CN110849970A - 材料力学属性信息的测量方法、装置及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种材料力学属性信息的测量方法、装置及系统，该方法包括：向待测材料加载不同频率的激励信号；测量不同频率激励信号下待测材料表面波信号或界面波信号的运动信息，其中，运动信息包括：波速和频散信息，表面波信号或界面波信号是通过至少两个超声换能器采集的待测材料表面或内部界面的超声波信号；根据不同频率激励信号下待测材料表面波信号或界面波信号的运动信息，确定待测材料的力学属性信息；输出待测材料的力学属性信息。本发明基于超声换能器对材料表面波或界面波的运动信息进行测量，能够实现对薄膜包裹材料或其他包裹材料或处于特殊环境的材料的力学属性信息进行反演。

Description

材料力学属性信息的测量方法、装置及系统
技术领域
本发明涉及材料力学特性测量领域，尤其涉及一种材料力学属性信息的测量方法、装置及系统。
背景技术
本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明实施例提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。
众所周知，材料在受到外界力学激励时，材料表面及材料内部各相的界面会有表面波或界面波信号传播。而表面波、界面波信号的传播属性(例如，波波速、频散特性)与材料本身的力学性质息息相关，因而，通过对材料施以合适的力学激励，用合理的方式对表面波或界面波信号信号进行采集，并用合理的算法对采集的信号进行处理，即可反演材料的力学属性。
目前，现有技术大多通过压电传感器采集待测材料的表面波信号，进而根据表面波信号来对待测材料的力学属性信息进行反演，这种方案存在如下不足：①由于压电传感器需要与材料直接接触，不适用于一些浸没在特殊液体环境中的材料或生物材料(例如，用于移植的肝脏等)；②由于压电传感器很难测量到待测材料内部的运动信号，因而，如果待测材料是由待测体被其他材料包裹(例如，肌肉被其表层皮肤包裹、超声体模被表面涂层包裹等)的材料，材料分层结构未知，根据采集到的表面波信号难以反演出待测材料的力学属性信息。
针对上述问题，目前尚未有解决的方案。
发明内容
本发明实施例提供一种材料力学属性信息的测量方法，用以解决现有技术通过压电传感器采集的材料表面波形信号来对材料力学属性信息进行反演的方案，不适用于包裹材料的技术问题，该方法包括：向待测材料加载不同频率的激励信号；测量不同频率激励信号下待测材料表面波信号或界面波信号的运动信息，其中，运动信息包括：波速和频散信息，表面波信号或界面波信号是通过至少两个超声换能器采集的待测材料表面或内部界面的超声波信号；根据不同频率激励信号下待测材料表面波信号或界面波信号的运动信息，确定待测材料的力学属性信息；输出待测材料的力学属性信息。
本发明实施例还提供一种材料力学属性信息的测量系统，用以解决现有技术通过压电传感器采集的材料表面波形信号来对材料力学属性信息进行反演的方案，不适用于包裹材料的技术问题，该系统包括：控制器、加载装置、信号采集装置、信号处理装置和输出设备，信号采集装置包括：至少两个超声换能器；其中，加载装置，用于向待测材料加载不同频率的激励信号；信号采集装置，用于通过至少两个超声换能器采集待测材料在不同频率激励信号下表面波信号或界面波信号的运动信息，其中，运动信息包括：波速和频散信息；信号处理装置，用于根据待测材料在不同频率激励信号下表面波信号或界面波信号的运动信息，确定待测材料的力学属性信息；输出设备，用于输出待测材料的力学属性信息。
本发明实施例还提供一种材料力学属性信息的测量装置，用以解决现有技术通过压电传感器采集的材料表面波形信号来对材料力学属性信息进行反演的方案，不适用于包裹材料的技术问题，该装置包括：控制模块、加载模块、信号采集模块、信号处理模块和输出模块；其中，加载模块，用于向待测材料加载不同频率的激励信号；信号采集模块，与加载模块连接，用于测量不同频率激励信号下待测材料表面波信号或界面波信号的运动信息，其中，运动信息包括：波速和频散信息，表面波信号或界面波信号是通过至少两个超声换能器采集的待测材料表面或内部界面的超声波信号；信号处理模块，与信号采集模块连接，用于根据不同频率激励信号下待测材料表面波信号或界面波信号的运动信息，确定待测材料的力学属性信息；输出模块，与信号处理模块连接，用于输出待测材料的力学属性信息；其中，控制模块，与加载模块、信号采集模块、信号处理模块和输出模块分别连接，用于控制加载模块、信号采集模块、信号处理模块和输出模块执行相应的功能。
本发明实施例还提供一种计算机设备，用以解决现有技术通过压电传感器采集的材料表面波形信号来对材料力学属性信息进行反演的方案，不适用于包裹材料的技术问题，该计算机设备包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述材料力学属性信息的测量方法。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，用以解决现有技术通过压电传感器采集的材料表面波形信号来对材料力学属性信息进行反演的方案，不适用于包裹材料的技术问题，该计算机可读存储介质存储有执行上述材料力学属性信息的测量方法的计算机程序。
本发明实施例中，基于超声换能器测量材料表面波或界面波的运动信息，进而基于材料表面波或界面波运动信息反演材料力学属性信息，在向待测材料加载不同频率的激励信号后，通过超声换能器采集的待测材料表面或内部界面的超声波信号，进而测量不同频率激励信号下待测材料表面波信号或界面波信号的运动信息(包括但不限于波速和频散信息)，然后根据不同频率激励信号下待测材料表面波信号或界面波信号的运动信息，确定待测材料的力学属性信息，最后输出待测材料的力学属性信息。
通过本发明实施例，由于超声换能器不仅能够采集材料表面的超声波信号，还能够测量材料内部界面的超声波信号，使得本发明实施例既可用于测量单相材料的表面波，又可用于测量薄膜包裹材料或其他包裹材料的表面波和界面波，而且因超声可以穿过液体，使得超声换能器无需与待测材料直接接触，能够适用于特殊环境下软材料(例如，浸泡在生理液体环境中的生物组织)力学属性信息的测量。
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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为本发明实施例中提供的一种材料力学属性信息的测量系统示意图；
图2为本发明实施例中提供的一种将超声探头固定于特定位置点的示意图；
图3为本发明实施例中提供的一种将超声探头固定于滑轨的示意图；
图4为本发明实施例中提供的一种材料力学属性信息的测量方法流程图；
图5为本发明实施例中提供的一种可选的对材料力学属性信息进行测量的整体实现流程图；
图6为本发明实施例中提供的一种通过机械激励和超声换能器测量单相材料力学属性信息的示意图；
图7为本发明实施例中提供的一种超声换能器测得的运动信号示意图；
图8为本发明实施例中提供的一种超声换能器测得的频散曲线示意图；
图9为本发明实施例中提供的一种通过机械激励和超声换能器测量薄膜包裹材料力学属性信息的示意图；
图10为本发明实施例中提供的一种材料力学属性信息的测量装置图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
在本说明书的描述中，所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。参考术语“一个实施例”、“一个具体实施例”、“一些实施例”、“例如”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。各实施例中涉及的步骤顺序用于示意性说明本申请的实施，其中的步骤顺序不作限定，可根据需要作适当调整。
如本申请背景技术部分介绍的内容，现有对材料力学属性信息测量的方案是基于基于压电传感器测量的表面波信号进行反演的，这种方式无法适用于具有包裹材料的待测材料以及特殊环境下材料的力学属性测量。
发明人经研究发现，超声换能器(也称超声传感器)能够测到其下各个位置的超声波信号，由此，本发明实施例基于超声换能器实现对待测材料表面或内部界面超声波信号运动信息(包括但不限于波速和频散信息)的测量，进而基于材料表面波或界面波运动信息反演待测材料的力学属性信息，能够适用于薄膜包裹材料或其他包裹材料或特殊环境下材料(例如，肌肉被其表层皮肤包裹、超声体模被表面涂层包裹等)的力学属性测量。
需要注意的是，软材料弹性模量低，在外界微小激励下往往呈现出高度非线性的变形行为；此外，软物质的力学性质对环境敏感(例如，软物质在空气、水、不同PH值的溶液中会呈现截然不同的力学性质)。因此，提供一种能够在各种工作条件下测量软材料力学属性信息的方案，具有十分重要的意义。
由此，本发明实施例提供了一种材料力学属性信息的测量系统，结构简单，成本低廉；对待测材料的形状、结构适应性强；能够在一定程度上根据待测体的性质改变仪器参数，从而提高测量结果的准确性、稳定性。
图1为本发明实施例中提供的一种材料力学属性信息的测量系统示意图，如图1所示，该系统可以包括：控制设备10、加载装置20、信号采集装置30、信号处理装置40和输出设备50，信号采集装置30包括：至少两个超声换能器(图1中仅示出了两个超声换能器，即第一超声换能器30-1和第二超声换能器30-2)；
其中，加载装置20，用于向待测材料加载不同频率的激励信号；
信号采集装置30，用于通过至少两个超声换能器采集待测材料在不同频率激励信号下表面波信号或界面波信号的运动信息，其中，运动信息包括：波速和频散信息；
信号处理装置40，用于根据待测材料在不同频率激励信号下表面波信号或界面波信号的运动信息，确定待测材料的力学属性信息；
输出设备50，用于输出待测材料的力学属性信息。
需要说明的是，上述待测材料可以是但不行限于单相材料、包裹材料(薄膜包裹材料或其他包裹材料)，以及处于特殊环境(例如，液体环境)中的材料。
可选地，上述输出设备50可以包括但不限于：显示屏50-1和打印机50-2。
可选地，如图1所示，本发明实施例提供的材料力学属性信息的测量系统中，加载装置20可以包括：信号发生器20-1和激振器20-2，信号发生器用于产生不同频率的激励信号，激振器用于向待测材料加载不同频率的激励信号。其中，激振器20-2可以是但不限于模态激振器，除模态激振器以外，偏心振动马达、压电晶片等与信号发生器20-1结合，也可以构成用于向待测材料加载激励信号的加载装置20。
优选地，本发明实施例中的超声换能器可以采用单晶超声探头或多晶超声探头，用于采集待测材料表面或内部界面的运动信号(表面波或界面波)，从而追踪加载模块加载引发的运动信号的传播过程。
需要注意的是，本发明实施例提供的材料力学属性信息的测量系统中，各个超声换能器与激振器的相对位置是可以手动或自动手调整的。作为一种优选的实施方式，本发明实施例提供的材料力学属性信息的测量系统还可以包括：机械手或滑轨，以便控制设备10通过机械手或滑轨调整各个超声换能器与激振器之间的距离，以及各个超声换能器之间的距离。通过机械手或滑轨，实现超声换能器位置的自动调整，有助于提高材料力学属性信息测量的准确性。
本发明实施例中各个超声换能器位置的调整方式包括但不限于通过机械手或滑轨来调整，只要是基于激励信号的频率改变各个超声换能器与激振器之间距离，以及各个超声换能器之间的距离从而达到更好测量效果的方案，均属于本发明保护的范围。实际实施过程中，可以将各个超声探头固定于模具板上的特定位点；也可以通过滑轨，使得超声探头的位置沿着两个或多个方向的滑轨运动，进而实现位置的调整。图2为本发明实施例中提供的一种将超声探头固定于特定位置点的示意图；图3为本发明实施例中提供的一种将超声探头固定于滑轨的示意图。
进一步地，控制设备10可以根据测量结果自动调整各个超声换能器与激振器之间的距离，以及各个超声换能器之间的距离，以便达到更好的测量效果。
本发明实施例中还提供了一种材料力学属性信息的测量方法，可以用于但不但不限于图1所示的控制设备中。
图4为本发明实施例中提供的一种材料力学属性信息的测量方法流程图，如图4所示，该方法可以包括如下步骤：
S401，向待测材料加载不同频率的激励信号。
需要说明的是，上述S401中的待测材料可以包括：单相材料和具有包裹材料的待测材料(例如，薄膜包裹材料或处于特殊环境的待测材料)，其中，单相材料可以包括：单相粘性材料和单相弹性材料。
作为一种可选的实施方式，本发明实施例提供的材料力学属性信息的测量方法可以通过如下步骤来实现对单相粘性材料和单相弹性材料的区分：获取待测材料分别在第一频率和第二频率激励信号下表面波信号的第一相速度和第二相速度，其中，第一频率大于第二频率；计算第一相速度和第二相速度的比值；如果第一相速度和第二相速度的比值大于相速度比预设阈值，则确定单相材料为单相粘性材料；如果第一相速度和第二相速度的比值小于或等于相速度比预设阈值，则确定单相材料为单相弹性材料。
S402，测量不同频率激励信号下待测材料表面波信号或界面波信号的运动信息，其中，运动信息包括：波速和频散信息，表面波信号或界面波信号是通过至少两个超声换能器采集的待测材料表面或内部界面的超声波信号。
需要说明的是，在测量不同频率激励信号下待测材料表面波信号或界面波信号的运动信息之前，本发明实施例提供的材料力学属性信息的测量方法还可以包括：根据激励信号的频率，调整对待测材料表面波信号或界面波信号进行测量的测量参数，其中，测量参数包括：向待测材料加载激励信号的幅度、测点与激励点之间的距离，以及各个测点之间的距离。
作为一种可选的实施方式，可以通过如下公式确定对待测材料表面波信号或界面波信号进行测量的测量参数：
f×l＝C1 (1)
f×d＝C2 (2)
其中，f表示激励信号的频率；l表示测点与激励点之间的距离；d表示各个测点之间的距离；C1和C2表示常数。
S403，根据不同频率激励信号下待测材料表面波信号或界面波信号的运动信息，确定待测材料的力学属性信息。
需要说明的是，上述S403可以包括但不限于如下三种方式：
如果待测材料为单相粘性材料，则根据粘弹性本构模型的表面波频散信息，确定待测材料的粘弹性参数；
如果待测材料为单相弹性材料，则根据待测材料的表面波波速、泊松比、材料密度，确定待测材料的剪切模量和杨氏模量，其中，待测材料的表面波波速等于待测材料在不同频率激励信号下测量得到的多个表面波波速的平均值或中位值；
如果待测材料为具有包裹材料的待测材料，则根据待测材料的界面波信号波速、泊松比、材料密度，确定待测材料的剪切模量和杨氏模量，其中，待测材料的界面波信号波速等于待测材料满足预设收敛条件的情况下，待测材料在不同频率激励信号下测量得到的多个界面波信号波速的平均值或中位值，预设收敛条件为：待测材料在不同频率激励信号下测量得到的多个界面波信号波速中最大波速与最小波速的比值未超过第一预设阈值，且最低频率激励信号下测量得到的界面波信号的波长与包裹材料的厚度的比值超过第二预设阈值。
其中，当待测材料未满足预设收敛条件的情况下，逐次降低向待测材料加载激励信号的频率，并在每次降低激励信号频率的情况下，测量待测材料在降低频率的激励信号下界面波信号的运动信息，直到待测材料的界面波信号速满足预设收敛条件。
作为一种可选的实施方式，在逐次降低向待测材料加载激励信号的频率的时候，每次降低的激励信号的频率可以为相邻上一次最低频率激励信号频率的一半。
另外，还需要说明的是，当待测材料为单相粘性材料或具有包裹材料的待测材料的情况下，本发明实施例提供的材料力学属性信息的测量方法还可以包括：采用插值方式，自适应调整各个频率激励信号下对待测材料表面波信号或界面波信号进行测量的测量参数。
可选地，本发明实施例通过如下公式确定待测材料的剪切模量和杨氏模量：
Figure BDA0002276581640000081
E＝2μ(1+ν) (4)
其中，μ表示剪切模量；E表示杨氏模量；ρ表示待测材料的密度；ν表示泊松比；CR表示表面波波速或界面波波速。
此处需要注意的是，当待测材料为单相弹性材料的时候，利用上述公式计算剪切模量的时候，CR表示表面波波速；当待测材料为具有包裹材料的待测材料的时候，利用上述公式计算剪切模量的时候，CR表示界面波波速。
S404，输出待测材料的力学属性信息。
需要说明的是，上述S404中，可以根据实际测量需求，选择不同的方式(例如，报告或图表)将待测材料的力学属性信息输出，例如，通过显示屏50-1显示，或通过打印机50-2打印成测试报告。
为了确保所有频率激励信号下通过超声换能器采集的待测材料的表面波或界面波的运动信号是可用的，在测量不同频率激励信号下待测材料表面波信号或界面波信号的运动信息之后，在一种可选的实施例中，本发明实施例提供的材料力学属性信息的测量方法还可以包括如下步骤：判断待测材料表面或内部界面上各个测点采集的超声波信号是否满足可用信号预设条件，其中，可用信号预设条件为：各个测点采集的超声波信号的信噪比均高于信噪比预设阈值，且各个测点采集的超声波信号的信号衰减量低于信号衰减量预设阈值；当待测材料表面或内部界面上各个测点采集的超声波信号未满足可用信号预设条件的情况下，重新调整对待测材料表面波信号或界面波信号进行测量的测量参数。
图5为本发明实施例中提供的一种可选的对材料力学属性信息进行测量的整体实现流程图，下面结合图5来对本发明实施例提供的材料力学属性信息的测量方法进行详细说明。如图5所示，包括如下步骤：
步骤一，获取外部输入判断待测材料是单相材料还是薄膜包裹材料的信息。需要注意的是，在判断待测材料是单相材料还是薄膜包裹材料的时候，操作者可通过肉眼观察、制造商的加工信息、超声图像、材料学知识进行判断。例如，整块猪肉、均匀超声体模应被视为是单相材料；肌肉连同包裹它的皮肤，应被视为薄膜包裹材料。
步骤二，如果待测材料为单相材料，则通过如下步骤(1)～(10)测得材料的表面波频散信息，并通过表面波频散信息获取材料的弹性性质和粘性性质；图6为本发明实施例中提供的一种通过机械激励和超声换能器测量单相材料力学属性信息的示意图，如图6所示，图标601表示待测体(即待测材料)，图标602表示液相环境或超声耦合剂。
(1)根据预先获取到的待测材料的材料信息，调整超声换能器与激振器之间的距离l，以及各个超声换能器换能器之间的距离d。
其中，需要调整超声换能器与激振器之间的距离l的原因在于：表面波在传播中存在各种耗散，若l过大，则超声换能器测得的信号的信噪比过低；需要调整各个超声换能器换能器之间的距离d的原因在于：对于高频表面波，若d与表面波的特征波长的比过高，则由于相位纠缠(波动学中的专业术语，直接引用就可以)，表面波速测量结果容易失准，而且信噪比容易降低；而低频表面波的波长较大，若d与表面波的特征波长的比过低，则由于相位差计算的偏差较高，所测波速的误差较大。
需要注意的是，由于根据待测材料确定l和d是一个力学领域的专业问题；使用者不应被l要求掌握这些知识；而且，待测材料的性质往往是未知的；所以，使用者只需根据材料性质预设一个接近的值，然后由系统根据测量结果进行调整。
本发明实施例考虑到仪器的测试范围，给出如下几种预设，使用者需根据待测材料的大致软硬程度，选择一个预设值开始。几种典型材料相应的预设值如表1所示。若待测材料性质与给定预设的几种材料都不同，系统将自动选择明胶的预设值，即l＝d＝10mm开始测量。
表1几种典型材料的l和d的预设值
Figure BDA0002276581640000101
(2)试测：在确定预设后，测量f＝100Hz,200Hz,500Hz,1000Hz下的表面波信号。测量具体步骤如下：
①对给定的振动频率f＝100Hz，控制设备发出控制信号，将l与d设定为步骤(1)中的值；而后，控制设备对加载装置发出启动信号，同时对信号采集装置发出启动信号。
②加载装置接收到来自控制设备的启动信号后，以控制位移的形式或控制载荷的形式，在材料表面施加给定频率，给定幅度(记幅度为A)的振动；振动一定次数(例如，5～10次)后停止振动。
③在步骤②开始的同时，信号采集装置接收到来自控制设备的启动信号，超声换能器发射超声波信号，然后接收、记录来自超声换能器下方的回波信号。要求脉冲重复频率(Pulse Repetion Rate)达到5000Hz以上；记录时间50ms以上。
④分别取若干振动频率(典型地，取f＝250Hz,500Hz,1000,1500Hz)，重复上述步骤，直至获得所有频率下的测试信号。需要特别强调的是，在每更改一个频率后，l和d的值应根据频率的升高而下降。作为一个可选的实施例，令频率f与l的乘积为一个常数；令频率f与d的乘积为一个常数。
(3)运动信号提取：对超声信号进行相关运算或采用基于多普勒超声的运动测量方法(为现有技术，此处不再赘述)，从超声信号中提取待测材料表面上两点的运动信息。典型的运动信息包括：表面上两点的位移/速度/加速度随着时间的变化。典型的运动信息如图7所示，一条线代表距离激振器较近的超声换能器测得的结果；另一条线线代表距离激振器较远的超声换能器测得的结果。
(4)运动信号检查：对每个激励频率f下测得的运动信号进行检查，以确定所有频率下测得的运动信号可用。检查主要针对以下几个指标：
信噪比：为了能够准确测得频散曲线，运动信号必须有足够的信噪比(SNR)。信噪比的定义有很多方法。考虑到激励是单频率f的，一种操作方法是：对每个超声换能器测得的运动信号，将0.7f～1.3f带通滤波后的信号作为可用信号；以1.3f以上的信号作为噪声。将二者的强度比例作为信噪比；并要求如此定义的信噪比大于等于一个信噪比阈值(例如，10dB)。
信号衰减量：在一些粘性耗散较强的材料中，信号在传播过程中强烈衰减。如果信号在经过两个测量点途中衰减过于严重，则最终测量结果会受到比较严重的影响。为此，定义信号衰减水平为：第二测点(距离激励点较远的测点)上测得的可用信号与第一测点(距离激励点较近的测点)可用信号的强度比例作为信号衰减水平。当信号衰减水平小于一个信号衰减量阈值(例如，-5dB)时，确定信号衰减水平过强，测量不满足要求。
需要注意的是，若在某个激励频率f下，上述指标不满足要求时，要求对该激励频率f进行重新测量，且激励强度A、间距l与间距d要进行相应调整。典型地，当信噪比水平不满足要求时，则要求激励强度A变为原来的2倍，或间距l变成原来的1/2；当信号衰减水平不满足要求时，要求间距d变为原来的1/2。
只要某个激励频率f下测得的信号存在指标不满足要求，就要调整参数在该激励频率下重新进行测量(即重复上述(2)～(4)的步骤)，直至所有激励频率下测得的运动信号都满足上述指标。
(5)控制参数记录：经过步骤(4)的调整，各个试测频率下的控制参数(激励强度A、间距l与间距d)被改变到合理的值。控制设备将这些控制参数记录下来。
(6)频散信号分析：对测得的运动信号，采用Fourier变换求相位差、基于小波变换的频散分析方法(以上两点都属于现有技术，可以直接引用)，求得运动信号的频散曲线。典型的频散曲线如图8所示。
(7)判断待测材料是弹性介质还是粘性介质。在粘性较强的介质中，不同频率的表面波的相速度差异很大(也就是所谓的粘弹性频散)。可以选取一个指标来度量粘弹性频散的程度。典型地，该指标可以是1500Hz下测得的相速度与100Hz下测得的相速度的比；若该指标超过某一阈值(如两个相速度的比超过1.3)，则认为该介质具有很强的粘性，否则，认为该介质是弹性的。
(8)若步骤(7)确定待测材料为弹性介质，则取试测过程中测得的不同频率下的表面波速的某种统计值(如平均值、中位数等)作为测得的表面波速CR；利用上述公式(3)和公式(4)通过表面波速CR、泊松比ν、材料密度ρ即可算得材料的剪切模量μ和杨氏模量E。其中，材料密度ρ和泊松比ν需要测试者通过查阅手册或进行独立实验测得。
(9)若步骤(7)确定待测材料为粘性介质，则需要测得表面波在整个频段内的频散曲线。
例如，设置频率f以一个步长(例如50Hz)遍历整个频率区间(100～1500Hz)。重复步骤(2)、步骤(3)步骤(4)和步骤(6)。其中，在各个频率下的控制参数激励强度A、间距l与间距d通过步骤(5)记录的控制参数在频率f上的某种插值(如线性插值)得到。最后，根据粘弹性材料本构(如Voigt本构模型)的表面波频散关系，通过拟合等方法，测得材料的粘性参数。
需要注意的是，采用插值方法来确定各个频率下测量的控制参数有利于提高测试的成功率和精度。
(10)如果步骤(7)确定待测材料为弹性介质，则输出设备将测得的材料弹性值显示在屏幕上或打印在测试报告上；如果步骤(7)确定待测材料为粘性介质，则输出设备将测得的材料的弹性值、粘性值显示在屏幕或打印在测试报告上。
步骤三，在经过步骤一确定待测材料为薄膜包裹材料后，通过如下步骤(1)～(9)测得材料的界面波频散信息，并通过界面波频散信息获得待测体的弹性性质。图9为本发明实施例中提供的一种通过机械激励和超声换能器测量薄膜包裹材料力学属性信息的示意图，如图9所示，图标601表示待测体(即待测材料)，图标602表示液相环境或超声耦合剂，图标603表示包裹待测体的包裹材料。整个测量的步骤大致与表面波相近。
(1)操作者根据对待测体(待测体是指被包裹的相)属性的理解，在预设中选择一项。控制设备调整超声换能器距激振器的距离l、换能器之间的距离d。
(2)在预设确定后，试测f＝50Hz,100Hz,200Hz,500Hz下的界面波信号。严格来说，此处所指的界面波有两个含义。以下，称在待测体与包裹材料的界面上传播的波为第一界面波；称在包裹材料的外表面上传播的波为第二界面波。测量界面波信号与测量表面波信号是一致的。由于超声换能器能够测得换能器以下各个位置的振动波形，所以第一界面波与第二界面波传播的信息是同时被记录的。
(3)运动信号提取：对超声信号进行处理，得到第一界面波在两测量点的运动信息和第二界面波在两测量点的运动信息。处理方法同表面波。
(4)运动信号检查：对步骤(2)所述的每个激励频率f，对测得的信号进行检查，以确定所有频率下测得的运动信号可用。检查内容与方法均与表面波相同。
(5)控制参数记录：经过步骤(4)的调整，各个试测频率下的控制参数(激励强度A、间距l与间距d)被改变到合理的值。控制设备将这些控制参数记录下来。
(6)频散信号分析：对测得的运动信号，采用Fourier变换求相位差、基于小波变换的频散分析方法(以上两点都属于现有技术，可以直接引用)，求得运动信号的频散曲线。
(7)确定低频界面波波速是否收敛到确定值。通过步骤(6)，测得了在激励频率f＝50Hz,100Hz,200Hz下的第一界面波波速和第二界面波波速。若这六个波速中的最大值与最小值的比值不超过某个设定阈值(例如，阈值等于1.1)，并且最低频率下的界面波波长与包裹材料的厚度(该厚度可以通过加工制造信息确定，或通过超声换能器通过超声波测得)的比超过了另一个设定阈值，则认为低频界面波的波速已经收敛。取这六个波速的某种统计量(如平均值、中位数等)作为低频界面波波速的收敛极限CR；利用上述公式(3)和公式(4)通过界面波速CR、泊松比ν、材料密度ρ即可算得材料的剪切模量μ和杨氏模量E。其中，材料密度ρ和泊松比ν需要测试者通过查阅手册或者进行独立实验测得。
(8)若步骤(7)确定低频波速没有收敛到确定值，则需要以某种方式继续减小激励频率f，直到低频波速收敛到一个确定的值。一种实施方法是，取最近一次测试的最低频率的一半进行测试，测得其界面波速。比较当前三个最小激励频率f下测得的第一界面波速和第二界面波速，若其中最大值与最小值之比不超过某个设定阈值，则认为低频界面波的波速已经收敛。按步骤(7)的方法算得材料剪切模量μ和杨氏模量E。
(9)将步骤(7)或步骤(8)测得的待测体的剪切模量μ和杨氏模量E显示在屏幕上，或以测试报告的形式打印在测试报告上。
基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种材料力学属性信息的测量装置，如下面的实施例所述。由于该装实施例解决问题的原理与材料力学属性信息的测量方法相似，因此该装置实施例的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。
图10为本发明实施例中提供的一种材料力学属性信息的测量装置图，如图10所示，该装置可以包括：控制模块101、加载模块102、信号采集模块103、信号处理模块104和输出模块105；
其中，加载模块102，用于向待测材料加载不同频率的激励信号；
信号采集模块103，与加载模块102连接，用于测量不同频率激励信号下待测材料表面波信号或界面波信号的运动信息，其中，运动信息包括：波速和频散信息，表面波信号或界面波信号是通过至少两个超声换能器采集的待测材料表面或内部界面的超声波信号；
信号处理模块104，与信号采集模块103连接，用于根据不同频率激励信号下待测材料表面波信号或界面波信号的运动信息，确定待测材料的力学属性信息；
输出模块105，与信号处理模块104连接，用于输出待测材料的力学属性信息；
其中，控制模块101，与加载模块102、信号采集模块103、信号处理模块104和输出模块105分别连接，用于控制加载模块102、信号采集模块103、信号处理模块104和输出模块105执行相应的功能。
在一种可选的实施例中，本发明实施例提供的材料力学属性信息的测量装置中，控制模块101还用于根据激励信号的频率，调整对待测材料表面波信号或界面波信号进行测量的测量参数，其中，测量参数包括：向待测材料加载激励信号的幅度、测点与激励点之间的距离，以及各个测点之间的距离。
可选地，控制模块101用于通过上述公式(1)和公式(2)确定对待测材料表面波信号或界面波信号进行测量的测量参数。
在一种可选的实施例中，本发明实施例提供的材料力学属性信息的测量装置中，控制模块101还用于判断待测材料表面或内部界面上各个测点采集的超声波信号是否满足可用信号预设条件，其中，可用信号预设条件为：各个测点采集的超声波信号的信噪比均高于信噪比预设阈值，且各个测点采集的超声波信号的信号衰减量低于信号衰减量预设阈值；当待测材料表面或内部界面上各个测点采集的超声波信号未满足可用信号预设条件的情况下，重新调整对待测材料表面波信号或界面波信号进行测量的测量参数。
基于上述任意一种可选的装置实施例，本发明实施例提供的材料力学属性信息的测量装置中，待测材料可以包括：单相材料和具有包裹材料的待测材料，单相材料包括：单相粘性材料和单相弹性材料。
其中，当待测材料为单相材料的情况下，本发明实施例提供的材料力学属性信息的测量装置中，信号处理模块104还用于获取待测材料分别在第一频率和第二频率激励信号下表面波信号的第一相速度和第二相速度，其中，第一频率大于第二频率；计算第一相速度和第二相速度的比值；如果第一相速度和第二相速度的比值大于相速度比预设阈值，则确定单相材料为单相粘性材料；如果第一相速度和第二相速度的比值小于或等于相速度比预设阈值，则确定单相材料为单相弹性材料。
可选地，信号处理模块104还用于在待测材料为单相粘性材料的情况下，根据粘弹性本构模型的表面波频散信息，确定待测材料的粘弹性参数；在待测材料为单相弹性材料的情况下，根据待测材料的表面波波速、泊松比、材料密度，确定待测材料的剪切模量和杨氏模量，其中，待测材料的表面波波速等于待测材料在不同频率激励信号下测量得到的多个表面波波速的平均值或中位值；在待测材料为具有包裹材料的待测材料的情况下，根据待测材料的界面波信号波速、泊松比、材料密度，确定待测材料的剪切模量和杨氏模量，其中，待测材料的界面波信号波速等于待测材料满足预设收敛条件的情况下，待测材料在不同频率激励信号下测量得到的多个界面波信号波速的平均值或中位值，预设收敛条件为：待测材料在不同频率激励信号下测量得到的多个界面波信号波速中最大波速与最小波速的比值未超过第一预设阈值，且最低频率激励信号下测量得到的界面波信号的波长与包裹材料的厚度的比值超过第二预设阈值。
优选地，信号处理模块104用于通过上述公式(3)和公式(4)确定待测材料的剪切模量和杨氏模量。
在一种可选的实施例中，本发明实施例提供的材料力学属性信息的测量装置中，控制模块101还用于当待测材料未满足预设收敛条件的情况下，逐次降低向待测材料加载激励信号的频率，并在每次降低激励信号频率的情况下，测量待测材料在降低频率的激励信号下界面波信号的运动信息，直到待测材料的界面波信号速满足预设收敛条件。
可选地，每次降低的激励信号的频率为相邻上一次最低频率激励信号频率的一半。
在一种可选的实施例中，本发明实施例提供的材料力学属性信息的测量装置中，控制模块101还用于采用插值方式，自适应调整各个频率激励信号下对待测材料表面波信号或界面波信号进行测量的测量参数。
本发明实施例还提供一种计算机设备，用以解决现有技术通过压电传感器采集的材料表面波形信号来对材料力学属性信息进行反演的方案，不适用于包裹材料的技术问题，该计算机设备包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述材料力学属性信息的测量方法。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，用以解决现有技术通过压电传感器采集的材料表面波形信号来对材料力学属性信息进行反演的方案，不适用于包裹材料的技术问题，该计算机可读存储介质存储有执行上述材料力学属性信息的测量方法的计算机程序。
综上所述，本发明实施例提供一种材料力学属性信息的测量方法、装置、系统、计算机设备及计算机可读存储介质，可以实现但不限于如下技术效果：
①由于运动信号是通过超声方法测得的，因而既可以测量单相块体材料的表面波，又可以测量薄膜包裹材料的表面波和界面波；而且由于超声可以穿过液体，测量元件不必粘贴到待测材料表面，对材料的保护更好。这些优点在测量特殊环境下的软材料属性(例如，浸泡在生理液体环境中的生物组织)非常有用。
②现有技术在测量表面波/界面波时，激励强度A、测量元件(即超声换能器)与激振元件(即激振器)之间的距离l、测量元件之间的距离d一般是固定不动的；这种固定设置虽然使得仪器比较简单，但测量过程中容易出现信噪比低等问题；本发明实施采用自适应的方式对仪器参数进行调整，能够提高测量结果的准确性和稳定性。
③现有描述测试结果的分析方法，由表面波测得的材料属性存在一定偏差。本发明实施提供的公式能够更好地从波动信号推算材料的力学属性。
需要注意的是，本发明实施例中，本发明实施例以单频激励为例来进行说明，作为一种扩展的方案，也可以给出激励中心频率f附近一定带宽(如30％)的宽频激励。若施加这种宽频激励，后续的分析方法也应改为通过两测量点的信号直接计算激励中心频率附近的频散信息。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种材料力学属性信息的测量方法，其特征在于，包括：
向待测材料加载不同频率的激励信号；
测量不同频率激励信号下所述待测材料表面波信号或界面波信号的运动信息，其中，所述运动信息包括：波速和频散信息，所述表面波信号或所述界面波信号是通过至少两个超声换能器采集的所述待测材料表面或内部界面的超声波信号；
根据不同频率激励信号下所述待测材料表面波信号或界面波信号的运动信息，确定所述待测材料的力学属性信息；
输出所述待测材料的力学属性信息。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在测量不同频率激励信号下所述待测材料表面波信号或界面波信号的运动信息之前，所述方法还包括：
根据激励信号的频率，调整对所述待测材料表面波信号或界面波信号进行测量的测量参数，其中，所述测量参数包括：向所述待测材料加载激励信号的幅度、测点与激励点之间的距离，以及各个测点之间的距离。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，通过如下公式确定对所述待测材料表面波信号或界面波信号进行测量的测量参数：
f×l＝C1；
f×d＝C2；
其中，f表示激励信号的频率；l表示测点与激励点之间的距离；d表示各个测点之间的距离；C1和C2表示常数。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在测量不同频率激励信号下所述待测材料表面波信号或界面波信号的运动信息之后，所述方法还包括：
判断所述待测材料表面或内部界面上各个测点采集的超声波信号是否满足可用信号预设条件，其中，所述可用信号预设条件为：各个测点采集的超声波信号的信噪比均高于信噪比预设阈值，且各个测点采集的超声波信号的信号衰减量低于信号衰减量预设阈值；
当所述待测材料表面或内部界面上各个测点采集的超声波信号未满足所述可用信号预设条件的情况下，重新调整对所述待测材料表面波信号或界面波信号进行测量的测量参数。
5.如权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，所述待测材料包括：单相材料和具有包裹材料的待测材料，所述单相材料包括：单相粘性材料和单相弹性材料。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，当所述待测材料为单相材料的情况下，所述方法还包括：
获取所述待测材料分别在第一频率和第二频率激励信号下表面波信号的第一相速度和第二相速度，其中，所述第一频率大于第二频率；
计算所述第一相速度和所述第二相速度的比值；
如果所述第一相速度和所述第二相速度的比值大于相速度比预设阈值，则确定所述单相材料为单相粘性材料；
如果所述第一相速度和所述第二相速度的比值小于或等于相速度比预设阈值，则确定所述单相材料为单相弹性材料。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，根据不同频率激励信号下所述待测材料表面波信号或界面波信号的运动信息，确定所述待测材料的力学属性信息，包括：
如果所述待测材料为单相粘性材料，则根据粘弹性本构模型的表面波频散信息，确定所述待测材料的粘弹性参数；
如果所述待测材料为单相弹性材料，则根据所述待测材料的表面波波速、泊松比、材料密度，确定所述待测材料的剪切模量和杨氏模量，其中，所述待测材料的表面波波速等于所述待测材料在不同频率激励信号下测量得到的多个表面波波速的平均值或中位值；
如果所述待测材料为具有包裹材料的待测材料，则根据所述待测材料的界面波信号波速、泊松比、材料密度，确定所述待测材料的剪切模量和杨氏模量，其中，所述待测材料的界面波信号波速等于所述待测材料满足预设收敛条件的情况下，所述待测材料在不同频率激励信号下测量得到的多个界面波信号波速的平均值或中位值，所述预设收敛条件为：所述所述待测材料在不同频率激励信号下测量得到的多个界面波信号波速中最大波速与最小波速的比值未超过第一预设阈值，且最低频率激励信号下测量得到的界面波信号的波长与包裹材料的厚度的比值超过第二预设阈值。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，通过如下公式确定所述待测材料的剪切模量和杨氏模量：
Figure FDA0002276581630000031
E＝2μ(1+ν)；
其中，μ表示剪切模量；E表示杨氏模量；ρ表示待测材料的密度；ν表示泊松比；CR表示表面波波速或界面波波速。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
当所述待测材料未满足所述预设收敛条件的情况下，逐次降低向所述待测材料加载激励信号的频率，并在每次降低激励信号频率的情况下，测量所述待测材料在降低频率的激励信号下界面波信号的运动信息，直到所述待测材料的界面波信号速满足所述预设收敛条件。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，每次降低的激励信号的频率为相邻上一次最低频率激励信号频率的一半。
11.如权利要求7所述的方法，其特征在于，当所述待测材料为单相粘性材料或具有包裹材料的待测材料的情况下，所述方法还包括：
采用插值方式，自适应调整各个频率激励信号下对所述待测材料表面波信号或界面波信号进行测量的测量参数。
12.一种材料力学属性信息的测量系统，其特征在于，包括：控制器、加载装置、信号采集装置、信号处理装置和输出设备，所述信号采集装置包括：至少两个超声换能器；
其中，所述加载装置，用于向待测材料加载不同频率的激励信号；
所述信号采集装置，用于通过至少两个超声换能器采集所述待测材料在不同频率激励信号下表面波信号或界面波信号的运动信息，其中，所述运动信息包括：波速和频散信息；
所述信号处理装置，用于根据所述待测材料在不同频率激励信号下表面波信号或界面波信号的运动信息，确定所述待测材料的力学属性信息；
所述输出设备，用于输出所述待测材料的力学属性信息。
13.如权利要求12所述的系统，其特征在于，
所述加载装置包括：信号发生器和激振器，所述信号发生器用于产生不同频率的激励信号，所述激振器用于向所述待测材料加载不同频率的激励信号；
所述系统还包括：机械手或滑轨，其中，所述控制器还用于通过机械手或滑轨调整各个超声换能器与所述激振器之间的距离，以及各个超声换能器之间的距离。
14.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述输出设备包括：显示屏和打印机；
其中，所述显示屏，用于显示所述待测材料的力学属性信息；
所述打印机，用于打印测试报告，其中，所述测试报告中包含所述待测材料的力学属性信息。
15.一种材料力学属性信息的测量装置，其特征在于，包括：控制模块、加载模块、信号采集模块、信号处理模块和输出模块；
其中，所述加载模块，用于向待测材料加载不同频率的激励信号；
所述信号采集模块，与所述加载模块连接，用于测量不同频率激励信号下所述待测材料表面波信号或界面波信号的运动信息，其中，所述运动信息包括：波速和频散信息，所述表面波信号或所述界面波信号是通过至少两个超声换能器采集的所述待测材料表面或内部界面的超声波信号；
所述信号处理模块，与所述信号采集模块连接，用于根据不同频率激励信号下所述待测材料表面波信号或界面波信号的运动信息，确定所述待测材料的力学属性信息；
所述输出模块，与所述信号处理模块连接，用于显示所述待测材料的力学属性信息；
其中，所述控制模块，与所述加载模块、所述信号采集模块、所述信号处理模块和所述输出模块分别连接，用于控制所述加载模块、所述信号采集模块、所述信号处理模块和所述输出模块执行相应的功能。
16.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至11任一项所述材料力学属性信息的测量方法。
17.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有执行权利要求1至11任一项所述材料力学属性信息的测量方法的计算机程序。
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