整数倍时，入射波和反射波在试块内形成驻波，产生共振。但在实际测量中，需要通过不断采用改变测试频率来寻找共振点，要准确试验出共振频率比较困难，因此测试精度较低。脉冲回波法是将超声波垂直入射到已知厚度的试样中，根据超声波脉冲回波的传播时间来计算声速。虽然试样厚度可以精确测量，但试样薄、声程短，加之超声波换能器的延迟，以及时间轴上超声脉冲读取精度的影响，其测量精度不高。

此外，通常待测的超薄聚乙烯试样往往形状不规则，即使可以通过机加工制成薄板试样，但也难以做到试样表面光洁且厚度均匀。这样的试样直接进行声性能测试不仅需考虑声耦合等问题，而且难以计量超声波是从试样的哪位位置穿透试样的，除非整个试样厚度均匀，否则也难以准确测得材料的声速。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供基于液浸聚焦超声脉冲反射的超薄聚乙烯声性能测试方法及其装置。为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：

提供基于液浸聚焦技术的脉冲反射装置，用于测量待测试样的声阻抗，所述基于液浸聚焦技术的脉冲反射装置包括超声检测仪、测试容器、夹持装置和聚焦探头；所述超声检测仪设置在测试容器外部，测试容器为顶端开口的装置，测试容器的一侧设有一个通孔，聚焦探头嵌入在通孔中，聚焦探头能接收到超声检测仪信号后，发出聚焦声束，然后等待接收回波信号，并将回波信号传回超声检测仪；夹持装置安装在测试装置上，用于将待测试样固定在测试装置内，且能使待测试样处于聚焦探头的焦点位置，并与聚焦探头聚焦后的声束方向垂直。

作为进一步的改进，所述测试容器中装填有耦合液体，用于将聚焦探头处于测试容器内部的部分、通过夹持装置固定的待测试样都浸没在耦合液体中；所述耦合液体是由水玻璃和水混合配制而成的液体，且耦合液体的声阻抗与待测试样的声阻抗相同。

提供利用所述的基于装置液浸聚焦技术的脉冲反射装置测超薄聚乙烯试样声性能的测试方法，包括以下步骤：

步骤A：制备出待测的超薄聚乙烯试样，通过固体密度计精确测得超薄聚乙烯试样的密度，所述超薄聚乙烯试样是指厚度在0.05～0.1mm之间的聚乙烯片；

步骤B：将超薄聚乙烯试样用夹持装置固定，浸没于耦合液体之中，打开超声检测仪发出控制信号使聚焦探头向超薄聚乙烯试样发出聚焦声速，并等待接收回波，查看超声检测仪是否接收到回波信号，若超声检测仪接收到回波信号，则向耦合液体中加水，再查看超声检测仪接收的回波信号：若回波信号变弱，则继续添加水，直至超声检测仪不再接收到回波信号；若回波信号变强，则向耦合液体中添加水玻璃，直至超声检测仪不再接收到回波信号；

步骤C：取出超薄聚乙烯试样，替换为等厚度且声阻抗与超薄聚乙烯试样不同的金属薄片（大多数金属材料声阻抗与聚乙烯都明显不同，如铜、铁、铝等），利用超声检测仪测量声束在耦合液体中传播至金属薄片并反射回聚焦探头所需的传播时间，测得聚焦探头与金属薄片之间距离为s/2，利用公式：u=s/t，计算得到耦合液体声速；取耦合液体通过液体密度计测得耦合液体的密度，利用公式：z=ρ×u，计算得到耦合液体的声阻抗；

其中，u是耦合液体的声速，s是聚焦探头与金属薄片之间距离的2倍，t是声束在耦合液体中传播至金属薄片并反射回聚焦探头所需的传播时间，ρ是耦合液体的密度，z是耦合液体的声阻抗；

步骤D：步骤C中得到的耦合液体的声阻抗，即为超薄聚乙烯试样的声阻抗，利用公式：c=z₁/ρ₁，计算得到超薄聚乙烯试样的声速；

其中，c是超薄聚乙烯试样的声速，z₁是超薄聚乙烯试样的声阻抗，ρ₁是超薄聚乙烯试样的密度。

作为进一步的改进，测试过程中，将环境温度与测试容器内耦合液体的温度都控制在19～21℃之间。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、由于试样浸没在耦合液体之中，因此不需要考虑超声波与试样接触的界面耦合问题；

2、通过液浸聚焦超声脉冲反射技术测量声回波，对试样的几何尺寸、表面平整度等加工要求很低，因此可以适用于超薄且表面不规则试样的声阻抗测量；

3、聚乙烯的声阻抗正好介于水玻璃和水之间，通过调节溶液配比，可以高精度地微调耦合液体的声阻抗，因此测试结果精度高。

附图说明

图1为本发明的基于液浸聚焦技术的脉冲反射装置示意图。

图中的附图标记为：1超声检测仪；2测试容器；3夹持装置；4聚焦探头；5耦合液体；6待测试样。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

图1中的基于液浸聚焦技术的脉冲反射装置包括超声检测仪1、测试容器、夹持装置3和聚焦探头4，用于测量待测试样6的声阻抗。所述超声检测仪1设置在测试容器外部，测试容器为顶端开口的装置，测试容器的一侧设有一个通孔，聚焦探头4嵌入在通孔中，聚焦探头4能接收到超声检测仪1信号后，发出聚焦声束，然后等待接收回波信号，并将回波信号传回超声检测仪1；夹持装置3安装在测试装置上，用于将待测试样6固定在测试装置内，且能使待测试样6处于聚焦探头4的焦点位置，并与聚焦探头4聚焦后的声束方向垂直。

测试容器中装填有耦合液体5，用于将聚焦探头4处于测试容器内部的部分、通过夹持装置3固定的待测试样6都浸没在耦合液体5中。由于没有一种单一液体的声阻抗与聚乙烯材料相匹配，因此应采用组合液来配制这种特殊耦合液体5。所述耦合液体5是由水玻璃和水混合配制而成的液体，且耦合液体5的声阻抗与待测试样6相同。典型的PE80聚乙烯材料声阻抗大约为2.15×10⁶kg/m².s，与含33%左右水玻璃的水溶液的声阻抗十分接近，因此，耦合液体5可以采用一定比例的水玻璃与水进行调配。

对于二元理想组合液有：

$X_1=\frac{M(1-Z^2/Z_2^2)}{M_2(1-Z^2/Z_2^2)+M_1(Z^2/Z_2^2-Z^2/Z_1^2)}$ 公式3；

式中，M是组合液的摩尔体积，Z是组合液的声阻抗，M₁是第1组分的分子量，M₂是第2组分的分子量，Z₁是第1组分的声阻抗，Z₂是第2组分的声阻抗，X₁是第1组分的摩尔分数。下表1为水玻璃和水二元组合液的密度、声速和声阻抗。

表1二元组合液的密度、声速和声阻抗

利用上述基于装置液浸聚焦技术的脉冲反射装置，测超薄聚乙烯试样声性能的测试方法，可实现超薄聚乙烯试样的声速、声阻抗的测量，测试过程对试样厚度均匀性要求低，声阻抗测量精度高、应用方便。

测试过程中，将环境温度与测试容器内耦合液体5的温度都控制在19～21℃之间，具体包括以下步骤：

步骤A：制备出待测的超薄聚乙烯试样，通过固体密度计精确测得超薄聚乙烯试样的密度，所述超薄聚乙烯试样是指厚度在0.05～0.1mm之间的聚乙烯片。

步骤B：将超薄聚乙烯试样用夹持装置3固定，浸没于耦合液体5之中，耦合液体5首先采用水玻璃的容积为33%的水玻璃与水的组合液，打开超声检测仪1控制聚焦探头4发出声束，超声波通过超薄聚乙烯试样时，会在超薄聚乙烯试样薄层两侧界面引起多次反射和透射。当超声波从耦合液体5入射到超薄聚乙烯试样薄层中时，其声压反射率r与透射率t为：

$\mathrm{\γ}=\sqrt{\frac{\frac{1}{4}{(m-\frac{1}{m})}^2{\sin }^2\frac{2\mathrm{\πd}}{\mathrm{\λ}}}{1+\frac{1}{4}{(m-\frac{1}{m})}^2{\sin }^2\frac{2\mathrm{\πd}}{\mathrm{\λ}}}}$ 公式1；

$t=\sqrt{\frac{1}{1+\frac{1}{4}{(m-\frac{1}{m})}^2{\sin }^2\frac{2\mathrm{\πd}}{\mathrm{\λ}}}}$ 公式2；

式中，d为超薄聚乙烯试样的厚度，λ为超薄聚乙烯试样中的超声波波长，m为水与聚乙烯两种介质声阻抗比。

声束在超薄聚乙烯试样中的波长可通过如下公式计算：λ=c/f，其中，λ是声束在超薄聚乙烯试样中的波长，c是超薄聚乙烯试样的声速，f是聚焦探头频率。根据公式1可知此时超薄聚乙烯试样薄层介质的声压反射率最高。

声束通过聚焦探头4接收并聚焦后到达超薄聚乙烯试样，查看超声检测仪1是否接收到回波信号，这里可采用数字超声技术只显示聚焦区的超声回波信号，而屏蔽其它声程位置的超声信号，这样可排除杂波和其他信号波的影响，只接收薄层界面反射的超声波信号。如耦合液体5与被测试样之间存在声阻抗差异，则在固液界面上就会产生超声反射回波信号。若超声检测仪1接收到回波信号，则向耦合液体5中加水，再查看超声检测仪1接收到的回波信号：若回波信号变弱，则继续添加水，直至超声检测仪1不再接收到回波信号；若回波信号变强，则向耦合液体5中添加水玻璃，直至超声检测仪1不再接收到回波信号。耦合液体5的声阻抗通过不断调节溶液配比进行微调，当耦合液体5的声阻抗与被测试样完全相同时，使耦合液体5的声阻抗与待测的超薄聚乙烯试样边界薄层完全相同。根据公式3，只有当Z₁=Z₂时，声压反射率为零，超声波全透射，就不会接收到超声回波信号。

步骤C：取出超薄聚乙烯试样，替换为等厚度铝制薄片。打开超声检测仪1使聚焦探头4发出声束，此时发出的声束会在铝制薄片表面产生明显回波。利用超声检测仪1测量声束在耦合液体5中传播至铝制薄片并反射回聚焦探头4所需的传播时间，测得聚焦探头4与铝制薄片之间距离为s/2，利用公式：u=s/t，计算得到耦合液体5声速；取耦合液体5通过液体密度计测得耦合液体5的密度，利用公式：z=ρ×u，计算得到耦合液体5的声阻抗。

其中，u是耦合液体5的声速，s是聚焦探头4与铝制薄片之间距离的2倍，t是声束在耦合液体5中传播至铝制薄片并反射回聚焦探头4所需的传播时间，ρ是耦合液体5的密度，z是耦合液体5的声阻抗

步骤D：步骤C中得到的耦合液体5的声阻抗，即为超薄聚乙烯试样的声阻抗，利用公式：c=z₁/ρ₁，计算得到超薄聚乙烯试样的声速。

其中，c是超薄聚乙烯试样的声速，z₁是超薄聚乙烯试样的声阻抗，ρ₁是超薄聚乙烯试样的密度。

下面的实施例可以使本专业的专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

水玻璃容积为33%的水溶液的声阻抗稍大于聚乙烯声阻抗，因此在图1的装置中首先加入水玻璃容积为33%的水溶液，在聚焦探头4脉冲回波法检测时，采用数字超声技术只显示聚焦区的超声回波信号，而屏蔽其它声程位置的超声信号，这样可排除杂波和其他信号波的影响，只接收薄层界面反射的超声波信号。当超声回波信号为零时，则表明水玻璃容积为33%的水溶液与边界薄层试样的声阻抗相同，如还有微弱的超声回波信号，则在溶液加入少量水，若加水后信号更弱，则继续加水，直至超声回波信号为零。若加水后超声回波信号变强，则反向思维在溶液中加水玻璃，如此反复，总能使探头接收到的超声回波信号为零，此时配制的二元组合液的声阻抗与边界薄层试样相同。

维持测试容器内耦合液体5温度在20±1℃，测量耦合液体5的声速与密度。测试容器中的耦合液体5的声速，可以在被测试样取出后，替换为金属薄片后，直接通过聚焦探头4与金属薄片之间的距离除以超声波从聚焦探头4传播至金属薄片表面并反射回探头的传播时间计算得到。取适量耦合液体5，通过密度计精确测得其密度，则计算得到耦合液体5的声阻抗，即得到待被测试样的声阻抗。将测得的声阻抗值除以聚乙烯的密度，则可以得到被测试样的声速。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (4)

1.基于液浸聚焦技术的脉冲反射装置，用于测量待测试样的声阻抗，其特征在于，所述基于液浸聚焦技术的脉冲反射装置包括超声检测仪、测试容器、夹持装置和聚焦探头；所述超声检测仪设置在测试容器外部，测试容器为顶端开口的装置，测试容器的一侧设有一个通孔，聚焦探头嵌入在通孔中，聚焦探头能接收到超声检测仪信号后，发出聚焦声束，然后等待接收回波信号，并将回波信号传回超声检测仪；夹持装置安装在测试装置上，用于将待测试样固定在测试装置内，且能使待测试样处于聚焦探头的焦点位置，并与聚焦探头聚焦后的声束方向垂直。

2.根据权利要求1所述的基于液浸聚焦技术的脉冲反射装置，其特征在于，所述测试容器中装填有耦合液体，用于将聚焦探头处于测试容器内部的部分、通过夹持装置固定的待测试样都浸没在耦合液体中；所述耦合液体是由水玻璃和水混合配制而成的液体，且耦合液体的声阻抗与待测试样的声阻抗相同。

3.利用权利要求1所述的基于液浸聚焦技术的脉冲反射装置测超薄聚乙烯试样声性能的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A：制备出待测的超薄聚乙烯试样，通过固体密度计精确测得超薄聚乙烯试样的密度，所述超薄聚乙烯试样是指厚度在0.05～0.1mm之间的聚乙烯片；

步骤B：将超薄聚乙烯试样用夹持装置固定，浸没于耦合液体之中，打开超声检测仪发出控制信号使聚焦探头向超薄聚乙烯试样发出聚焦声速，并等待接收回波，查看超声检测仪是否接收到回波信号，若超声检测仪接收到回波信号，则向耦合液体中加水，再查看超声检测仪接收的回波信号：若回波信号变弱，则继续添加水，直至超声检测仪不再接收到回波信号；若回波信号变强，则向耦合液体中添加水玻璃，直至超声检测仪不再接收到回波信号；

步骤C：取出超薄聚乙烯试样，替换为等厚度且声阻抗与超薄聚乙烯试样不同的金属薄片，利用超声检测仪测量声束在耦合液体中传播至金属薄片并反射回聚焦探头所需的传播时间，测得聚焦探头与金属薄片之间距离为s/2，利用公式：u＝s/t，计算得到耦合液体声速；取耦合液体通过液体密度计测得耦合液体的密度，利用公式：z＝ρ×u，计算得到耦合液体的声阻抗；

其中，u是耦合液体的声速，s是聚焦探头与金属薄片之间距离的2倍，t是声束在耦合液体中传播至金属薄片并反射回聚焦探头所需的传播时间，ρ是耦合液体的密度，z是耦合液体的声阻抗；

步骤D：步骤C中得到的耦合液体的声阻抗，即为超薄聚乙烯试样的声阻抗，利用公式：c＝z₁/ρ₁，计算得到超薄聚乙烯试样的声速；

其中，c是超薄聚乙烯试样的声速，z₁是超薄聚乙烯试样的声阻抗，ρ₁是超薄聚乙烯试样的密度。

4.根据权利要求3所述的超薄聚乙烯试样声性能的测试方法，其特征在于，测试过程中，将环境温度与测试容器内耦合液体的温度都控制在19～21℃之间。