CN108982666A - 一种对板结构反射/透射系数的水浸超声无损测量方法 - Google Patents

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王硕
吕炎
石雨宸
杜晓宇
任晢文
何存富
吴斌
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Abstract

本发明公开了一种板结构反射/透射系数的水浸超声无损测量方法,属于材料力学性能测试领域。利用PVDF(聚偏氟乙烯)薄膜为材料,制做三个同规格的压电传感器作为激励传感器和接收传感器,使激励传感器激励出的超声波在“液/固/液”结构表面发生反射/透射,并被接收传感器接收到。通过提取反射/透射信号并进行数据处理,最终得到反射/透射系数的频率‑幅值谱。测量中采用双接收传感器,能够补偿声波在传播过程中产生的扩散衰减,以获取更为准确的反射/透射系数测量结果。本发明结构简单、操作简便,利用此测量方法可对板结构的反射/透射系数进行无损测量。

Description

一种对板结构反射/透射系数的水浸超声无损测量方法
技术领域
[0001]本发明为一种可对板结构反射/透射系数的无损测量方法,属于结构力学性能测 试领域,可适用于“液固液”结构反射/透射系数的水浸超声无损检测。
背景技术
[0002]板材因其具有包容覆盖能力强、形状简单、操作方便等优点,随着工业的快速发 展,被广泛应用于各类工程结构中。但在长期服役过程中,会受到制造工艺的影响以及外界 荷载、环境腐蚀等作用,容易产生腐蚀、疲劳、裂纹等损伤。损伤的不断累积将导致工程结构 的失效和损坏,甚至会引发严重的工程事故,所以对板结构的力学性能等方面进行检测变 得尤为重要。
[0003]由于不同介质间的声阻抗存在差异性,声波在材料性能不连续的多层介质中传播 时,会产生反射和透射。研宄材料界面处反射和透射特性,是获取材料和结构信息的必要条 件。通过获取声波的反射/透射信号,并对信号进行处理和计算,最终得到声波的反射/透射 系数,由此可对材料的力学性能进行定量表征。分析声反射/透射系数与斜入射角度、激励 频率之间的关系,也是检测材料晶粒尺寸及结构界面间粘接质量的重要铺垫。由于声波是 向四周传播,传播过程中声波能量会逐渐扩散,使得单位面积上存在的能量减小,形成扩散 衰减。因此,在模型中将两个同材料同规格的压电传感器无缝隙并排放置,使之成为双接收 传感器,且将两个传感器关于接收声波的中线对称放置,可补偿声波在传播过程中产生的 扩散衰减,以获取更为准确的反射/透射系数测量结果。
发明内容
[0004]本发明的目的在于提供了一种板结构声反射/透射系数的水浸超声无损测量方 法。
[0005]为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:一种对板结构反射/透射系数的水浸 超声无损测量方法,该方法建立一种板结构声反射/透射系数的水浸超声无损测量模型,该 模型由三个相同材料及尺寸的压电传感器和具有一定厚度的板组成,将该模型浸于室温下 的水中。其中,由PVDF (聚偏氟乙烯)薄膜作为压电材料,由环氧树脂与钨粉制备的Backl〇 (钨粉体积比为10 %)作为背衬材料,压电材料和背衬材料构成完整的压电传感器。在其中 一个压电传感器的压电材料上表面设置激励信号,使之成为激励压电传感器(1);将另外两 个压电传感器并排放置,使之成为双接收压电传感器(2)。将一定厚度和长宽尺寸的板(3) 放置在声波传播路径中,使声波在水(4)中传播时穿透板⑶或在板⑶的表面发生反射,从 而被接收压电传感器接收来获得透射系数和反射系数。
[0006]板结构反射/透射系数的求解方法如下,将双接收压电传感器(2)采集的反射/透 射信号进行傅里叶变换,得到反射/透射信号频谱与参考信号频谱的比值,则为反射/透射 系数频率-幅值谱。由于双接收压电传感器(2)始终关于声波的中线对称放置,导致双接收 压电传感器(2)采集的信号相同,所以在提取反射、透射以及参考信号时,仅提取双接收压 电传感器⑵中任一信号进行处理。
[0007] 透射系数的无损测量方法如下,在板(3)的厚度方向两侧分别放置一个激励压电 传感器(1)和双接收压电传感器(2),使传感器的长度方向垂直于板的厚度方向,且双接收 压电传感器(2)中的两个压电传感器关于声波的中线对称放置。激励压电传感器⑴下表面 至板(3)上表面之间的垂直距离,需与板(3)下表面至双接收压电传感器(2)上表面的垂直 距离相同,才能保证声波在垂直入射的情况下,声波到达板(3)前与声波透过板⑶后的传 播距离相同。
[0008] 反射系数的无损测量方法如下,在板(3)的厚度方向任意一侧放置激励压电传感 器⑴和双接收压电传感器⑵,以板⑶的上表面中点为板⑶圆心旋转的中线,使板⑶顺 时针旋转9°后与激励压电传感器(1)中轴线重合,且逆时针旋转e°后与双接收压电传感器 (2)分界线重合,以保证双接收压电传感器⑵能够均匀地采集到声波经板⑶反射后的全 部能量。激励压电传感器(1)下表面中点和双接收压电传感器(2)下表面的分界点,激励压 电传感器(1)下表面中点与板(3)上表面之间的垂直距离与双接收压电传感器(2)下表面的 分界点与板(3)上表面之间的垂直距离相等。
[0009] 参考信号的获取方法,在无板(3)的情况下,将激励传感器(1)和双接收压电传感 器(2)平行放置,使激励压电传感器(1)激励相同的超声信号传播至双接收压电传感器⑵, 从双接收压电传感器(2)上提取的直达波,作为参考信号。
[0010] 直达波传播距离与反射/透射系数测量模型中声波在液体中的传播距离相同。
[0011] 本发明具有以下优点:
[0012] 1、本发明通过引入参考信号的处理方法,由此获得反射/透射系数频谱,可有效补 偿声波在介质中传播时的衰减效应。
[0013] 2、本发明采用双接收传感器测量模型,可避免声波能量及信息的泄露,获取更为 准确的反射/透射系数测量结果。
[00M]本发明采用以上技术方案,建立“液固液”结构反射/透射系数的水浸超声无损测 量模型,结构简单,操作便捷,且无需在测量中移动传感器。利用此检测方法,可利用反射/ 透射系数对板结构进行水浸式无损测量。
附图说明
[0015]图1为板结构透射系数的无损测量模型示意图。
[0016]图2为板结构反射系数的无损测量模型示意图。
[0017]图3为参考信号获取的模型示意图。
[0018]图4为板结构透射系数的理论与仿真结果对比图。
[0019]图5为板结构反射系数的理论与仿真结果对比图。
具体实施方式
[0020]以水浸超声测量反射/透射系数的模型实例对具体的实施方式作进一步的说明。 在PZFlex软件中构造“液固液”结构透射系数二维仿真模型,模型具体参数设置如下:
[0021] 1、激励压电传感器(1)和接收压电传感器(2)均由〇.26mmX3mm (厚度X长度)的 BacklO为背衬材料、0.04mmx3mm (厚度X长度)的PVDF薄膜为压电材料制成。其中,pvDF密 度为1789kg/m3;BacklO密度为2975kg/m3,材料中声波纵波波速S196〇m/s,横波波速为 1047m/s〇
[0022] 2、板⑶结构为〇_5mmX 16mm(厚度X长度)的钢板,钢的密度为79〇〇kg/m3,材料中 声波纵波波速为5900m/s,横波波速为3200m/s。
[0023] 3、传感器和板结构的液体环境为水(4),水的密度为i〇〇〇kg/m3,材料中声波纵波 波速为1496m/s,横波波速为Om/s。
[0024] 4、传感器表面与板(3)结构表面的垂直距离为8mm,模型四周边界设置为吸收边界 ⑸。
[0025]板结构透射系数的测量模型示意图如图1所示。仿照图1建立二维仿真模型,在激 励传感器(1)压电材料上极板施加中心频率为5MHz的单周期BLAK波,使声波传播方向垂直 于板的长度方向并透过板(3)结构传入水⑷中,最后声波信号被双接收传感器(2)接收。 [0026]板结构反射系数的测量模型示意图如图2所示。仿照图2建立二维仿真模型。以板 (3)的上表面中点为圆心旋转板(¾的中线,使其旋转20°后与激励传感器(1)中轴线重合, 且旋转_2〇°后与双接收传感器⑵分界线重合。在激励传感器(1)压电材料上极板施加中心 频率为5MHz的单周期BLAK波,使超声信号传播至板(3)结构并在界面处发生发射,最后声波 信号被双接收传感器(2)接收。
[0027] 参考信号的获取模型示意图如图3所示,仿照图3建立二维仿真模型。在激励传感 器(1)压电材料上极板施加中心频率为5MHz的单周期BLAK波,超声信号在水(4)中传播直至 被双接收传感器(2)接收,其传播距离与反射/透射系数测量模型中的水声传播距离相同。 [0028]分别提取三个模型中接收传感器(2)采集到的时域信号,并对信号进行傅里叶变 换,得到时域信号的频率-幅值谱。透射系数谱为透射信号频谱与参考信号频谱的比值,其 仿真结果与理论结果的对比如图4所示。反射系数谱为反射信号频谱与参考信号频谱的比 值,其仿真结果与理论结果的对比如图5所示。
[0029]本发明设计的板结构反射/透射系数的水浸超声无损测量模型,结构简单,操作便 捷,可实现对板结构反射/透射系数的无损测量。

Claims (6)

1. 一种对板结构反射/透射系数的水浸超声无损测量方法,其特征在于:该方法建立一 种板结构声反射/透射系数的水浸超声无损测量模型,该模型由三个相同材料及尺寸的压 电传感器和具有一定厚度的板组成,将该模型浸于室温下的水中;其中,由pVDF薄膜作为压 电材料,由环氧树脂与鹤粉制备的BacklO作为背衬材料,压电材料和背衬材料构成完整的 压电传感器;在其中一个压电传感器的压电材料上表面设置激励信号,使之成为激励压电 传感器(1);将另外两个压电传感器并排放置,使之成为双接收压电传感器(2);将一定厚度 和长宽尺寸的板(3)放置在声波传播路径中,使声波在水(4)中传播时穿透板(3)或在板(3) 的表面发生反射,从而被接收压电传感器接收来获得透射系数和反射系数。 ~
2. 根据权利要求1所述的一种对板结构反射/透射系数的水浸超声无损测量方法,其特 征在于:板结构反射/透射系数的求解方法如下,将双接收压电传感器(2)采集的反射/透射 信号进行傅里叶变换,得到反射/透射信号频谱与参考信号频谱的比值,则为反射/透射系 数频率-幅值谱;由于双接收压电传感器(2)始终关于声波的中线对称放置,导致双接收压 电传感器(2)采集的信号相同,所以在提取反射、透射以及参考信号时,仅提取双接收压电 传感器(2)中任一信号进行处理。
3.根据权利要求1所述的一种对板结构反射/透射系数的水浸超声无损测量方法,其特 征在于:透射系数的无损测量方法如下,在板(3)的厚度方向两侧分别放置一个激励压电传 感器⑴和双接收压电传感器(2),使传感器的长度方向垂直于板的厚度方向,且双接收压 电传感器(2)中的两个压电传感器关于声波的中线对称放置;激励压电传感器(1)下表面至 板(3)上表面之间的垂直距离,需与板(3)下表面至双接收压电传感器(2)上表面的垂直距 离相同,才能保证声波在垂直入射的情况下,声波到达板(3)前与声波透过板(3)后的传播 距离相同。
4. 根据权利要求1所述的一种对板结构反射/透射系数的水浸超声无损测量方法,其特 征在于:反射系数的无损测量方法如下,在板(3)的厚度方向任意一侧放置激励压电传感器 (1) 和双接收压电传感器⑵,以板⑶的上表面中点为板⑶圆心旋转的中线,使板⑶顺时 针旋转e。后与激励压电传感器(1)中轴线重合,且逆时旋转e°后与双接收压电传感器(2) 分界线重合,以保证双接收压电传感器⑵能够均匀地采集到声波经板(3)反射后的全部能 量;激励压电传感器(1)下表面中点和双接收压电传感器(2)下表面的分界点,激励压电传 感器(1)下表面中点与板(3)上表面之间的垂直距离与双接收压电传感器(2)下表面的分界 点与板(3)上表面之间的垂直距罔相等。
5. 根据权利要求1所述的一种对板结构反射/透射系数的水浸超声无损测量方法,其特 征在于:参考信号的获取方法,在无板⑶的情况下,将激励传感器⑴和双接收压电传感器 (2) 平行放置,使激励压电传感器(1)激励相同的超声信号传播至双接收压电传感器(2),从 双接收压电传感器(2)上提取的直达波,作为参考信号。
6. 根据权利要求1所述的一种对板结构反射/透射系数的水浸超声无损测量方法,其特 征在于:直达波传播距离与反射/透射系数测量模型中声波在液体中的传播距离相同。
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