CN110109124A - 一种基于漏兰姆波的感知固体板底部目标的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于超声探测设备技术领域，具体涉及一种基于漏兰姆波的感知固体板底部目标的装置，该装置具体包括：信号发射器、示波器、超声换能器(1)、固体板(3)和数据处理模块；超声换能器(1)、固体板(3)、固体板底部目标(5)均位于水面(2)下；固体板底部目标(5)置于固体板(3)的下方，超声换能器(1)置于固体板(3)之上，且与固体板(3)相距Scm；超声换能器(1)倾斜θ角度；超声换能器(1)上还顺序连接信号发射器和示波器；所述数据处理模块，用于根据超声换能器发射的θ角度、频率f的超声波在固体板中传播时间t1和t2，以及生成的漏兰姆波模式的群速度Cg，可计算得到固体板底部目标平移的距离L′，实现可对固体板底部目标的位置变化进行感知。

Description

一种基于漏兰姆波的感知固体板底部目标的装置及方法
技术领域
本发明属于超声探测设备技术领域，特别涉及一种基于漏兰姆波的感知固体板底部目标的装置及方法，具体涉及一种基于漏兰姆波脉冲回波对于浸液不透明固体板下目标的感知方法。
背景技术
兰姆波是一种形成于固体板中的导波，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，由于光无法穿透固体不透明板，因此，板底部的目标难以通过光学方法进行感知。现有的声学方法能够穿透不透明介质，广泛地应用于海洋探测以及无损检测等；因此，针对板底部目标的感知，可采用声学方法。基于一发一收式的脉冲回波体波测量方法，需要逐点对固体板独步目标进行测量，入射体波垂直穿透单层固体板会造成较强的能量损失，因此，一发一收式体波测量方法存在效率低下、操作复杂等问题。
发明内容
本发明的目的在于，为解决现有的感知方法存在的上述缺陷，本发明提出了一种基于漏兰姆波的感知固体板底部目标的装置及方法，该方法可隔着固体板，通过漏兰姆波脉冲回波信号对固体板底部的目标进行感知，从而判断出有物体在固体板下位置的移动，但无法获取该物体的准确位置，该感知方法简洁、不复杂。具体地，该方法利用超声换能器发射超声波入射到浸入水中的固体板中生成兰姆波，该兰姆波的一部分能量将漏到周围水中，而成为漏兰姆波。泄漏到水中的兰姆波能量将形成具有θ角度、频率f的平面波；该平面波传播至固体板底部的圆柱体目标位置处，并与其相互作用，形成具有θ角度、频率f的反射波。该反射波将反射回固体板中，激励出相同的漏兰姆波，该漏兰姆波将沿着原入射路径返回至原超声换能器，被原超声换能器接收；根据固体板底部目标的位置移动，分别获取对应的传播时间，根据两次不同的传播时间差，以及生成的漏兰姆波模式的群速度Cg，可计算得到固体板底部目标平移的距离L′，从而实现可对固体板底部目标的位置变化进行感知。
为了实现上述目的，本发明提出了一种基于漏兰姆波的感知固体板底部目标的装置，该装置采用布置于固体板上的超声换能器，以相同的相同θ角度、频率f朝着固体板的中心发射超声波，并传播至固体板底部的圆柱体目标位置处，并与其相互作用，形成具有θ角度、频率f的反射波。该反射波将反射回固体板中，激励出相同的漏兰姆波，该漏兰姆波将沿着原入射路径返回至原超声换能器，被原超声换能器接收；根据固体板底部目标的位置移动，分别获取对应的传播时间，根据两次不同的传播时间差，以及生成的漏兰姆波模式的群速度Cg，可计算得到固体板底部目标平移的距离L′，从而实现可对固体板底部目标的位置变化进行感知。
该装置具体包括：信号发射器、示波器、超声换能器、固体板和数据处理模块；
超声换能器、固体板、固体板底部目标均位于水面下；固体板底部目标置于固体板的下方，超声换能器置于固体板之上，且与固体板相距Scm；超声换能器倾斜θ角度；超声换能器上还顺序连接信号发射器和示波器；
所述数据处理模块，用于根据超声换能器发射的θ角度、频率f的超声波在固体板中传播时间t1和t2，以及生成的漏兰姆波模式的群速度Cg，可计算得到固体板底部目标平移的距离L′，实现可对固体板底部目标的位置变化进行感知。
作为上述技术方案的改进之一，所述θ＝arcsin(Cw/Cp)，其中，Cp为兰姆波的相速度；Cw为声速。
作为上述技术方案的改进之一，所述固体板为不透明金属板；优选为铝板。
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：
数据接收单元，用于接收超声换能器发射的θ角度、频率f的超声波在固体板中传播时间t1和t2；
处理单元，用于根据超声换能器发射的θ角度、频率f的超声波在固体板中传播时间t1和t2；计算得到固体板底部目标平移的距离L′：
L′＝(t2-t1)Cg (1)
其中，Cg为生成的漏兰姆波模式的群速度。
基于上述基于漏兰姆波的感知固体板底部目标的装置，本发明还提供了一种基于漏兰姆波的感知固体板底部目标的方法，该方法具体包括：
获取超声换能器发射的θ角度、频率f的超声波在固体板中传播时间t1；
移动固体板底部目标L距离，获取超声换能器发射的θ角度、频率f的超声波在固体板中传播时间t2；
根据超声换能器发射的θ角度、频率f的超声波在固体板中传播时间t1和t2；计算得到固体板底部目标平移的距离L′，实现可对固体板底部目标的位置变化进行感知。
作为上述技术方案的改进之一，所述获取超声换能器发射的θ角度、频率f的超声波在固体板中传播时间t1；具体包括：
信号发射器发射电信号至超声换能器，超声换能器将电信号转换为超声波，并以入射角θ角度、频率f的超声波发射至浸入水中的固体板中，形成兰姆波；泄露到水中的漏兰姆波以θ角度、频率f的平面波入射到固体板底部目标的外表面上，并与固体板底部目标发生相互作用，形成具有θ角度、频率f的反射波，该反射波经固体板底部目标的外表面反射回固体板，激励出相同的漏兰姆波，并通过固体板沿原入射路径返回至超声换能器，超声换能器接收反射回的漏兰姆波，并通过示波器显示反射回的漏兰姆波及其传播时间t1。
作为上述技术方案的改进之一，所述移动固体板底部目标L距离，获取超声换能器发射的θ角度、频率f的超声波在固体板中传播时间t2；具体包括：
移动固体板底部目标L距离后，信号发射器再次发射电信号至超声换能器，超声换能器将电信号转换为超声波，并以入射角θ角度、频率f的超声波发射至浸入水中的固体板中，形成兰姆波；泄露到水中的漏兰姆波以θ角度、频率f的平面波入射到固体板底部目标的外表面上，并与固体板底部目标发生相互作用，形成具有θ角度、频率f的反射波，该反射波经固体板底部目标的外表面反射回固体板，激励出相同的漏兰姆波，并通过固体板沿原入射路径返回至超声换能器，超声换能器接收反射回的漏兰姆波，并通过示波器显示反射回的漏兰姆波及其传播时间t2。
作为上述技术方案的改进之一，所述根据超声换能器发射的θ角度、频率f的超声波在固体板中传播时间t1和t2；计算得到固体板底部目标平移的距离L′；具体包括：
L′＝(t2-t1)Cg (1)
其中，Cg为生成的漏兰姆波模式的群速度。
本发明相比于现有技术的有益效果在于：
本发明的方法可对不透明的固体板底部目标的位置移动进行感知，判断固体板底部目标在固体板下是否移动，并给出大概的移动距离。
附图说明
图1是本发明的一种基于漏兰姆波的感知固体板底部目标的装置的结构示意图；
图2是本发明的一种基于漏兰姆波的感知固体板底部目标的装置中的超声换能器、固体板、圆柱体目标浸入水面下的结构示意图；
图3是本发明的一种基于漏兰姆波的感知固体板底部目标的装置中的固体板的相速度频散曲线，其中A0、S0、A1、S1、A2、S2为各个兰姆波模式；
图4是本发明的一种基于漏兰姆波的感知固体板底部目标的装置中的固体板的群速度频散曲线，其中A0、S0、A1、S1、A2、S2为各个兰姆波模式；
图5是本发明的一种基于漏兰姆波的感知固体板底部目标的装置中的固体板的衰减频散曲线，其中A0、S0、A1、S1、A2、S2为各个兰姆波模式；
图6是本发明的一种基于漏兰姆波的感知固体板底部目标的装置中的超声换能器接收反射波的时间-相对振幅的曲线图，记录传播时间t1；
图7是本发明的一种基于漏兰姆波的感知固体板底部目标的装置中的移动固体板L距离后，超声换能器接收反射波的时间-相对振幅的曲线图，记录传播时间t2。
附图标记：
1、超声换能器 2、水面
3、固体板 4、容器
5、固体板底部目标
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和2所示，本发明提出了一种基于漏兰姆波的感知固体板底部目标的方法，利用超声换能器发射超声波入射到浸入水中的固体板中生成兰姆波，该兰姆波的一部分能量将漏到周围水中，而成为漏兰姆波。泄漏到水中的兰姆波能量将形成具有θ角度、频率f的平面波；该平面波传播至固体板底部的圆柱体目标位置处，并与其相互作用，形成具有θ角度、频率f的反射波。该反射波将反射回固体板中，激励出相同的漏兰姆波，该漏兰姆波将沿着原入射路径返回至原超声换能器，被原超声换能器接收；通过返回的反射波的传播时间以及固体板底部的圆柱体目标的半径，可对固体板底部的圆柱体目标在水平和垂直方向的位置进行确定。
该装置具体包括：信号发射器、示波器、超声换能器1、固体板3和数据处理模块；
超声换能器1、固体板3、固体板底部目标5均位于水面2下；固体板底部目标5置于固体板3的下方，超声换能器1置于固体板3之上，且与固体板3相距Scm；超声换能器1倾斜θ角度；超声换能器1上还顺序连接信号发射器和示波器；
所述数据处理模块，用于根据超声换能器发射的θ角度、频率f的超声波在固体板中传播时间t1和t2，以及生成的漏兰姆波模式的群速度Cg，可计算得到固体板底部目标平移的距离L′，实现可对固体板底部目标的位置变化进行感知。
其中，所述θ＝arcsin(Cw/Cp)，其中，Cp为兰姆波的相速度；Cw为声速。
优选地，所述固体板为不透明金属板；优选为铝板。
优选地，所述数据处理模块具体包括：
数据接收单元，用于接收超声换能器发射的θ角度、频率f的超声波在固体板中传播时间t1和t2；
处理单元，用于根据超声换能器发射的θ角度、频率f的超声波在固体板中传播时间t1和t2；计算得到固体板底部目标平移的距离L′：
L′＝(t2-t1)Cg (1)
其中，Cg为生成的漏兰姆波模式的群速度。
其中，所述数据处理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。
基于上述基于漏兰姆波的感知固体板底部目标的装置，本发明还提供了一种基于漏兰姆波的感知固体板底部目标的方法，该方法具体包括：
假设固体板材料的纵波速度Cl、固体板材料横波速度Cs、固体板材料密度ρ1、固体板材料的板厚度d、液体的密度ρ2、声速Cw、姆波波数k和兰姆波频率ω，依据浸液板的频散方程：
其中，kL＝ω/Cl为固体板中体纵波波数；kT＝ω/Cs为体横波波数； i为虚数部分；其中coth()为双曲余切函数；tanh()为双曲正切函数；
依据上述公式(2)可得到浸液固体板中的漏兰姆波的S系列兰姆模式的相速度-频率的频散曲线、群速度-频率的频散曲线以及衰减-频率的频散曲线；具体地，如图3、4和5中的，S0、S1、S2兰姆模式的相速度-频率的频散曲线、群速度-频率的频散曲线以及衰减-频率的频散曲线；
依据上述公式(3)可得到浸液固体板中的漏兰姆波的A系列兰姆模式的相速度-频率的频散曲线、群速度-频率的频散曲线以及衰减-频率的频散曲线；具体地，如图3、4和5中的，A0、A1、A2兰姆模式的相速度-频率的频散曲线、群速度-频率的频散曲线以及衰减-频率的频散曲线；
根据获得的A系列兰姆模式的相速度-频率的频散曲线、群速度-频率的频散曲线以及衰减-频率的频散曲线，选择任一A系列兰姆模式的相速度-频率的频散曲线、群速度-频率的频散曲线以及衰减-频率的频散曲线，根据图3、4和5所示，确定对应的兰姆模式下的群速度Cg和相速度Cp；基于确定的群速度Cg和相速度Cp；利用θ＝arcsin(Cw/Cp)，确定超声波的入射角度θ；再根据基于确定的群速度Cg和相速度Cp；确定确定的群速度Cg和相速度Cp对应的频率f；其中，超声波的频率f的选择范围由衰减频散曲线决定，例如，选择的A1模式的衰减需满足大于S0模式，小于A1模式；
基于上述确定的θ角度、频率f，获取超声换能器发射的θ角度、频率f的超声波在固体板中传播时间t1；具体包括：
信号发射器发射电信号至超声换能器，超声换能器将电信号转换为超声波，并以入射角θ角度、频率f的超声波发射至浸入水中的固体板中，形成兰姆波；泄露到水中的漏兰姆波以θ角度、频率f的平面波入射到固体板底部目标的外表面上，并与固体板底部目标发生相互作用，形成具有θ角度、频率f的反射波，该反射波经固体板底部目标的外表面反射回固体板，激励出相同的漏兰姆波，并通过固体板沿原入射路径返回至超声换能器，超声换能器接收反射回的漏兰姆波，并通过示波器显示反射回的漏兰姆波及其传播时间t1；如图6所示。
移动固体板底部目标L距离，获取超声换能器发射的θ角度、频率f的超声波在固体板中传播时间t2；具体包括：
移动固体板底部目标L距离后，信号发射器再次发射电信号至超声换能器，超声换能器将电信号转换为超声波，并以入射角θ角度、频率f的超声波发射至浸入水中的固体板中，形成兰姆波；泄露到水中的漏兰姆波以θ角度、频率f的平面波入射到固体板底部目标的外表面上，并与固体板底部目标发生相互作用，形成具有θ角度、频率f的反射波，该反射波经固体板底部目标的外表面反射回固体板，激励出相同的漏兰姆波，并通过固体板沿原入射路径返回至超声换能器，超声换能器接收反射回的漏兰姆波，并通过示波器显示反射回的漏兰姆波及其传播时间t2；如图7所示。
根据超声换能器发射的θ角度、频率f的超声波在固体板中传播时间t1和t2；计算得到固体板底部目标平移的距离L′，实现可对固体板底部目标的位置变化进行感知，具体包括：
L′＝(t2-t1)Cg (1)
其中，Cg为生成的漏兰姆波模式的群速度。
实施例1：
本实施例中，所述固体板3为铝板，所述固体板底部目标为钢柱体目标，本实施例验证本发明的感知铝板底部的钢柱体目标的位置移动，该方法简洁、不复杂。
铝材的纵波速度Cl＝6300m/s，横波速度Cs＝3100m/s，密度为ρ1＝2700kg/m3，板厚度d＝2.45mm，水中声速Cw＝1500m/s，密度为ρ2＝1000kg/m3。
我们将以上板材和水的信息代入到板的频散方程，可求解浸液固体板中漏兰姆波的相、群速度以及衰减频散曲线，如图3为浸液板的相速度频散曲线，图4为浸液板的群速度频散曲线，图5为浸液板的衰减频散曲线。
如图3黑色标注点所示，我们选择A1模式的频率为1438kHz，该点衰减满足大于S0模式，小于A1模式。Cg＝3235m/s；Cp＝5488m/s，可得入射角度θ为：θ＝arcsin(Cw/Cp)＝15.86°。
采用超声换能器在固体板中生成A1模式漏兰姆波，并采用超声换能器接收与目标相互作用产生的回波信号，记录传播时间t1＝45.19μs，再移动板底部目标位置平移一定距离L，即实际移动距离L＝1.4cm，记录传播时间t2＝54.01μs。根据两个记录信号的时间差，以及生成的漏兰姆波模式的群速度Cg，可计算得到固体板底部目标平移的距离L′为：
L′＝(t2-t1)Cg＝1.43cm
计算得到的L′与实际移动距离L的误差小于3％。因此，可判断该方法的定位误差小于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 (8)

1.一种基于漏兰姆波的感知固体板底部目标的装置，其特征在于，该装置具体包括：信号发射器、示波器、超声换能器(1)、固体板(3)和数据处理模块；
超声换能器(1)、固体板(3)、固体板底部目标(5)均位于水面(2)下；固体板底部目标(5)置于固体板(3)的下方，超声换能器(1)置于固体板(3)之上，且与固体板(3)相距Scm；超声换能器(1)倾斜θ角度；超声换能器(1)上还顺序连接信号发射器和示波器；
所述数据处理模块，用于根据超声换能器发射的θ角度、频率f的超声波在固体板中传播时间t1和t2，以及生成的漏兰姆波模式的群速度Cg，可计算得到固体板底部目标平移的距离L′，实现可对固体板底部目标的位置变化进行感知。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述θ＝arcsin(Cw/Cp)，其中，Cp为兰姆波的相速度；Cw为声速。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述固体板(3)为不透明金属板。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数据处理模块具体包括：
数据接收单元，用于接收超声换能器发射的θ角度、频率f的超声波在固体板中传播时间t1和t2；
处理单元，用于根据超声换能器发射的θ角度、频率f的超声波在固体板中传播时间t1和t2；计算得到固体板底部目标平移的距离L′：
L′＝(t2-t1)Cg (1)
其中，Cg为生成的漏兰姆波模式的群速度。
5.一种基于漏兰姆波的感知固体板底部目标的方法，该方法基于权利要求1-4中任一所述的装置实现，所述方法包括：
获取超声换能器发射的θ角度、频率f的超声波在固体板中传播时间t1；
移动固体板底部目标L距离，获取超声换能器发射的θ角度、频率f的超声波在固体板中传播时间t2；
根据超声换能器发射的θ角度、频率f的超声波在固体板中传播时间t1和t2；计算得到固体板底部目标平移的距离L′，实现可对固体板底部目标的位置变化进行感知。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述获取超声换能器发射的θ角度、频率f的超声波在固体板中传播时间t1；具体包括：
信号发射器发射电信号至超声换能器(1)，超声换能器(1)将电信号转换为超声波，并以入射角θ角度、频率f的超声波发射至浸入水中的固体板(3)中，形成兰姆波；泄露到水中的漏兰姆波以θ角度、频率f的平面波入射到固体板底部目标(5)的外表面上，并与固体板底部目标(5)发生相互作用，形成具有θ角度、频率f的反射波，该反射波经固体板底部目标的外表面反射回固体板，激励出相同的漏兰姆波，并通过固体板沿原入射路径返回至超声换能器(1)，超声换能器(1)接收反射回的漏兰姆波，并通过示波器显示反射回的漏兰姆波及其传播时间t1。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述移动固体板底部目标L距离，获取超声换能器发射的θ角度、频率f的超声波在固体板中传播时间t2；具体包括：
移动固体板底部目标L距离后，信号发射器再次发射电信号至超声换能器(1)，超声换能器(1)将电信号转换为超声波，并以入射角θ角度、频率f的超声波发射至浸入水中的固体板(3)中，形成兰姆波；泄露到水中的漏兰姆波以θ角度、频率f的平面波入射到固体板底部目标的外表面上，并与固体板底部目标发生相互作用，形成具有θ角度、频率f的反射波，该反射波经固体板底部目标的外表面反射回固体板，激励出相同的漏兰姆波，并通过固体板沿原入射路径返回至超声换能器(1)，超声换能器(1)接收反射回的漏兰姆波，并通过示波器显示反射回的漏兰姆波及其传播时间t2。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据超声换能器发射的θ角度、频率f的超声波在固体板中传播时间t1和t2；计算得到固体板底部目标平移的距离L′；具体包括：
L′＝(t2-t1)Cg (1)
其中，Cg为生成的漏兰姆波模式的群速度。
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