CN112362748B - 一种测量材料超声横波衰减系数与频率关系的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量材料超声横波衰减系数与频率关系的方法和装置，测量材料超声横波衰减系数与频率关系的方法包括以下步骤：确定底面耦合有测试块的缓冲块的耦合界面的反射系数；利用超声探头透过缓冲块向耦合在缓冲块底面的测试块发射不同频率的超声波信号；利用超声探头分别接收经测试块顶面反射的和经测试块底面反射的不同频率的超声波信号的回波信号；根据经测试块顶面和底面反射的回波信号并结合耦合界面的反射系数计算出不同频率的超声波信号对应的测试块的超声横波衰减系数；根据各个超声波信号的频率与各个超声波信号的频率对应的超声横波衰减系数拟合得到测试块的超声横波频域衰减曲线。

Description

一种测量材料超声横波衰减系数与频率关系的方法和装置

技术领域

本发明涉及超声技术领域，尤其涉及一种测量材料超声横波衰减系数与频率关系的方法和装置。

背景技术

在超声无损评价中，衰减系数是表征材料特性的重要参数之一，广泛应用于材料晶粒尺寸、孔隙率和疲劳等微观结构定量无损评价。相同的超声激发频率下横波比纵波具有更大衰减系数，因此在材料微观结构微小变化表征中具有一定的优势。由于超声横波的产生和传播方式与纵波有所不同，大多数测量纵波衰减系数的实验方法不能直接用于横波衰减系数的测量。因此，有必要提出一种有效的用于材料特性定量无损评价的实验测量超声横波衰减系数的方法。

超声衰减包括超声束扩散衰减、材料内部散射衰减和介质吸收衰减。实际实验测量的衰减系数为材料内部散射和介质吸收衰减两部分总和。很多研究者提出了测量超声横波衰减系数的实验方法。由于横波无法在液体介质中传播，因此利用水浸超声垂直入射方法测量横波衰减系数是不可行的。为了解决这个问题，有人提出了一种利用纵波斜入射通过波形转换成横波的水浸方法计算横波衰减系数，然而这种波形转换的方式很难区分衰减系数的来源是界面转换损失还是材料自身的属性，并且这种方法还受到测试块几何尺寸和自身特性的影响，实验测量误差取决于待测量衰减系数本身。

接触式直探头测量材料横波衰减系数是实际运用中采用的方便且有效的方法，有研究表明，用接触式探头测量衰减系数时，如果不考虑超声探头和材料界面处的部分反射系数，结果会造成较大的误差。为此另一相关技术提出了利用耦合界面部分反射系数修正方法计算超声横波衰减系数，该方法在测量过程中需要同时用到不同厚度的相同特性的材料，因此在实际运用中这种方法具有很大的局限性。

有研究提出采用接触式垂直入射的脉冲回波方法测量超声横波衰减系数通过一个没有衰减或衰减很小几乎可以忽略的材料充当耦合缓冲层。利用缓冲层与测试块之间声阻抗关系计算出两者界面的反射系数，从而求解出材料的超声横波衰减系数。该方法的思路与水浸测量纵波衰减系数类似，不过要严格保证两固体之间的紧密耦合是很困难的，尤其当声波以兆赫兹频率传播时更难检测到由测试块底面反射回来的信号，这些严格的要求限制了该方法在测量材料横波衰减系数在实际中的广泛运用。

另外还有一种间接测量材料横波衰减系数的方法也被研究者们所提及，该方法也被称为比较法或者参考试块法。通过透射法在测试块两侧布置探头，然后将采集的信号频谱与参考试块作对比从而得到材料的相对衰减系数值。虽然该方法在理论上是很简单的，但是选择和准备参考试块是一个具有挑战性的工作，而且参考试块与测试块的材料特性不一致，从而会产生由于衍射修正或探头转换效率导致的测量偏差。

上述提及的所有测量方法都是以宽带脉冲为激励信号，这种信号在衰减介质中传播时，信号的频谱会发生偏移，其次，当频率值远离探头有效频带时衰减系数值测量不准确，从而导致衰减系数和频率之间的曲线关系出现偏差。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种测量材料超声横波衰减系数与频率关系的方法，旨在解决背景技术中的测量超声横波衰减系数的方法存在不足导致超声横波衰减系数与频率的对应关系准确率低的问题。

为实现上述目的，本发明提供的测量材料超声横波衰减系数与频率关系的方法，包括以下步骤：

确定底面耦合有测试块的缓冲块的耦合界面的反射系数；

利用超声探头透过所述缓冲块向耦合在所述缓冲块底面的所述测试块发射不同频率的超声波信号；其中，所述超声探头为横波接触式直探头，且所述超声波信号为窄带脉冲单频正弦波信号；

利用所述超声探头分别接收经所述测试块顶面反射的和经所述测试块底面反射的不同频率的所述超声波信号的回波信号；

根据经所述测试块顶面和底面反射的所述回波信号并结合耦合界面的反射系数计算出不同频率下的所述超声波信号对应的所述测试块的超声横波衰减系数；

根据各个所述超声波信号的频率与各个所述超声波信号的频率对应的所述超声横波衰减系数拟合得到所述测试块的超声横波频域衰减曲线。

优选地，确定底面耦合有测试块的缓冲块的耦合界面的反射系数包括以下步骤：

利用超声探头分别向单独的缓冲块和底面耦合有测试块的缓冲块发射相同频率的超声波信号，并利用超声探头接收经缓冲块底面反射的超声波信号的回波信号；

根据经缓冲块底面反射的回波信号计算出缓冲块与测试块的耦合界面的反射系数。

优选地，通过如下公式计算缓冲块与测试块的耦合界面的反射系数：

其中，R₁₂(f)为超声波信号经缓冲块与测试块耦合界面反射时的反射系数；S₁(f，2d)为单独测量缓冲块时，经缓冲块底面反射的超声波信号的回波信号的幅值；S₂(f，2d)为测量缓冲块和测试块组合的双层介质时，经缓冲块底面反射的超声波信号的回波信号的幅值；R₁₃为超声波信号经缓冲块与空气界面反射时的反射系数；f为超声波信号的频率；d为缓冲块的厚度。

优选地，通过如下公式计算测试块的超声横波衰减系数：

其中，α_s(f，2z)为测试块的超声横波衰减系数；S_f(f，2d)为由测试块顶面反射的回波信号的幅值；S_b(f，2d′)为由测试块底面反射的回波信号的幅值；D₁(f，2d)为超声波信号在缓冲块中传播时的衍射修正项；D₂(f，2d′)为超声波信号在缓冲块和测试块中传播时的总衍射修正项；T₁₂为超声波信号经过缓冲块与测试块界面处的透射系数；T₂₁为超声波信号经过测试块与缓冲块界面处的透射系数；R₁₂为超声波信号经缓冲块与测试块界面反射时的反射系数；R₂₃为超声波信号经测试块与空气界面反射时的反射系数；d为缓冲块的厚度；d′为超声波信号在缓冲块与测试块中传播的声程；f为超声波信号的频率；z为测试块的厚度。

优选地，利用超声探头向单独的缓冲块发射超声波信号时，超声波信号由缓冲块底面反射回来的回波信号的幅值通过如下公式计算：

S₁(f，2d)＝S₀(f，0)M(f，2d)D(f，2d)R₁₃

其中，S₁(f，2d)为测量单独的缓冲块时，经缓冲块底面反射的超声波信号的回波信号的幅值；S₀(f，0)为超声探头发射的超声波信号的初始幅值；M(f，2d)为超声波信号在缓冲块中传播时的总衰减修正项；D(f，2d)为超声波信号在缓冲块中传播时的衍射修正项；R₁₃为超声波信号经缓冲块与空气界面反射时的反射系数；f为超声波信号的频率；d为缓冲块的厚度。

优选地，利用超声探头向底面耦合有测试块的缓冲块发射超声波信号时，超声波信号由缓冲块底面反射回来的回波信号的幅值通过如下公式计算：

S₂(f，2d)＝S₀(f，0)M(f，2d)D(f，2d)R₁₂

其中，S₂(f，2d)为测量底面耦合有测试块的缓冲块时，经缓冲块底面反射的超声波信号的回波信号的幅值；S₀(f，0)为超声探头发射的超声波信号的初始幅值；M(f，2d)为超声波信号在缓冲块中传播时的总衰减修正项；D(f，2d)为超声波信号在缓冲块中传播时的衍射修正项；R₁₂为超声波信号经缓冲块与被测块界面反射时的反射系数；f为超声波信号的频率；d为缓冲块的厚度。

优选地，其特征在于，缓冲块为圆柱体水晶试块，且缓冲块的顶面直径和缓冲块的底面直径分别为25mm，缓冲块的高度为20mm。

优选地，其特征在于，测试块为2024铝合金立方体试块，且测试块的顶面表面积和测试块的底面表面积分别为40×40mm²，测试块的厚度为10mm。

优选地，其特征在于，缓冲块的顶面与测试块的顶面平行，且缓冲块的表面与测试块的表面均进行打磨抛光处理。

此外，为实现上述目的，本发明还提供一种测量材料超声横波衰减系数与频率关系的装置，装置包括测量机构和固定机构；

测量机构包括超声探头、电流探针、功率放大器、函数发生器、示波器和计算机；超声探头位于固定机构中，且超声探头与缓冲块的顶面接触，电流探针分别与超声探头、示波器和功率放大器电连接，计算机与示波器电连接，函数发生器与功率放大器电连接；

函数发生器用于发射窄带脉冲单频正弦波信号；功率放大器用于对窄带脉冲单频正弦波信号进行放大，以通过放大后的窄带脉冲单频正弦波信号驱动超声探头朝缓冲块发射超声波信号；超声探头用于接收超声波信号经缓冲块和测试块反射形成的回波信号，并用于将接收到的回波信号经电流探针传输至示波器；示波器用于显示回波信号；计算机用于储存和处理经示波器显示的回波信号；

固定机构为顶端安装有可沿设定方向移动的锁模螺钉的方形框架；测试块、缓冲块和超声探头沿设定方向依次放置在框架上，且放置在锁模螺钉下方，并通过锁模螺钉挤压固定。

在本发明的技术方案中，提出了一种测量材料超声横波衰减系数与频率关系的方法，通过测量得到的耦合界面反射系数并结合相关回波信号计算得到准确的超声波信号在测试块中的超声横波衰减系数，并通过发射不同频率的超声波信号得到不同频率下的超声波信号在测试块中的超声横波衰减系数，最后拟合得到测试块的超声横波频域衰减曲线。与传统的单一频率激发宽带脉冲不同，窄带脉冲单频正弦波信号具有穿透能力强、带宽窄和灵敏度高等优势。最重要的是当在固定频率发射超声信号时，信号的中心频率不会发生和宽带脉冲一样的频谱偏移情况，这样能有效减少频谱误差从而在频域衰减曲线拟合时所得到的结果更加准确。

附图说明

图1为本发明测量材料超声横波衰减系数与频率关系的方法的第一实施例的流程示意图；

图2(a)为耦合界面反射系数测量示意图(测量单独的缓冲块)；

图2(b)为耦合界面反射系数测量示意图(测量底面耦合有测试块的缓冲块)；

图3为超声波信号的传播示意图；

图4为本发明测量材料超声横波衰减系数与频率关系的装置的示意图；

图5(a)为驱动频率为2.25MHz时单独的缓冲块的时域波形示意图；

图5(b)为驱动频率为2.25MHz时缓冲块+测试块的结合体的时域波形示意图；

图6(a)为驱动频率为5MHz时单独的缓冲块的时域波形示意图；

图6(b)为驱动频率为5MHz时缓冲块+测试块的结合体的时域波形示意图；

图7(a)为超声波信号(2.25MHz)的频域特性示意图；

图7(b)为超声波信号(5MHz)的频域特性示意图；

图8(a)为不同频率下的超声波信号经缓冲块与测试块界面反射时的耦合界面反射系数的特性示意图；

图8(b)为不同频率下的超声波信号经测试块与缓冲块界面反射时的耦合界面反射系数的特性示意图；

图8(c)为不同频率下的超声波信号经过缓冲块与测试块界面处的耦合界面透射系数的特性示意图；

图8(d)为不同频率下的超声波信号经过测试块与缓冲块界面处的耦合界面透射系数的特性示意图；

图9为测试块的超声横波衰减系数与频率关系示意图。

本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，测量材料超声横波衰减系数与频率关系的方法，包括以下步骤：

步骤S10，确定底面耦合有测试块的缓冲块的耦合界面的反射系数；

步骤S20，利用超声探头透过所述缓冲块向耦合在所述缓冲块底面的所述测试块发射不同频率的超声波信号；其中，所述超声探头为横波接触式直探头，且所述超声波信号为窄带脉冲单频正弦波信号；

步骤S30，利用所述超声探头分别接收经所述测试块顶面反射的和经所述测试块底面反射的不同频率的所述超声波信号的回波信号；

步骤S40，根据经所述测试块顶面和底面反射的所述回波信号并结合耦合界面的反射系数计算出不同频率下的所述超声波信号对应的所述测试块的超声横波衰减系数；

步骤S50，根据各个所述超声波信号的频率与各个所述超声波信号的频率对应的所述超声横波衰减系数拟合得到所述测试块的超声横波频域衰减曲线。

在本发明的技术方案中，提出了一种测量材料超声横波衰减系数与频率关系的方法，通过测量得到的耦合界面反射系数并结合相关回波信号计算得到准确的超声波信号在测试块中的超声横波衰减系数，并通过发射不同频率的超声波信号得到不同频率下的超声波信号在测试块中的超声横波衰减系数，最后拟合得到测试块的超声横波频域衰减曲线。与传统的单一频率激发宽带脉冲不同，窄带脉冲单频正弦波信号具有穿透能力强、带宽窄和灵敏度高等优势。最重要的是当在固定频率发射超声波信号时，信号的中心频率不会发生和宽带脉冲一样的频谱偏移情况，这样能有效减少频谱误差从而在频域衰减曲线拟合时所得到的结果更加准确。

优选地，步骤S10还包括以下步骤：

步骤S11，利用超声探头分别向单独的缓冲块和底面耦合有测试块的缓冲块发射相同频率的超声波信号，并利用超声探头接收经缓冲块底面反射的超声波信号的回波信号；

步骤S12，根据经缓冲块底面反射的回波信号计算出缓冲块与测试块的耦合界面的反射系数。

对于步骤S11和步骤S12，请参阅图2(a)，首先用超声探头测量单独的缓冲块：向缓冲块发射超声波信号，超声波信号由缓冲块底面反射回来的回波信号的幅值表示为：

S₁(f，2d)＝S₀(f，0)M(f，2d)D(f，2d)R₁₃ (1)

其中，S₁(f，2d)为测量单独的缓冲块时，经缓冲块底面反射的超声波信号的回波信号的幅值；S₀(f，0)为超声探头发射的超声波信号的初始幅值；M(f，2d)为超声波信号在缓冲块中传播时的总衰减修正项；D(f，2d)为超声波信号在缓冲块中传播时的衍射修正项；R₁₃为超声波信号经缓冲块与空气界面反射时的反射系数，可以认为|R₁₃|＝1；f为超声波信号的频率；d为缓冲块的厚度。

请参阅图2(b)，然后用超声探头测量底面耦合有测试块的缓冲块：向缓冲块发射与测量单独的缓冲块时频率相同的超声波信号，超声波信号由缓冲块底面反射回来的回波信号的幅值表示为：

S₂(f，2d)＝S₀(f，0)M(f，2d)D(f，2d)R₁₂ (2)

其中，S₂(f，2d)为测量底面耦合有测试块的缓冲块时，经缓冲块底面反射的超声波信号的回波信号的幅值；R₁₂为超声波信号经缓冲块与测试块界面反射时的反射系数。

根据公式(1)和公式(2)，再经过相应的变量代入，可以求得缓冲块与测试块的耦合界面的反射系数的表达式为：

其中，R₁₂(f)为超声波信号经缓冲块与测试块耦合界面反射时的反射系数。

对于步骤S30至步骤S50，请参阅图3，超声探头接收到的经测试块上表面反射的回波信号的幅值可表示为：

S_f(f，2d)＝S₀(f，0)R₁₂M₁(f，2d)D₁(f，2d) (4)

其中，S_f(f，2d)为超声探头接收到的经测试块上表面反射的回波信号的幅值；M₁(f，2d)为超声波信号经测试块上表面反射的回波信号在缓冲块中的衰减项；D₁(f，2d)为超声波信号在缓冲块中传播时的衍射修正项；d为缓冲块的厚度。

超声探头接收到的经测试块下表面反射的回波信号的幅值可表示为：

S_b(f，2d′)＝S₀(f，0)T₁₂R₂₃T₂₁M₂(f，2d′)D₂(f，2d′) (5)

其中，S_b(f，2d′)为超声探头接收到的经测试块下表面反射的回波信号的幅值；M₂(f，2d′)为超声波信号经测试块下表面反射的回波信号在缓冲块和测试块中的总衰减项；D₂(f，2d′)为超声波信号在缓冲块和测试块中传播时的总衍射修正项；T₁₂为超声波信号经过缓冲块与测试块界面处的透射系数；T₂₁为超声波信号经过测试块与缓冲块界面处的透射系数；R₂₃为超声波信号经测试块与空气界面反射时的反射系数，可以认为|R₂₃|＝1；d′为超声波信号在缓冲块与测试块中传播的声程。

根据声波在界面传播时声压连续性条件，可以得出R₁₂、R₂₁、T₁₂和T₂₁之间满足如下关系：

R₂₁＝-R₁₂ (6)

1+R₁₂＝T₁₂ (7)

T₂₁＝1+R₂₁ (8)

其中，R₂₁为超声波信号经测试块与缓冲块界面反射时的反射系数。

在公式(4)和公式(5)中，M₁(f，2d)表示超声波信号经测试块上表面反射的回波信号在缓冲块中的衰减项，M₂(f，2d′)表示超声波信号经测试块下表面反射的回波信号在缓冲块和测试块中的总衰减项，它们可以分别表示为：

M₁(f，2d)＝exp[-2α_w(f)d] (9)

M₂(f，2d′)＝exp[-2α_w(f)d-2α_s(f)z] (10)

其中，α_w(f)为超声波信号在缓冲块中的衰减系数；α_s(f)为超声波信号在测试块中的衰减系数。

超声波信号在缓冲块与测试块中传播的声程d′由公式(11)给出：

其中，c_w为超声波信号在缓冲块中传播的横波声速；c_s为超声波信号在测试块中传播的横波声速。

在公式(4)和公式(5)中，D₁(f，2d)表示超声波信号在缓冲块中传播时的衍射修正项，D₂(f，2d′)表示超声波信号在缓冲块和测试块中传播时的总衍射修正项，它们可以分别用隆美尔衍射修正表达为：

其中，i为虚数单位；k为超声波信号在缓冲块中的波数，且k＝2πf/c_w；c_w为超声波信号在缓冲块中传播的横波声速；a为超声探头的半径；J₀为零阶贝塞尔函数；J₁为一阶贝塞尔函数。

用公式(5)除以公式(4)，再经过相应的变量代入，可以得到超声波信号在测试块中的超声横波衰减系数表达式为：

其中，α_s(f，2z)为测试块中的超声横波衰减系数。

以上已经推导出了单频率下超声波信号经过缓冲块与测试块的耦合界面的反射系数以及超声波信号在测试块中的超声横波衰减系数的测量理论。选取若干个不同中心频率的超声探头，在其各自有效带宽内发射不同频率的超声波信号以重复上述测量过程，我们将得到一组超声波信号经过缓冲块与测试块的耦合界面的反射系数R₁₂(f)和对应的一组超声波信号的频率f。利用得到的超声波信号经过缓冲块与测试块的耦合界面的反射系数进一步求解超声波信号在测试块中的超声横波衰减系数，便可得到一组超声波信号在测试块中的超声横波衰减系数α_s(f，2z)和对应的一组超声波信号的频率f。

对于步骤S60，把步骤S50中所获得的一组超声波信号在测试块中的超声横波衰减系数α_s(f，2z)和对应的一组超声波信号的频率f进行曲线拟合，得到测试块的超声横波频域衰减曲线(α_s-f curve)。

优选地，请参阅图5(a)、图5(b)、图6(a)和图6(b)，为了检验窄带脉冲信号的在超声测量横波衰减系数时的信噪比，分别向单独的缓冲块和缓冲块+测试块的结合体发射驱动频率为2.25MHz的超声波信号，分别向单独的缓冲块和缓冲块+测试块的结合体发射驱动频率为5MHz的超声波信号，以获取时域波形信号。结果表明，窄带脉冲信号在测量超声横波衰减系数时具有较高的信噪比；通过对时域波形信号进行计算，得出超声波在缓冲块中传播的平均横波声速为c_w＝3336.67m/s，在测试块中传播的平均横波声速为c_s＝3104.4m/s。

优选地，请参阅图7(a)和图7(b)，为了检验窄带脉冲信号在计算横波衰减系数时的稳定性，用“汉宁窗”提取图5(a)、图5(b)、图6(a)和图6(b)中的时域波形并进行快速傅里叶变换得到超声波信号的频域特性示意图。由图可知，各个回波信号的中心频率稳定在发射频率，而不会像宽带脉冲信号那样发生中心频率向低频偏移的情况。由此可知，窄带脉冲信号在计算超声横波衰减系数时比宽带脉冲信号更稳定，所得结果也更为准确。

具体地，缓冲块为圆柱体水晶试块，且缓冲块的顶面直径和缓冲块的底面直径分别为25mm，缓冲块的高度为20mm。

选用上下表面直径为25mm的缓冲块能够避免边缘效应对测量结果造成影响，而厚度控制在20mm能够避免缓冲块和测试块波形重叠影响后续计算过程。

具体地，测试块为2024铝合金立方体试块，且测试块的顶面表面积和测试块的底面表面积分别为40×40mm²，测试块的厚度为10mm。

选用上下表面积分别为40×40mm²的测试块能够避免边缘效应对测量信号造成影响，保证了测量的准确性。

具体地，缓冲块的顶面与测试块的顶面平行，且缓冲块的表面与测试块的表面均进行打磨抛光处理。

为了提高超声波信号的穿透能力，在缓冲块和测试块之间以及超声探头和缓冲块之间均涂有薄层专用横波耦合剂(SW-2,Olympus,Japan)。

此外，为实现上述目的，请参阅图4，本发明的另一实施例提供了一种测量材料超声横波衰减系数与频率关系的装置，包括测量机构和固定机构。

测量机构包括超声探头5、电流探针7、功率放大器8、函数发生器9、示波器10和计算机11；超声探头5位于固定机构中，且超声探头5与缓冲块4的顶面接触，电流探针7分别与超声探头5、示波器10和功率放大器8电连接，计算机11与示波器10电连接，函数发生器9与功率放大器8电连接。

函数发生器9用于发射窄带脉冲单频正弦波信号；功率放大器8用于对窄带脉冲单频正弦波信号进行放大，以通过放大后的窄带脉冲单频正弦波信号驱动超声探头5向缓冲块4发射超声波信号；超声波信号经缓冲块4或测试块3反射形成回波信号，超声探头5用于接收超声波信号经缓冲块4和测试块3反射形成的回波信号，并将接收到的回波信号经电流探针7传输至示波器10；示波器10用于显示回波信号，计算机11用于储存和处理经示波器10显示的回波信号。

固定机构为顶端安装有可沿设定方向移动的锁模螺钉1的方形框架2；测试块3、缓冲块4和超声探头5沿设定方向依次放置在框架2上，且放置在锁模螺钉1下方，并通过锁模螺钉1挤压固定。

优选地，为了保护超声探头5不被锁模螺钉1磨损，在锁模螺钉和超声探头之间设置有橡胶块6。

优选地，为了减小施加在超声探头上的正压力大小对回波信号的幅值的影响，每次通过锁模螺钉施加在超声探头上的压力均匀且大小一致；锁模螺钉底部设置有压力传感器，压力传感器用于检测锁模螺钉与超声探头之间的压力值；实验人员可以根据压力值对锁模螺钉进行调节。

同时，利用超声探头透过缓冲块向耦合在缓冲块底面的测试块发射不同频率的超声波信号时，每个不同频率的超声波信号发射5次，并对获取到的5个对应频率的回波信号取平均值。

下表为各驱动频率下(2.25MHz、2.5MHz、2.75MHz、3MHz、3.5MHz、4MHz、4.5MHz、5MHz和5.5MHz)回波信号的幅值的平均值及其误差百分比。统计结果表明，所得样本数据较稳定，因此由该数据求得的结果具有良好的稳定性。

各驱动频率下回波信号的幅值的平均值及其误差百分比

具体地，计算机通过如下公式计算缓冲块与测试块的耦合界面的反射系数：

其中，R₁₂(f)为超声波信号经缓冲块与测试块耦合界面反射时的反射系数；S₁(f，2d)为单独测量缓冲块时，经缓冲块底面反射的超声波信号的回波信号的幅值；S₂(f，2d)为测量缓冲块和测试块组合的双层介质时，经缓冲块底面反射的超声波信号的回波信号的幅值；R₁₃为超声波信号经缓冲块与空气界面反射时的反射系数，可以认为|R₁₃|＝1；f为超声波信号的频率；d为缓冲块的厚度。

具体地，计算机通过如下公式计算测试块的超声横波衰减系数：

其中，α_s(f，2z)为测试块的超声横波衰减系数；S_f(f，2d)为由测试块顶面反射的回波信号的幅值；S_b(f，2d′)为由测试块底面反射的回波信号的幅值；D₁(f，2d)为超声波信号在缓冲块中传播时的衍射修正项；D₂(f，2d′)为超声波信号在缓冲块和测试块中传播时的总衍射修正项；T₁₂为超声波信号经过缓冲块与测试块界面处的透射系数；T₂₁为超声波信号经过测试块与缓冲块界面处的透射系数；R₁₂为超声波信号经缓冲块与测试块界面反射时的反射系数；R₂₃为超声波信号经测试块与空气界面反射时的反射系数；d为缓冲块的厚度；d′为超声波信号在缓冲块与测试块中传播的声程；f为超声波信号的频率；z为测试块的厚度。

由于本实施例中利用计算机通过公式(15)计算缓冲块与测试块的耦合界面的反射系数以及通过公式(16)计算测试块的超声横波衰减系数已在前一实施例中进行推导，此处不再一一赘述。

具体地，超声探头的直径为12.7mm，且超声探头选用两个不同的中心频率，中心频率分别为2.25MHz和5MHz。

具体地，为了验证本发明，利用分别经缓冲块底面和测试块顶面反射的回波信号的幅值可以计算出各个发射频率下对应的耦合界面反射系数和透射系数，如图8(a)、图8(b)、图8(c)和图8(d)所示。

利用图7(a)和图7(b)中的经测试块顶面反射的回波信号的幅值和经测试块底面反射的回波信号的幅值，并结合求解出来的耦合界面反射系数、透射系数，通过计算出每个发射频率下的频率特性，利用公式(14)计算出对应频率时的超声横波衰减系数并提取该频率下的超声横波衰减系数数值，得到测试块的超声横波衰减系数测量结果如图9所示。

通过观察超声横波衰减系数测量结果可以发现，不同频率下的窄带脉冲衰减值呈现出一定的规律，经过对5次实验结果取平均并进行过原点的非线性最小二乘拟合得到频域上超声横波衰减系数的拟合表达式为α_s(f，2z)＝1.70f^1.75，其中频率f的单位为MHz，衰减系数的单位为Np/m。该结果和已有文献中利用5MHz超声横波探头发射宽带脉冲信号准确测量的测试块超声横波衰减数值在4MHz附近(由于中心频率偏移特性)基本吻合，但由于宽带脉冲信号具有一定的频带范围，其可以测量一定范围内的衰减系数特性，但在超出超声探头的有效带宽范围后，超声横波衰减系数测量结果混乱。而且宽带脉冲的频率偏移特性也使得确定频域衰减系数变得困难。相比于宽带超声脉冲所得到的局部衰减系数而言，所提出的窄带脉冲方法在每个频率处的衰减值的准确性都得到了提高，因此最终拟合出来的频域衰减曲线更加准确。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种测量材料超声横波衰减系数与频率关系的方法，其特征在于，包括以下步骤：

确定底面耦合有测试块的缓冲块的耦合界面的反射系数，其中，所述耦合界面为所述缓冲块与所述测试块之间的耦合界面；

利用超声探头透过所述缓冲块向耦合在所述缓冲块底面的所述测试块发射不同频率的超声波信号；其中，所述超声探头为横波接触式直探头，且所述超声波信号为窄带脉冲单频正弦波信号；

利用所述超声探头分别接收经所述测试块顶面反射的和经所述测试块底面反射的不同频率的所述超声波信号的回波信号；

根据经所述测试块顶面和底面反射的所述回波信号并结合耦合界面的反射系数计算出不同频率下的所述超声波信号对应的所述测试块的超声横波衰减系数；

根据各个所述超声波信号的频率与各个所述超声波信号的频率对应的所述超声横波衰减系数拟合得到所述测试块的超声横波频域衰减曲线。

2.根据权利要求1所述的测量材料超声横波衰减系数与频率关系的方法，其特征在于，所述确定底面耦合有测试块的缓冲块的耦合界面的反射系数包括以下步骤：

利用超声探头分别向单独的所述缓冲块和底面耦合有所述测试块的所述缓冲块发射相同频率的超声波信号，并利用所述超声探头接收经所述缓冲块底面反射的所述超声波信号的回波信号；

根据经所述缓冲块底面反射的所述回波信号计算出所述缓冲块与所述测试块的耦合界面的反射系数。

3.根据权利要求1所述的测量材料超声横波衰减系数与频率关系的方法，其特征在于，通过如下公式计算所述缓冲块与所述测试块的耦合界面的反射系数：

其中，R₁₂(f)为超声波信号经所述缓冲块与所述测试块耦合界面反射时的反射系数；S₁(f,2d)为单独测量缓冲块时，经所述缓冲块底面反射的所述超声波信号的回波信号的幅值；S₂(f,2d)为测量所述缓冲块和所述测试块组合的双层介质时，经所述缓冲块底面反射的所述超声波信号的回波信号的幅值；R₁₃为超声波信号经所述缓冲块与空气界面反射时的反射系数；f为所述超声波信号的频率；d为所述缓冲块的厚度。

4.根据权利要求1所述的测量材料超声横波衰减系数与频率关系的方法，其特征在于，通过如下公式计算所述测试块的超声横波衰减系数：

其中，α_s(f,2z)为所述测试块的超声横波衰减系数；S_f(f,2d)为由所述测试块顶面反射的所述回波信号的幅值；S_b(f,2d')为由所述测试块底面反射的所述回波信号的幅值；D₁(f,2d)为所述超声波信号在所述缓冲块中传播时的衍射修正项；D₂(f,2d')为所述超声波信号在所述缓冲块和测试块中传播时的总衍射修正项；T₁₂为所述超声波信号经过所述缓冲块与所述测试块界面处的透射系数；T₂₁为所述超声波信号经过所述测试块与所述缓冲块界面处的透射系数；R₁₂为所述超声波信号经所述缓冲块与被测块界面反射时的反射系数；R₂₃为所述超声波信号经所述测试块与空气界面反射时的反射系数；d为所述缓冲块的厚度；d'为超声波信号在所述缓冲块与所述测试块中传播的声程；f为所述超声波信号的频率；z为所述测试块的厚度。

5.根据权利要求2所述的测量材料超声横波衰减系数与频率关系的方法，其特征在于，利用所述超声探头向单独的所述缓冲块发射超声波信号时，超声波信号由所述缓冲块底面反射回来的回波信号的幅值通过如下公式计算：

S₁(f,2d)＝S₀(f,0)M(f,2d)D(f,2d)R₁₃

其中，S₁(f,2d)为测量单独的所述缓冲块时，经所述缓冲块底面反射的超声波信号的回波信号的幅值；S₀(f,0)为所述超声探头发射的超声波信号的初始幅值；M(f,2d)为所述超声波信号在所述缓冲块中传播时的总衰减修正项；D(f,2d)为所述超声波信号在所述缓冲块中传播时的衍射修正项；R₁₃为超声波信号经所述缓冲块与空气界面反射时的反射系数；f为超声波信号的频率；d为所述缓冲块的厚度。

6.根据权利要求2所述的测量材料超声横波衰减系数与频率关系的方法，其特征在于，利用所述超声探头向底面耦合有所述测试块的所述缓冲块发射超声波信号时，超声波信号由所述缓冲块底面反射回来的回波信号的幅值通过如下公式计算：

S₂(f,2d)＝S₀(f,0)M(f,2d)D(f,2d)R₁₂

其中，S₂(f,2d)为测量底面耦合有所述测试块的所述缓冲块时，经所述缓冲块底面反射的超声波信号的回波信号的幅值；S₀(f,0)为所述超声探头发射的超声波信号的初始幅值；M(f,2d)为所述超声波信号在所述缓冲块中传播时的总衰减修正项；D(f,2d)为所述超声波信号在所述缓冲块中传播时的衍射修正项；R₁₂为所述超声波信号经所述缓冲块与被测块界面反射时的反射系数；f为超声波信号的频率；d为所述缓冲块的厚度。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的测量材料超声横波衰减系数与频率关系的方法，其特征在于，所述缓冲块为圆柱体水晶试块，且所述缓冲块的顶面直径和所述缓冲块的底面直径分别为25mm，所述缓冲块的高度为20mm。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的测量材料超声横波衰减系数与频率关系的方法，其特征在于，所述测试块为2024铝合金立方体试块，且所述测试块的顶面表面积和所述测试块的底面表面积分别为40×40mm²，所述测试块的厚度为10mm。

9.根据权利要求1-6中任一项所述的测量材料超声横波衰减系数与频率关系的方法，其特征在于，所述缓冲块的顶面与所述测试块的顶面平行，且所述缓冲块的表面与所述测试块的表面均进行打磨抛光处理。

10.一种测量材料超声横波衰减系数与频率关系的装置，其特征在于，用于实施如权利要求1至9中任一项所述的测量材料超声横波衰减系数与频率关系的方法；所述装置包括测量机构和固定机构；

所述测量机构包括超声探头、电流探针、功率放大器、函数发生器、示波器和计算机；所述超声探头位于所述固定机构中，且所述超声探头与所述缓冲块的顶面接触，所述电流探针分别与所述超声探头、所述示波器和所述功率放大器电连接，所述计算机与所述示波器电连接，所述函数发生器与所述功率放大器电连接；

所述函数发生器用于发射窄带脉冲单频正弦波信号；所述功率放大器用于对所述窄带脉冲单频正弦波信号进行放大，以通过放大后的所述窄带脉冲单频正弦波信号驱动所述超声探头朝所述缓冲块发射超声波信号；所述超声探头用于接收超声波信号经所述缓冲块和所述测试块反射形成的回波信号，并用于将接收到的回波信号经所述电流探针传输至所述示波器；所述示波器用于显示回波信号；所述计算机用于储存和处理经所述示波器显示的回波信号；

所述固定机构为顶端安装有可沿设定方向移动的锁模螺钉的方形框架；所述测试块、所述缓冲块和所述超声探头沿设定方向依次放置在所述框架上，且放置在锁模螺钉下方，并通过所述锁模螺钉挤压固定。

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