CN108692806B - 固体中功率超声强度分布的测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了固体中功率超声强度分布的测量方法，包括包括以下步骤：利用多普勒激光测振仪测量出功率超声传至固体表面某点的振动速度，根据声强计算公式得到此点的声强；利用六自由度机械手加持多普勒激光测振仪的光学头，进行固体表面的二维扫描，得到声强的二维分布图；分别对不同厚度的表面进行二维扫描，组合得到的不同传播深度的声强二维分布图，拟合等声强的四次曲线，得到对应声强的四次方程，然后获得中间部分的声场分布，最终得到固体中功率超声强度场的三维分布。本发明可以准确迅速的获取声场中某点的振动信息，从而得到传播声场的分布情况，测量范围广、准确、方便。

Description

固体中功率超声强度分布的测量方法
技术领域
本发明涉及一种测量方法，更具体的说是涉及一种固体中功率超声强度分布的测量方法，属于功率超声技术领域。
背景技术
近年来，功率超声技术发展十分迅速，已成为先进加工和材料处理的重要技术，例如：金属加工、材料焊接、冶金处理和振动时效法降低材料残余应力等材料加工的重要工艺方法。其中，声场强度对加工后材料的性能至关重要，声强过大，可能会降低材料的抗疲劳特性；声强不足，可能会增加材料的加工缺陷。所以功率超声在固体中传播的强度分布无法测量，会导致各种功率超声加工或者处理方法缺乏科学手段，无法控制精度，无法实现最优效益，使得产品质量下降。
文献检索发现，声学学报1964年02期(林冲茂摘译《固体中超声场的绝对测量》)提出了用电动力学的方法进行固体中超声场的绝对测量，电动力学的效应可以用来辐射超声，但是这种方法的缺点是需要磁场，测量条件难以满足，而且对于形状复杂零件的表面也难以实现高精度的测量。声学学报2014年第S2期(王小民，安志武，廉国选《固体中超声场的动态光弹成像研究》)利用动态光弹法开展了固体中超声波的辐射、传播、散射规律研究，但是光弹法的应用限于透明度较高的材料，对于普通的金属材料难以显示或测量应用。
因此，如何提供一种可准确迅速的获取固体中功率超声强度分布的测量方法成为了本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了固体中功率超声强度分布的测量方法，用来准确的对固体声场进行测量，实现准确、方便、广泛的测量目的。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
固体中功率超声强度分布的测量方法，包括以下步骤：
(1)利用多普勒激光测振仪测量出功率超声传至固体表面某点的振动速度，根据声强计算公式得到此点的声强；
(2)利用六自由度机械手加持多普勒激光测振仪的光学头，进行固体表面的二维扫描，得到声强的二维分布图；
(3)分别对不同厚度的表面进行二维扫描，组合得到的不同传播深度的声强二维分布图，拟合等声强的四次曲线，得到对应声强的四次方程，然后获得中间部分的声场分布，最终得到固体中功率超声强度场的三维分布。
本发明可以准确迅速的获取声场中某点的振动信息，从而得到传播声场的分布情况，测量范围广、准确、方便。
优选的，声强的计算公式如下所示：
Figure BDA0001547306930000021
式中：ρ0为固体介质的密度(kg/m3)；c为固体介质中纵波的传播速度(m/s)；vrms为固体表面被测点振速的有效值(m/s)；I为声强(W/m2)。
优选的，所述步骤(3)中，利用已经得到的一系列垂直于声传播方向的二维场强图，将等声强的位置点用四次方程进行拟合曲线，得到对应声强的四次方程，然后对中间未获取的点，根据位置依次取值，得到声场的三维显示。
优选的，利用传播深度方向的一系列截面声场分布实现功率超声声场的三维分布测量。
优选的，所述步骤(2)中，六自由度机械手的型号为TX90L，运动精度为0.15mm，重复定位精度为±0.035mm。运动精度与重复定位精度都较高。
优选的，所述步骤(2)中，采用多普勒激光测振仪作为振动传感器，测量方式为非接触测量，测量结果更准确，可测速度高达±20m/s，位移分辨率高达0.1pm。
优选的，选用Mastercam软件根据需扫查的表面生成扫查轨迹点，为机械手提供运动轨迹点包，提高了机械手操作的智能化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明的结构示意图。
图2附图为本发明声强垂直于传播深度方向的二维分布示意图。
图3附图为本发明等声强的深度与距离中轴线距离的拟合示意图。
图4附图为本发明声强沿传播深度方向的分布示意图。
其中，图中，
1-六自由度机械手；2-多普勒激光测振仪；3-固体介质；4-声源。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了固体中功率超声强度分布的测量方法，可以准确迅速的获取声场中某点的振动信息，从而得到传播声场的分布情况，测量范围广、准确、方便。
请参阅附图1-4，本发明提供了固体中功率超声强度分布的测量方法，包括以下步骤：
(1)利用多普勒激光测振仪2测量出功率超声传至固体表面某点的振动速度，根据声强计算公式得到此点的声强；
声强的计算公式如下所示：
Figure BDA0001547306930000041
式中：ρ0为固体介质的密度(kg/m3)；c为固体介质中纵波的传播速度(m/s)；vrms为固体表面被测点振速的有效值(m/s)；I为声强(W/m2)。
(2)固体功率超声强度二维分布：利用六自由度机械手1加持多普勒激光测振仪2的光学头，进行固体表面的二维扫描，得到声强的二维分布图。
选择多普勒激光测振仪2作为拾取振动信息的传感器，其灵敏度高，实现了非接触测量，所以准确度较高，可测速度高达±20m/s，位移分辨率高达0.1pm。选择六自由度机械手1作为扫查工具，其运动精度较高，机械手型号为TX90L，运动精度为0.15mm，重复定位精度为±0.035mm。而且机械手扫查轨迹文件由仿真软件Mastercam自动编程生成，六自由度机械手1关节角的运动命令实时由机器手控制器完成。选择圆柱体作为超声传播的固体介质3，其中一个端面与声源接触耦合，另一个端面作为测量表面。为实现二维声场的拟合显示，首先对圆面离散成合适的点阵，利用六自由度机械手1加持多普勒激光测振仪2的光学头，自动的逐一扫描这些离散点，并获取其振动信息，代入上述公式
Figure BDA0001547306930000051
得到如图2所示的二维分布图。
(3)固体功率超声强度三位分布：分别对不同厚度的固体介质3表面进行二维扫描，组合得到的不同传播深度的声强二维分布图，拟合等声强的四次曲线，得到对应声强的四次方程，然后获得中间部分的声场分布，最终得到固体中功率超声强度场的三维分布。
由一系列的二维分布图通过拟合和插值可以得到功率超声强度的三维分布图。以功率超声传播深度500mm为例，圆柱体的直径均为300mm，相邻厚度的圆柱体的厚度差为10mm，那么每个圆柱体的长度分别依次为10mm、20mm、30mm、…、500mm，分别获得传播深度为10mm、20mm、30mm、…、500mm的垂直于声场传播方向的二维声场图，然后将得到的二维图根据位置依次放置，对相同声强的点用四次方程进行拟合，得到等声强的深度与距离中轴线距离的四次方程，图3为拟合示意图。然后利用此方程，得到测量面之间的声场分布图，然后就得到声场的三维显示图。图4为沿深度方向的场强。
本发明可以准确迅速的获取声场中某点的振动信息，从而得到传播声场的分布情况，不仅测量范围广，可实现形状复杂零件的表面的高精度的测量，而且便于控制精度，操作方便，测量精确。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.固体中功率超声强度分布的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用多普勒激光测振仪测量出功率超声传至固体表面某点的振动速度，根据声强计算公式得到此点的声强；
(2)利用六自由度机械手加持多普勒激光测振仪的光学头，进行固体表面的二维扫描，得到声强的二维分布图；
(3)分别对不同厚度的同一固体介质表面进行二维扫描，组合得到的不同传播深度的声强二维分布图，拟合等声强的四次曲线，得到对应声强的四次方程，然后获得中间部分的声场分布，最终得到固体中功率超声强度场的三维分布。
2.根据权利要求1所述的固体中功率超声强度分布的测量方法，其特征在于，声强的计算公式如下所示：
Figure FDA0002367809280000011
式中：ρ0为固体介质的密度(kg/m3)；c为固体介质中纵波的传播速度(m/s)；vrms为固体表面被测点振速的有效值(m/s)；I为声强(W/m2)。
3.根据权利要求1所述的固体中功率超声强度分布的测量方法，其特征在于，所述步骤(3)中，利用已经得到的一系列垂直于声传播方向的二维场强图，将等声强的位置点用四次方程进行拟合曲线，得到对应声强的四次方程，然后对中间未获取的点，根据位置依次取值，得到声场的三维显示。
4.根据权利要求1所述的固体中功率超声强度分布的测量方法，其特征在于，利用传播深度方向的一系列截面声场分布实现功率超声声场的三维分布测量。
5.根据权利要求1所述的固体中功率超声强度分布的测量方法，其特征在于，所述步骤(2)中，六自由度机械手的型号为TX90L，运动精度为0.15mm，重复定位精度为±0.035mm。
6.根据权利要求1所述的固体中功率超声强度分布的测量方法，其特征在于，所述步骤(2)中，采用多普勒激光测振仪作为振动传感器，测量方式为非接触测量。
7.根据权利要求1所述的固体中功率超声强度分布的测量方法，其特征在于，选用Mastercam软件根据需扫查的表面生成扫查轨迹点，为机械手提供运动轨迹点包。
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