CN114577912A - 一种利用相图测量材料的声非线性系数的方法 - Google Patents

一种利用相图测量材料的声非线性系数的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用相图测量材料的声非线性系数的方法，是利用有限振幅超声对存在力学非线性的材料进行无损检测，利用检测获得的位移信号和声压信号或位移信号和质点振动速度信号形成相图，然后根据所述相图特征对声非线性系数进行测量。本发明方法更加简单，且可以扩展实验条件，在距离更远、激励更强、非线性系数更大的条件下仍可测得非线性系数，且测试结果更加准确；本发明的适用条件可接近激波的产生位置。

Description

一种利用相图测量材料的声非线性系数的方法
技术领域
本发明涉及一种测量材料的声非线性系数的方法，特别是一种利用相图测量材料的声非线性系数的方法。
背景技术
相对二阶线弹性参量，声非线性系数与材料的高阶弹性参量相关，更适合用来反映和评估材料内部的应力集中、微损伤、疲劳程度等，也可以用来检测生物组织内由于病变引起的微小的力学性能变化。利用由这种非线性引起的谐波进行成像，不但能提升微损伤或病变组织的区分度，还能提升图像的分辨率。
一般地，有限振幅超声在材料中传播，会激发出高次谐波，接收的信号为畸变的非线性超声信号。有时也用两种不同频率的超声信号同时激励，产生高次谐波的同时还会产生和频及差频波。实验测量材料的声非线性系数往往是基于二次谐波的幅度公式将二次谐波与基频信号的幅度进行对比得到声非线性系数。但是，由于二次谐波的幅度公式是通过求解非线性声波方程的二阶摄动展开方程得到的，三阶及三阶以上的展开方程被忽略了，这造成二次谐波幅度公式不够精确，致使此方程只能在小幅度激励和短距离传播的实验条件下有相对的可靠性，在激励幅度高、非线性系数大、传播距离远的实验条件下利用此公式会造成较大的误差。其它相关的测量材料的声非线性系数的方法少见报道，有时利用KZK方程、Westervelt方程和Blackstock方程等进行实验上的定性验证，却很少利用于在非线性系数的定量测量上。
材料的声非线性系数本身并不一定重要，在材料无损检测及医学应用中，相对非线性系数的变化才是人们所关注的。摄动方法得到的非线性系数β＝8A2/(A1 2k2x)，通常也用β'＝A2/A1 2来代替非线性系数，但由于激励信号的位移幅度比较难以测定，可以通过信号的电压进行代替，这需要传感器的灵敏度在两个频率的幅度要接近。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种利用相图测量材料的声非线性系数的方法。本发明方法更加简单，且可以扩展实验条件，在距离更远、激励更强、非线性系数更大的条件下仍可测得非线性系数，且测试结果更加准确；本发明的适用条件可接近激波的产生位置。
本发明的技术方案：一种利用相图测量材料的声非线性系数的方法，是利用有限振幅超声对存在力学非线性的材料进行无损检测，根据检测获得的位移信号和声压信号或位移信号和质点振动速度信号形成相图，然后根据所述相图特征对声非线性系数进行测量。
前述的利用相图测量材料的声非线性系数的方法，所述方法包括如下步骤：
1)在材料的一端激励有限振幅超声信号，并在材料中传播，然后被设置在材料另一端的信号接收器接收并传输到信号记录器中记录；
2)根据步骤1)记录的信号获得并换算出位移信号和声压信号或位移信号和质点振动速度信号，然后利用位移信号和声压信号或位移信号和质点振动速度信号绘制相图；
3)通过公式β＝4.7㏑(S1/S2)/xP计算得出材料的声非线性系数，式中：β为声非线性系数、S1/S2为相图中以X轴为分界的上下相图面积之比或以Y轴为分界的右左相图面积之比、x为超声传播距离或材料的厚度、P为声压值。
前述的利用相图测量材料的声非线性系数的方法，步骤1)所述有限振幅超声信号为至少20周正弦信号。
前述的利用相图测量材料的声非线性系数的方法，步骤1)所述有限振幅超声信号是将信号发生器产生的电信号传输至功率放大器，放大后再施加到超声传感器上产生的。
前述的利用相图测量材料的声非线性系数的方法，步骤1)所述材料为流体，所述信号接收器为声压接收器，接收到的信号为声压信号P，然后通过公式P＝zv来换算质点振动速度信号v，式中：z为材料的声阻抗；所述位移信号是通过对质点振动速度信号v对时间进行数值积分后获得。
前述的利用相图测量材料的声非线性系数的方法，步骤1)所述材料为固体，所述信号接收器为超声传感器，接收到的信号为位移信号，所述质点振动速度信号是位移信号对时间进行数值求导后获得。
前述的利用相图测量材料的声非线性系数的方法，步骤1)所述信号记录器为示波器或计算机。
本发明的有益效果
本发明通过对非线性介质材料检测得到的非线性超声信号进行处理，得到关于位移和声压或位移和质点振动速度的非线性相图，当信号从线性向非线性加强时，比如非线性系数增大，激励信号增加，传播距离变大等，相图将从椭圆向不规则的椭圆、蛋形演化，并越来越不规则。即椭圆的右左两侧的面积比逐渐从1开始变化，变化趋势与非线性系数相关，通过拟合公式进行计算即可得到材料的声非线性系数。
本发明技术方案与传统的利用二次谐波相对幅度的非线性系数表征方法相比，方法更加简单，且可以扩展实验条件，在距离更远、激励更强、非线性系数更大的条件下仍可测得声非线性系数，且测试结果更加准确；本发明的适用条件可接近激波的产生位置。
结合本发明高精确性和无损测量的优点，在无损检测与评估方面，可对材料内部的微损伤进行检测，甚至对材料中的相，如偏析等进行评估。在医学上，可对局部生物组织病变进行检测，利用其引起的力学性能变化所致使的声非线性系数的变化，通过对声非线性系数的测量，可以及早发现病变及其位置。
附图说明
附图1为实施例1中改变激励幅度的相图，其中从内向外的第四条线已超过激波产生的位置，实线为理论结果，散点为实验结果；
附图2为实施例1中改变传播距离的相图，从左向右的线为传播距离增加的情况，实线为理论结果，散点为实验结果，所有测量未超过激波产生位置；
附图3为实施例1所述测量方法的框架图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
本发明的实施例
实施例1：
一种利用相图测量材料的声非线性系数的方法，其中所测材料为水，步骤如下：
1)将信号发生器产生的幅度5.0Vpp(可以根据需要进行调整)主频为2.25MHz(与超声传感器的主频相关)的20周正弦信号电信号输入到功率放大器(增益：50dB)中，输出到置于水中的主频为2.25MHz的超声传感器中，超声传感器产生超声信号后在水中传播，并被置于水中的被3D位置控制器控制位置的水听器接收，并传到示波器或计算机中记录；其装置框架图如3示。同时，实验装置可为囊括了信号发生器，放大器，滤波器等的商业化实验系统。
2)步骤1)中的水听器接收的信号为电压信号，通过水听器的灵敏度转换为声压信号P，再通过P＝zv转化为质点振动速度信号v，其中：z为水的声阻抗。
3)对步骤2)所得的质点振动速度信号v对时间进行数值积分后得到位移信号，将位移信号和质点振动速度信号v绘制成相图，横坐标为位移，纵坐标为声压或质点振动速度。
4)对步骤3)所绘相图的右左两侧或上下两侧求数值面积，并求右左或上下面积的比值S1/S2。
5)改变传播距离，重复步骤1)-4)，多次测量相图的面积比值S1/S2。
6)改变激励幅度，重复步骤1)-4)，多次测量相图的面积比值S1/S2。
7)利用公式β＝4.7㏑(S1/S2)/xP求出材料的声非线性系数β，其中x为传播距离或样品厚度(单位为m)，P为激励声压值(单位为bar，或105Pa)。为了更准确地获得非线性系数，可利用多次测量的结果对公式里的常系数进行小幅修正，以使之间的相对误差最小，再计算非线性系数更为准确。
本实验例所测的水的非线性系数为3.46，与文献中的3.5十分接近，且传播距离也接近了激波产生的位置。
实施例2：
一种利用相图测量材料的声非线性系数的方法，其中所述材料为固体金属铝，步骤如下：
1)将信号发生器产生的幅度5.0Vpp(可以根据需要进行调整)主频为2MHz(与超声传感器的主频相关)的20周正弦信号电信号输入到功率放大器(增益：50dB)中，输出平整铝块的一面的主频为2MHz的超声传感器中，传感器产生超声信号后在铝块中传播，并被置于铝块另一面的宽带超声传感器接收并传到示波器或计算机中记录，宽带超声传感器频率至少能覆盖基频和二次谐频。同时，实验装置可为囊括了信号发生器，放大器，滤波器等的商业化实验系统。
2)步骤1)所测得的信号为位移信号，将位移对时间进行数值求导得到质点振动速度信号v，通过P＝zv转化为声压信号P，其中：z为铝的声阻抗，将测得的位移和求导所得的质点振动速度绘制成相图，横坐标为位移信号，纵坐标为质点振动速度信号。
3)对步骤2)所绘相图的右左两侧或上下两侧求数值面积，并求右左或上下面积的比值S1/S2。
4)改变激励幅度，重复步骤1)-3)，多次测量相图右左或上下面积的比值S1/S2。
5)利用公式β＝4.7㏑(S1/S2)/xP求出材料的非线性系数β，并进行系数4.7的小幅度修正，使得多次测量的结果最为接近，以此计算声非线性系数稳定，其中x为铝块厚度，P为步骤2)中的换算的激励声压。
本实施例所测的铝的非线性系数为6.92，与文献中的7.0十分接近。
以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造揭露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种利用相图测量材料的声非线性系数的方法，其特征在于：是利用有限振幅超声对存在力学非线性的材料进行无损检测，根据检测获得的位移信号和声压信号或位移信号和质点振动速度信号形成相图，然后根据所述相图特征对材料的声非线性系数进行测量。
2.根据权利要求1所述的利用相图测量材料的声非线性系数的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
1)在材料的一端激励有限振幅超声信号，并在材料中传播，然后被设置在材料另一端的信号接收器接收并传输到信号记录器中记录；
2)根据步骤1)记录的信号获得并换算出位移信号和声压信号或位移信号和质点振动速度信号，然后利用位移信号和声压信号或位移信号和质点振动速度信号绘制相图；
3)通过公式β＝4.7㏑(S1/S2)/xP计算得出材料的声非线性系数，式中：β为声非线性系数、S1/S2为相图中以X轴为分界的上下相图面积之比或以Y轴为分界的右左相图面积之比、x为超声传播距离或材料的厚度、P为声压值。
3.根据权利要求2所述的利用相图测量材料的声非线性系数的方法，其特征在于：步骤1)所述有限振幅超声信号为至少20周正弦信号。
4.根据权利要求2所述的利用相图测量材料的声非线性系数的方法，其特征在于：步骤1)所述有限振幅超声信号是将信号发生器产生的电信号传输至功率放大器，放大后再施加到超声传感器上产生的。
5.根据权利要求2所述的利用相图测量材料的声非线性系数的方法，其特征在于：步骤1)所述材料为流体，所述信号接收器为声压接收器，接收到的信号为声压信号P，然后通过公式P＝zv来换算质点振动速度信号v，式中：z为材料的声阻抗；所述位移信号是通过对质点振动速度信号v对时间进行数值积分后获得。
6.根据权利要求2所述的利用相图测量材料的声非线性系数的方法，其特征在于：步骤1)所述材料为固体，所述信号接收器为超声传感器，接收到的信号为位移信号，所述质点振动速度信号是位移信号对时间进行数值求导后获得。
7.根据权利要求2所述的利用相图测量材料的声非线性系数的方法，其特征在于：步骤1)所述信号记录器为示波器或计算机。
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