CN108008022B - 一种随温度变化的超声波传播速度测量方法 - Google Patents

一种随温度变化的超声波传播速度测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种随温度变化的超声波传播速度测量方法，根据介质温度‑超声传播特性，采用超声回波法，基于热传导反问题的求解可快速测量随温度变化的超声波传播速度，适用于固体介质中随温度变化条件的超声纵波、横波和表面波等波速的测量；本发明具有测量周期短、测量精度高等优点，而且将超声传播速度表示为随位置和时间变化的分段函数模型，可以对任意随速度进行识别且不需要任何先验知识。

Description

一种随温度变化的超声波传播速度测量方法
技术领域
本发明涉及超声检测领域，具体来说涉及一种随温度变化的超声波传播速度测量方法。
背景技术
超声波在固体介质中声时特性的预测是无损探伤、应力测量、超声测厚等方面的重要基础和先决条件。随着高温科学实验及工程应用越来越多，随温度变化的超声波传播速度预测问题亟待相关测量方法的发展。
现有的测量方法通常首先将被测介质加温到某一预定温度，再由测量得到的声时特性，根据已知介质长度(声波传播距离)反推超声传播速度。该方法由于需要保证被测介质内部温度的均匀性且需要多次加热被测介质，使得测量周期长、操作不便，并容易引入测量误差。本发明采用瞬态升温法，由回波法测量得到超声传播的声时特性后，以此反演辨识固体介质中随温度变化的超声波传播速度。这将极大提提高测量的速度、简化操作流程，并降低测量成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种随温度变化的超声波传播速度测量方法，根据介质温度-超声传播特性，采用超声回波法，基于热传导反问题的求解可快速测量随温度变化的超声波传播速度，适用于固体介质中随温度变化条件的超声纵波、横波和表面波等波速的测量。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
步骤一：由标定实验，获取试件室温状态下的超声波传播速度V0。
步骤二：对试件进行加热，由超声波脉冲回波法，试件ti时刻的超声波传播时间ti,exp。
步骤三：建立超声波传播速度测量的优化模型。优化的目标函数为：
Figure BDA0001494276590000011
其中：V为待测量的超声传播速度；ti,cal为数值计算得到的ti时刻的超声波传播时间，下标i表示的测量时间序数，N表示总的测量时间点数；L为试件被测方向的长度。
约束条件为:
Figure BDA0001494276590000021
f(Vj)＝V0
其中：k，C和ρ分别为被测材料的导热系数、比热容和密度；T0,t为加热面温度，由加热器进行控制；TL,t为超声探头放置端的温度，T0为试件的初始温度；j为将超声传播速度表示为随位置和时间变化的分段函数数目，f(Vj)为分段函数拟合而成的数学公式。
步骤四：求解热传导反问题，获得超声波传播速度V。
求解的基本过程为：
(1)输入介质材料热物性参数、尺寸以及初始值；
(2)将超声传播速度表示为随位置和时间变化的分段函数；
(3)数值求解热传导方程，求出温度场T(x,t)和目标函数J(V)的值；
(4)采用伴随方程算法对参数值进行优化，获得较优的V值；
(5)判断是否收敛(取ε≤1e-6)，若收敛，则停止计算；否则返回步骤(2)重复迭代，直到到达收敛；
(6)获得固体介质中随温度变化的超声波传播速度V。
在上述方案中，将超声波传播速度的测量转换为热传导反问题中未知参数的优化问题，由回波法测量得到超声传播的声时特性后，以此反演辨识固体介质中随温度变化的超声波传播速度。
在上述方案中，热传导反问题求解中采用了分段函数模型，即将超声传播速度表示为随位置和时间变化的分段函数。
在上述方案中，热传导反问题求解中为保证解正确性，增加室温状态下的超声波传播速度为限制边界条件。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、该方法将超声传播速度表示为随位置和时间变化的分段函数模型，可对任意随温度变化的超声波传播速度进行识别且不需要任何先验知识，这具有极大的工程应用价值；
2、该方法采用瞬态测量模式，即仅测量一次，例如被测试件加热面进行升温到预定温度值如500℃，即可获得室温至500℃不同温度下的超声传播速度，因此，本发明具有测量速度快、成本低等优势。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1随温度变化的超声传播速度测量结果。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
超声探头置于一圆柱体试件上端面，采用垂直入射方式激发脉冲超声波，基于测量试件中回波传播时间的变化。除下端与加热器接触外，其余面绝热处理，即似为一维问题。通过求解热/声耦合反问题，反演试件随温度变化的超声传播速度。随温度变化的超声传播速度真值为V(T)＝-0.0028×T2-0.3141×T+2938.3(m/s)，其中T为温度。上述材料参数由实验数据预先拟合获得，在工程实际中通常事先对超声传播速度没有任何先验知识，因此在传热模型中将超声传播速度表示为随位置和时间变化的分段函数，并通过参数识别来给出该函数。图1给出了随温度变化的超声传播速度测量结果。以6分段函数表征，平均误差小于1.70％。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (4)

1.一种随温度变化的超声波传播速度测量方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：由标定实验，获取试件室温状态下的超声波传播速度V0；
步骤二：对试件进行加热，由超声波脉冲回波法，试件ti时刻的超声波传播时间ti,exp；
步骤三：建立超声波传播速度测量的优化模型，优化的目标函数为：
Figure FDA0002736609020000011
其中：V为待测量的超声传播速度；ti,cal为数值计算得到的ti时刻的超声波传播时间，下标i表示的测量时间序数，N表示总的测量时间点数；L为试件被测方向的长度；
约束条件为：
Figure FDA0002736609020000012
f(Vj)＝V0
其中：k，C和ρ分别为被测材料的导热系数、比热容和密度；T0,t为加热面温度，由加热器进行控制；TL,t为超声探头放置端的温度，T0为试件的初始温度；j为将超声传播速度表示为随位置和时间变化的分段函数数目，f(Vj)为分段函数拟合而成的数学公式；
步骤四：求解热传导反问题，获得超声波传播速度V；
求解的基本过程为：
(1)输入介质材料热物性参数、尺寸以及初始值；
(2)将超声传播速度表示为随位置和时间变化的分段函数；
(3)数值求解热传导方程，求出温度场T(x,t)和目标函数J(V)的值；
(4)采用伴随方程算法对参数值进行优化，获得较优的V值；
(5)判断是否收敛，取ε≤1e-6，若收敛，则停止计算；否则返回步骤(2)重复迭代，直到到达收敛；
(6)获得固体介质中随温度变化的超声波传播速度V。
2.根据权利要求1所述的随温度变化的超声波传播速度测量方法，其特征在于，将超声波传播速度的测量转换为热传导反问题中未知参数的优化问题，由回波法测量得到超声传播的声时特性后，以此反演辨识固体介质中随温度变化的超声波传播速度。
3.根据权利要求1或2所述的随温度变化的超声波传播速度测量方法，其特征在于，热传导反问题求解中采用了分段函数模型，即将超声传播速度表示为随位置和时间变化的分段函数。
4.根据权利要求1或2所述的随温度变化的超声波传播速度测量方法，其特征在于，热传导反问题求解中为保证解正确性，增加室温状态下的超声波传播速度为限制边界条件。
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