CN110865123A - 一种计算激光声表面波频散曲线的方法 - Google Patents

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刘再蔚
梁小虎
杜安尧
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Abstract

本发明属于无损检测技术领域，具体涉及一种计算激光声表面波频散曲线的方法，包括如下步骤：利用脉冲激光在薄膜/基体的表层激发复频声表面波，在不同位置处拾取其垂直位移信号，通过对其进行同步压缩小波变换得到时频分布图，提取时频分布图中不同频率下能量峰值的时间信息，从而计算得到激光声表面波频散曲线。该方法计算激光声表面波频散曲线的准确度高。

Description

一种计算激光声表面波频散曲线的方法
技术领域
本发明属于无损检测技术领域，具体涉及一种计算激光声表面波频散曲线的方法。
背景技术
声表面波(SAW)是瑞利在1885年研究地震波时发现的。它是沿着表面传播的弹性波，其穿透深度约为一个波长。20世纪大量压电材料的产生为声表面波研究提供了必要的材料基础，并逐渐得到实际应用。激光器的产生和发展突破了只能由压电材料产生声表面波的局限性。从此以后，激光声表面波(LSAW)被逐渐应用于表面性质的研究，并成为无损检测的研究热点。
声表面波速度的相对变化是测量表面性质的主要标准，在残余应力、弹性常数及硬度等表面性质的测量方面都显示出不同程度的成功。然而该方法获得的测量值是相关表面性质在一定深度范围内的平均值，并不能表征其在深度方向上的分布。由于LSAW是宽频带波，并且不同频率的声表面波对应的波长不同，因此当LSAW在非均匀介质中传播时会发生频散现象。目前，该现象已成功应用于分层介质的力学性能测试。LSAW在分层介质中传播的频散现象主要由频散曲线表征，因此频散曲线的计算对于表面性质的准确反演至关重要。在通常情况下，通过对LSAW进行快速傅立叶变换获得相速度频散曲线，但是由于LSAW是瞬态非周期性信号，因此该计算方法具有较大的误差。当前针对非平稳信号的分析主要是基于时频分析方法，连续小波变换(CWT)已经被用来计算群速度频散曲线。但是CWT时频图的分辨率低，并且容易在频率方向上扩展，因此所得到的频散曲线仍然不准确。
综上可知，相关技术存在缺陷，亟待完善。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种计算激光声表面波频散曲线的方法，提高了计算激光声表面波频散曲线的准确度。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种计算激光声表面波频散曲线的方法，包括如下步骤：
S1、利用脉冲激光在薄膜/基体结构的表层激发复频声表面波，在距离激发点2-10mm的范围内，拾取一组等间隔点的垂直位移信号，即声表面波信号；
S2、将垂直位移信号进行同步压缩小波变换，得到各点声表面波的时频分布图；
S3、设定能量阈值，将S2得到的时频分布图中的微弱信号剔除，通过提取处理后的时频分布图中不同频率下能量峰值的时间，并结合公式(1)得到激光声表面波的频散曲线；
公式(1)如下所示：
Figure BDA0002273563260000021
式中，Cg(f)是频率为f的激光声表面波的群速度,ti(f)和tj(f)分别是频率为f的激光声表面波到达xi和xj的时间。
与现有技术相比，本申请的有益效果是：1、相较于传统傅立叶变换方法，该方法计算得到的激光声表面波频散曲线相拥有更高的准确度；
2、基于同步压缩小波变换的时频分析很好地展现出了激光声表面波的能量分布及演变特点，为后续的相关研究奠定了基础。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例中的流程图；
图2为本发明实施例中薄膜/基体结构的有限元模型示意图；
图3为本发明实施例中距离激发源2mm处的声表面波信号图；
图4为本发明实施例中距离激发源4mm处的声表面波信号图；
图5为本发明实施例中距离激发源6mm处的声表面波信号图；
图6为本发明实施例中三个声表面波信号通过同步压缩小波变换得到的时频分布图；
图7为本发明实施例中理论及测试所得的群速度频散曲线。
具体实施方式
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。
如图1所示，一种计算激光声表面波频散曲线的方法，具体包括如下步骤：
S1、利用COMSOL有限元软件模拟LSAW在薄膜/基体结构中的传播，如图2所示。模型尺寸为20mm×3mm，其中基体材料为单晶硅，薄膜材料为ZnO，厚度为40μm；
S2、假设固体材料表面吸收的激光能量将全部转化为热能，并建立高斯分布的脉冲激光源，其函数表达为：
P＝P0I(t)g(O,e) (2)
Figure BDA0002273563260000041
Figure BDA0002273563260000042
式中，P是激光束功率，t0是脉冲上升时间，σ是光斑半径，e光束方向，O是激光束原点。P0＝2×104W，t0＝2ns，σ＝0.05mm,e＝(0,-1)；
S3、为了减少边界反射波对LSAW传播的影响，添加低反射边界条件(LBR)。在建模过程中使用变网格技术来平衡计算时间与解决方案的有效性。模型中热源加载区域的温度发生显着变化，因此需要较小的网格元素尺寸。对于SAW传播的表面，最大网格元素尺寸应小于LSAW最小波长的五分之一。对于该模型，热源附近的网格尺寸为5μm，传播表面的网格尺寸为10μm，剩余的网格尺寸为40μm；
S4、在距离激发源2mm、4mm和6mm处拾取表面波信号，如图3-4所示。对其进行同步压缩小波变换，得到如图6所示的时频分布图；
S5、提取各信号时频分布图中不同频率下能量峰值所在的时间信息，并结合公式(1)计算得到所测LSAW的频散曲线，如图7所示。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (1)

1.一种计算激光声表面波频散曲线的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、利用脉冲激光在薄膜/基体结构的表层激发复频声表面波，在距离激发点2-10mm的范围内，拾取一组等间隔点的垂直位移信号，即声表面波信号；
S2、将垂直位移信号进行同步压缩小波变换，得到各点声表面波的时频分布图；
S3、设定能量阈值，将S2得到的时频分布图中的微弱信号剔除，通过提取处理后的时频分布图中不同频率下能量峰值的时间，并结合公式(1)得到激光声表面波的频散曲线；
公式(1)如下所示：
Figure FDA0002273563250000011
式中，Cg(f)是频率为f的激光声表面波的群速度,ti(f)和tj(f)分别是频率为f的激光声表面波到达xi和xj的时间。
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