CN109974639B - 一种基于后退波的固体板厚度测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及固体板厚度测量技术领域，具体涉及一种基于后退波的固体板厚度测量装置，该装置置于固体板(1)，该装置具体包括：第一楔块(2)、第二楔块(4)、发射换能器(5)和接收换能器(3)；第一楔块(2)与第二楔块(4)相对放置，且二者的斜面相对；第二楔块(4)的斜面上放置发射换能器(5)，用于以固定的入射角发射窄脉冲超声波，并入射到固体板(1)中，形成具有相同的后退波激励点的相速度范围的前进波和后退波；第一楔块(2)的斜面上放置接收换能器(3)，用于接收上述后退波激励点的相速度范围的后退波；该装置还包括：数据处理模块，用于根据接收的后退波激励点的相速度范围的后退波，计算固体板的厚度。

Description

一种基于后退波的固体板厚度测量装置及其方法

技术领域

本发明属于固体板厚度测量技术领域，具体涉及一种基于后退波的固体板厚度测量装置及其方法。

背景技术

兰姆波是一种形成于板中的导波，具有频散特性，可通过瑞利—兰姆频散方程得到各模式的相(群)速度与频厚积的关系。由于兰姆波传播过程中衰减小，传播距离远，在短时间内能够覆盖大部分的检测范围，被广泛地应用于大面积板、壳结构的无损检测以及材料厚度测量等技术领域。

目前，采用的基于兰姆波的板厚度测量方法都是基于前进波的，而前进波具有模式较多的特点；精确地控制激发超声波的入射角度和中心频率能够在板中生成特定模式兰姆波；兰姆波仅仅控制一个条件，就会生成一些列模式。但是，在通常超声检测中，所采用的频带较宽的窄脉冲超声入射情况下，板中会出现多个前进波模式共存的情况，使得采集的信号难以被清楚地分辨。

发明内容

本发明的目的在于，为解决现有的板厚度测量方法存在的上述缺陷，本发明提出了一种基于后退波的固体板厚度测量装置，该装置以特定角度入射到板中的窄脉冲超声波，在入射区域，将同时形成后退波模式和前进波模式，因为二者的群速度传播方向相反，随着时间增长，两者将在空间上分离。在板的频散曲线中，相对于具有正群速度的前进波模式，后退波模式在频率上的存在范围较窄，模式段数量较少，能够在声源激励的反方向或前进波传播方向的反方向，探测到较为纯净的后退波。通过检测后退波的峰值频率，并根据特定材料后退波模式的频厚积，便能够得到板的厚度，解决了在基于前进波的测量方法中所遭遇的多模式共存的问题，可实现在固定窄脉冲发射源位置的情况下，一定距离内对板厚度展开连续测量，且具有较高精度。

为了实现上述目的，本发明提出了一种基于后退波的固体板厚度测量装置，该装置置于固体板，该装置具体包括：第一楔块、第二楔块、发射换能器和接收换能器；

第一楔块与第二楔块相对放置，且二者的斜面相对；第二楔块的斜面上放置发射换能器，用于以固定的入射角发射窄脉冲超声波，并入射到固体板中；其中，窄脉冲超声波作为声源，同时形成具有相同的后退波激励点的相速度范围的前进波和后退波；第一楔块的斜面上放置接收换能器，用于接收后退波激励点的相速度范围的后退波；

该装置还包括：数据处理模块，用于根据接收的后退波激励点的相速度范围的后退波，计算固体板的厚度。其中，固体板包括：木板、金属薄板和玻璃板。

作为上述技术方案的改进之一，所述数据处理模块具体包括：

接收单元，用于接收后退波激励点的相速度范围的后退波；

处理单元，用于根据后退波激励点的相速度范围，获取与其对应的频厚积；

计算单元，用于根据后退波激励点的相速度范围的后退波的频率峰值和频厚积，计算固体板的厚度。

作为上述技术方案的改进之一，所述数据处理模块还包括：数据处理单元，用于根据等间距移动接收换能器获得不同的测试点的后退波的频率峰值和频厚积，计算不同测试点的固体板的厚度，再求和、取平均，获得平均后的固体板的厚度，有助于减小误差。

作为上述技术方案的改进之一，所述第一楔块的斜面与固体板之间夹角θ由选定的后退波激励点的相速度确定，具体地，则夹角θ满足：

其中，C_x为第一楔块的纵波速度；C_p为后退波激励点的相速度；

第二楔块的斜面与固体板之间的夹角θ₁满足：

其中，C_x1为第二楔块的纵波速度；C_p为后退波激励点的相速度；

第二楔块的斜面与固体板之间的夹角θ₁与第一楔块的斜面与固体板之间夹角θ相同。

作为上述技术方案的改进之一，所述固定的入射角、第二楔块的斜面与固体板之间的夹角θ₁与第一楔块的斜面与固体板之间夹角θ三者相同。

本发明还提供了一种基于后退波的固体板厚度测量方法，该方法包括：

发射换能器以固定的入射角发射窄脉冲超声波，入射到固体板(1)中，同时形成具有相同的后退波激励点的相速度范围的前进波和后退波；

在声源激励的反方向，接收换能器探测并接收后退波激励点的相速度范围的后退波，得到后退波激励点的相速度范围的后退波的频率峰值，再根据频厚积，计算固体板的厚度。

作为上述技术方案的改进之一，所述后退波激励点的相速度范围，具体包括：

分别获得固体板的相速度频散曲线和群速度频散曲线；

根据获得的固体板的群速度频散曲线，选取该曲线中的群速度小于0所对应的频厚积的区域，作为后退波的频厚积范围；

在获得的后退波的频厚积范围内，任选一个频厚积，在固体板的相速度频散曲线中，选取该频厚积对应的相速度，该相速度值作为后退波激励点，即后退波激励点的相速度，获得后退波激励点的相速度范围。

作为上述技术方案的改进之一，所述分别获得固体板的相速度频散曲线和群速度频散曲线，具体包括：

根据选定板材料的纵波速度Cl，通过瑞利-兰姆方程，获得固体板的相速度频散曲线；

根据选定固体板材料的横波速度Cs，通过瑞利-兰姆方程，获得固体板的群速度频散曲线。

作为上述技术方案的改进之一，所述接收换能器探测并接收后退波激励点的相速度所对应的后退波，具体包括：

窄脉冲超声波通过第二楔块，以固定的入射角入射到固体板上，固体板产生具有相同的后退波激励点的相速度范围的前进模式的前进波和后退模式的后退波，后退模式的后退波通过第一楔块由接收换能器探测并接收。根据确定的后退波激励点的相速度值，调整第一楔块或第二楔块，使得入射的窄脉冲超声波能在固体板中形成一系列具有该相速度值的后退模式的后退波，相对于具有正群速度的前进波模式的前进波，后退波模式的后退波在频率上的存在范围较窄，后退模式的模式段数量较少，因此，能够在声源激励的反方向或前进波传播方向的反方向，探测到后退模式的后退波。

作为上述技术方案的改进之一，所述计算固体板的厚度；具体包括：

利用放置于声源激励的反方向的接收换能器接收的后退波激励点的相速度范围的后退波，则固体板的厚度d具体为：

其中，f₀为后退波激励点的相速度范围的后退波的峰值频率；f_d为与后退波激励点的相速度对应的频厚积；

其中，通过接收换能器接收的后退波激励点的相速度范围的后退波，得到该后退波的时域信号，利用傅里叶变换，获得后退波激励点的相速度范围的后退波的峰值频率。

作为上述技术方案的改进之一，所述方法还包括：

声源激励点的位置不变，等间距地移动接收换能器，在后退波激励点的相速度范围内，接收多个后退波激励点的相速度范围的后退波，得到多个后退波的时域信号，通过傅里叶变换，对应地获得后退波的峰值频率；再结合与后退波激励点的相速度对应的频厚积，获得多个后退波激励点的相速度对应的固体板的厚度d，再求和、取平均，获得平均后的固体板的厚度。

本发明相比于现有技术的有益效果在于：

本发明的方法可以解决在基于前进波的测量方法中所遭遇的多模式共存的问题；可实现在固定窄脉冲发射源位置的情况下，可对固体板厚度展开连续测量，且具有较高精度。

附图说明

图1是本发明的一种基于后退波的固体板厚度测量装置的结构示意图；

图2是本发明的一种基于后退波的固体板厚度测量装置中的一个实施例采用k9玻璃板的群速度频散曲线的示意图；

图3是本发明的一种基于后退波的固体板厚度测量装置中的一个实施例采用k9玻璃板的相速度频散曲线的示意图；

图4是本发明的一种基于后退波的固体板厚度测量装置中的一个实施例的测点1的时域信号的示意图；

图5是本发明的一种基于后退波的固体板厚度测量装置中的一个实施例的测点1的频域信号的示意图；

图6是本发明的一种基于后退波的固体板厚度测量装置中的一个实施例的测点2的时域信号的示意图；

图7是本发明的一种基于后退波的固体板厚度测量装置中的一个实施例的测点2的频域信号的示意图；

图8是本发明的一种基于后退波的固体板厚度测量装置中的一个实施例的测点3的时域信号的示意图；

图9是本发明的一种基于后退波的固体板厚度测量装置中的一个实施例的测点3的频域信号的示意图。

附图标记：

1、固体板 2、第一楔块

3、接收换能器 4、第二楔块

5、发射换能器

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明提出了一种基于后退波的固体板厚度测量装置，该装置置于固体板1，该装置具体包括：第一楔块2、第二楔块4、发射换能器5和接收换能器3；

第一楔块2与第二楔块4相对放置，且二者的斜面相对；第二楔块4的斜面上放置发射换能器5，用于以固定的入射角发射窄脉冲超声波，并入射到固体板1中；其中，窄脉冲超声波作为声源，即声源激励方向，同时形成具有相同的后退波激励点的相速度范围的前进波和后退波；第一楔块2的斜面上放置接收换能器3，即声源激励的反方向，用于接收后退波激励点的相速度范围的后退波；

该装置还包括：数据处理模块，用于根据接收的后退波激励点的相速度范围的后退波，计算固体板的厚度。其中，固体板包括：木板、金属薄板和玻璃板。在本实施例中，采用了k9玻璃板。

其中，所述数据处理模块具体包括：

接收单元，用于接收后退波激励点的相速度范围的后退波；

处理单元，用于根据后退波激励点的相速度范围，获取与其对应的频厚积范围；

计算单元，用于根据后退波激励点的相速度范围的后退波的频率峰值和频厚积，根据公式(1)，计算固体板的厚度。具体地，接收换能器接收后退波激励点的相速度范围的后退波，获得该后退波的时域信号，再通过傅里叶变换，得到对应的频域信号，进而得到该后退波的频率峰值，再结合后退波的频厚积，利用公式(1)，计算固体板的厚度。

所述数据处理模块还包括：数据处理单元，用于根据等间距移动接收换能器获得不同的测试点的后退波的频率峰值和频厚积，计算不同测试点的固体板的厚度，再求和、取平均，获得平均后的固体板的厚度，有助于减小误差。

具体地，设定声源激励点的位置不变，等间距移动接收换能器，每次移动1cm，相应的后退波传播需要20μs；得到不同的测试点的后退波的时域信号，利用傅里叶变换得到对应的频域信号，进而得到不同测试点的后退波的频率峰值，再结合后退波的频厚积，利用公式(1)，计算不同的测试点的固体板的厚度，再求和、取平均，获得平均后的固体板的厚度。

其中，所述数据模块中的各个功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，ReadOnly Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

所述第一楔块的斜面与固体板之间夹角θ由选定的后退波激励点的相速度确定，具体地，则夹角θ满足：

其中，C_x为第一楔块的纵波速度；C_p为后退波激励点的相速度；在本实施例中，C_x＝2346m/s；C_p＝34320m/s；θ＝3.92°；

第二楔块的斜面与固体板之间的夹角θ₁满足：

其中，C_x1为第二楔块的纵波速度；C_p为后退波激励点的相速度；在本实施例中，C_x1＝2346m/s；C_p＝34320m/s；θ₁＝3.92°；

第二楔块的斜面与固体板之间的夹角θ₁与第一楔块的斜面与固体板之间夹角θ相同。

所述窄脉冲超声波入射到固体板中，其固定的入射角、第二楔块的斜面与固体板之间的夹角θ₁与第一楔块的斜面与固体板之间夹角θ三者相同。

本发明还提供了一种基于后退波的固体板厚度测量方法，该方法包括：

发射换能器以固定的入射角发射窄脉冲超声波，入射到固体板1中，同时形成具有相同的后退波激励点的相速度范围的前进波和后退波；

在声源激励的反方向，接收换能器探测并接收后退波激励点的相速度范围的后退波，得到后退波激励点的相速度范围的后退波的频率峰值，再根据频厚积，计算固体板的厚度。

所述后退波激励点的相速度范围，具体包括：

分别获得固体板的相速度频散曲线和群速度频散曲线；

根据获得的固体板的群速度频散曲线，选取该曲线中的群速度小于0所对应的频厚积的区域，作为后退波的频厚积范围；

在获得的后退波的频厚积范围内，任选一个频厚积，在固体板的相速度频散曲线中，选取该频厚积对应的相速度，该相速度值作为后退波激励点，即后退波激励点的相速度，获得后退波激励点的相速度范围。具体地，在该后退波激励点，根据确定的后退波激励点的相速度，获得固定的入射角，以固定的入射角将窄脉冲超声波入射到固体板1上，产生一系列具有该后退波激励点的相速度的后退波。

其中，根据后退波激励点的相速度，利用夹角θ或夹角θ₁的公式，便可获得入射角，发射换能器以该入射角发射窄脉冲超声波，入射到固体板中。

如图3所示，所述分别获得固体板的相速度频散曲线和群速度频散曲线，具体包括：

根据选定板材料的纵波速度Cl，通过瑞利-兰姆方程，获得固体板的相速度频散曲线。

根据选定固体板材料的横波速度Cs，通过瑞利-兰姆方程，获得固体板的群速度频散曲线。

所述接收换能器探测并接收后退波激励点的相速度所对应的后退波，具体包括：

窄脉冲超声波通过第二楔块，以固定的入射角入射到固体板上，固体板产生具有相同的后退波激励点的相速度范围的前进模式的前进波和后退模式的后退波，后退模式的后退波通过第一楔块由接收换能器探测并接收。根据确定的后退波激励点的相速度值，使得入射的窄脉冲超声波能在固体板中形成一系列具有该相速度值的后退模式的后退波，相对于具有正群速度的前进波模式的前进波，后退波模式的后退波在频率上的存在范围较窄，后退模式的模式段数量较少，因此，能够在声源激励的反方向或前进波传播方向的反方向，探测到后退模式的后退波。

所述计算固体板的厚度；具体包括：

利用放置于声源激励的反方向的接收换能器接收的后退波激励点的相速度范围的后退波，则固体板的厚度d具体为：

其中，f₀为后退波激励点的相速度范围的后退波的峰值频率；f_d为与后退波激励点的相速度对应的频厚积；

其中，通过接收换能器接收的后退波激励点的相速度范围的后退波，得到该后退波的时域信号，利用傅里叶变换，获得后退波激励点的相速度范围的后退波的峰值频率。

所述方法还包括：

声源激励点的位置不变，等间距地移动接收换能器，在后退波激励点的相速度范围内，接收多个后退波激励点的相速度范围的后退波，得到多个后退波的时域信号，通过傅里叶变换，对应地获得后退波的峰值频率；再结合与后退波激励点的相速度对应的频厚积，获得多个后退波激励点的相速度对应的固体板的厚度d，再求和、取平均，获得平均后的固体板的厚度。

如图4、6、8所示，分别为接收换能器在测点1、2、3接收到的后退波的时域信号，操作过程中等间距地移动信号接收换能器，每次移动距离为1cm，实现连续测量。

如图5、7、9所示，分别为接收换能器在测点1、2、3接收到的后退波的频域信号，通过对上述的时域信号作FFT变换即可获得。

本实施例在k9玻璃板厚度测量中，其测量方法能够在实现固定发射源位置的同时，进行连续测量。

如图2所示，在群速度小于零的后退波的频厚积范围内，实线框中为对称后退波段S2b和虚线框为反对称后退波段A3b，分别对应于相速度曲线图中，黑色长方块标记处之上的部分。

如图3所示，根据群速度小于零的后退波的频厚积范围，选择相速度为34320m/s处作为入射波角度的判定点，如图3中黑色平行线所示，根据有机玻璃纵波声速2346m/s以及斯奈尔定律，可知有机玻璃楔块与固体板之间的夹角为3.92°。采用中心频率为2MHz，6dB带宽为900kHz的超声换能能器，即发射换能器5，在中心频率为3MHz的单周期电信号激励下产生窄脉冲超声波，并通过第二楔块4入射到固体板1中，使得入射的窄脉冲超声波能在固体板中形成一系列具有该相速度值为34320m/s的前进波模式和后退波模式。如图1所示，放置于声源激励的反方向的接收换能器3可接收到较为纯净的后退波信号，后退波信号以A3b为主。我们设定信号激励源位置不变，等间距地移动信号接收换能器，每次移动距离为1cm，相应的后退波需要传播约20μs，得到三个测点，即测点1、测点2和测点3，的时域信号分别对应如图4、6、8，对时域信号作傅里叶变换得到对应频域信号如图5、7、9所示。已知频率厚度积为5.392MHz·mm，频率峰值为1.790MHz，利用公式(1)，可得固体板的厚度为3.012mm。

采用千分尺进行五次测量，并取平均值，测点1、测点2和测点3的板厚分别为3.021±0.001mm，3.017±0.001mm，3.019±0.001mm。因此，本发明基于上述三个测量点的测量方法的误差对应为0.009mm，0.005mm，0.007mm，误差小于3％。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于后退波的固体板厚度测量装置，其特征在于，该装置置于固体板(1)上，该装置具体包括：第一楔块(2)、第二楔块(4)、发射换能器(5)和接收换能器(3)；

第一楔块(2)与第二楔块(4)相对放置，且二者的斜面相对；第二楔块(4)的斜面上放置发射换能器(5)，用于以固定的入射角发射窄脉冲超声波，并入射到固体板(1)中，形成具有相同的后退波激励点的相速度范围的前进波和后退波；第一楔块(2)的斜面上放置接收换能器(3)，用于接收上述后退波激励点的相速度范围的后退波；

该装置还包括：数据处理模块，用于根据接收的后退波激励点的相速度范围的后退波，计算固体板的厚度。

2.根据权利要求1所述的基于后退波的固体板厚度测量装置，其特征在于，所述数据处理模块具体包括：

接收单元，用于接收接收换能器(3)所接收的后退波激励点的相速度范围的后退波；

处理单元，用于根据后退波激励点的相速度范围，获取与其对应的频厚积；

计算单元，用于根据后退波激励点的相速度范围的后退波的频率峰值和频厚积，计算固体板的厚度。

3.根据权利要求2所述的基于后退波的固体板厚度测量装置，其特征在于，所述数据处理模块还包括：数据处理单元，用于根据等间距移动接收换能器(3)获得不同的测试点的后退波的频率峰值和频厚积，计算不同测试点的固体板(1)的厚度，再求和、取平均，获得平均后的固体板的厚度。

4.根据权利要求1所述的基于后退波的固体板厚度测量装置，其特征在于，所述第一楔块(2)的斜面与固体板(1)之间夹角θ为：

其中，C_x为第一楔块的纵波速度；C_p为后退波的相速度；

第二楔块(4)的斜面与固体板(1)之间的夹角θ₁为：

其中，C_x1为第二楔块的纵波速度；C_p为后退波的相速度；

第二楔块(4)的斜面与固体板(1)之间的夹角θ₁与第一楔块(2)的斜面与固体板(1)之间夹角θ相同。

5.根据权利要求1或4所述的基于后退波的固体板厚度测量装置，其特征在于，所述入射角、第二楔块的斜面与固体板之间的夹角θ₁、第一楔块的斜面与固体板之间夹角θ三者相同。

6.一种基于权利要求1-5中任一所述的基于后退波的固体板厚度测量装置的方法，其特征在于，该方法包括：

发射换能器以固定的入射角发射窄脉冲超声波，入射到固体板(1)中，同时形成具有相同的后退波激励点的相速度范围的前进波和后退波；

在声源激励的反方向，接收换能器探测并接收后退波激励点的相速度范围的后退波，得到后退波激励点的相速度范围的后退波的频率峰值，再根据频厚积，计算固体板的厚度。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述后退波激励点的相速度范围，具体包括：

分别获得固体板的相速度频散曲线和群速度频散曲线；

根据获得的固体板的群速度频散曲线，选取该曲线中的群速度小于0所对应的频厚积的区域，作为后退波的频厚积范围；

在获得的后退波的频厚积范围内，任选一个频厚积，在固体板的相速度频散曲线中，选取该频厚积对应的相速度，该相速度值作为后退波激励点，即后退波激励点的相速度，获得后退波激励点的相速度范围。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述分别获得固体板的相速度频散曲线和群速度频散曲线，具体包括：

根据选定板材料的纵波速度Cl，通过瑞利-兰姆方程，获得固体板的相速度频散曲线；

根据选定固体板材料的横波速度Cs，通过瑞利-兰姆方程，获得固体板的群速度频散曲线。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述计算固体板的厚度；具体包括：

利用放置于声源激励的反方向的接收换能器接收的后退波激励点的相速度范围的后退波，则固体板的厚度d具体为：

其中，f₀为后退波激励点的相速度范围的后退波的峰值频率；f_d为与后退波激励点的相速度对应的频厚积；

其中，通过接收换能器接收的后退波激励点的相速度范围的后退波，得到该后退波的时域信号，利用傅里叶变换，获得后退波激励点的相速度范围的后退波的峰值频率。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

声源激励点的位置不变，等间距地移动接收换能器，在后退波激励点的相速度范围内，接收多个后退波激励点的相速度范围的后退波，得到多个后退波的时域信号，通过傅里叶变换，对应地获得后退波的峰值频率；再结合与后退波激励点的相速度对应的频厚积，获得多个后退波激励点的相速度对应的固体板的厚度d，再求和、取平均，获得平均后的固体板的厚度。

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