CN116626168A - 一种超声纵波衰减系数的测量装置及工作方法 - Google Patents

一种超声纵波衰减系数的测量装置及工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种超声纵波衰减系数的测量装置及工作方法，装置包括：超声检测仪，用于激发超声纵波探头生成超声纵波，记录纵波在测试试块和待测工件反射面的回波波幅，根据波幅依次计算待测工件的吸收衰减系数、散射衰减系数及扩散衰减系数；超声纵波探头，用于固定在测试试块或待测工件的耦合面，发射及接收超声纵波；测试试块，根据待测工件的材质属性及超声纵波的衰减特性进行设计，用于接收超声纵波，并在反射面形成回波。本发明通过预先设计的测试试块消除衰减系数测量中扩散衰减的影响，依次计算待测工件的吸收衰减系数、散射衰减系数及扩散衰减系数，获得与待测工件形状尺寸相匹配的扩散衰减系数，提高超声纵波衰减系数测量的精确度。

Description

一种超声纵波衰减系数的测量装置及工作方法
技术领域
本发明涉及超声纵波衰减系数的测量技术领域，具体涉及一种超声纵波衰减系数的测量装置及工作方法。
背景技术
超声波的衰减系数一般由3部分组成，即扩散衰减、散射衰减和吸收衰减，现有的方法及装置测量的一般是3部分之和的衰减系数，而对扩散衰减、散射衰减和吸收衰减各自的衰减系数没办法单独进行测量。
一般的，由于扩散衰减系数与被检测工件的形状尺寸密切相关，采用现有方法在试块上测量的衰减系数，由于受扩散衰减系数变化的影响，往往与被检测工件中的衰减系数不同。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中超声纵波衰减系数的测量不精准的缺点，从而提供一种超声纵波衰减系数的测量装置及工作方法，能够测量出不同形状尺寸的待测工件的扩散衰减系数、散射衰减系数和吸收衰减系数，提高被检测工件衰减系数测量的精准性。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
第一方面，本发明提供了一种超声纵波衰减系数的测量装置，所述系统包括：超声检测仪、超声纵波探头及预设个数的测试试块；
所述超声检测仪，用于激发所述超声纵波探头生成预设频率的超声纵波，并记录所述超声纵波在测试试块和待测工件的反射面形成的预设次数回波的波幅，根据所述波幅计算所述待测工件的吸收衰减系数、散射衰减系数及扩散衰减系数；
所述超声纵波探头，用于固定在所述测试试块或待测工件的耦合面，将通过所述超声检测仪激发所生成的超声纵波进行发射，及接收所述超声纵波的回波并返回给超声检测仪；
所述测试试块，根据待测工件的材质属性及超声纵波的衰减特性进行设计，用于接收所述超声纵波，并在反射面形成回波，所述回波用于所述待测工件的吸收衰减系数、散射衰减系数及扩散衰减系数的计算；
所述测试试块，包括：预设个数的半球形试块或预设个数的大平底试块，所述半球形试块或大平底试块的表面粗糙度、声阻抗、材质均与所述待测工件相同；
各个所述半球形试块的球面半径均相同，且设置为大于所述超声纵波探头近场区的预设倍数，所述表面粗糙度设置为小于纵波波长的第一预设比例，各个所述半球形试块的平均晶粒尺寸互不相同，且设置为小于纵波波长的第二预设比例；
各个所述大平底试块的厚度均相同，且设置为大于所述超声纵波探头近场区的预设倍数，所述表面粗糙度设置为小于纵波波长的第一预设比例，各个所述大平底试块的平均晶粒尺寸互不相同，且设置为小于纵波波长的第二预设比例。
本发明实施例提供的超声纵波衰减系数的测量装置，通过将预先根据待测工件材质属性及超声纵波的衰减特性设计半球形试块及大平底试块作为测试试块，由超声检测仪生成预设频率的超声纵波，并由固定于各测试试块或待测工件耦合面的超声纵波探头将超声纵波发射至对应的反射面，超声纵波在耦合面与反射面之间形成回波，并通过超声检测仪记录预设次数回波的波幅，根据波幅计算待测工件对超声纵波的吸收衰减系数、散射衰减系数及扩散衰减系数。本发明通过预先设计的测试试块消除衰减系数测量中扩散衰减的影响，依次计算待测工件的吸收衰减系数、散射衰减系数及扩散衰减系数，获得与待测工件形状尺寸相匹配的扩散衰减系数，提高超声纵波衰减系数测量的精确度。
可选地，为所述超声纵波探头配备磁吸或压紧装置，用于保证所述超声纵波探头的耦合力在不同测试试块或待测工件上测量时保持一致。
本发明所设计预设个数的测试试块与待测工件材质属性相同，测试试块的形状规则且尺寸相对较大，这样能够保证测试试块与待测工件的吸收衰减常数及散射衰减常数相同，扩散衰减系数符合衰减公式。通过对不同晶粒尺寸的测试试块进行超声纵波测试，能够计算出测试试块的吸收衰减常数及散射衰减常数，从而得到待测工件的吸收衰减系数及散射衰减系数。为了能够求解出不同的衰减系数需要获得不同的方程组，因此需要在不同测试试块和待测工件上进行超声纵波测量，通过配置磁吸或压紧装置能够保证超声纵波探头固定在不同测试试块或待测工件时的耦合力相同，能够使得测量出的回波波幅更精准，从而能够进一步提高计算得到的各种衰减系数的精确性。
可选地，若所述待测工件上不具备与耦合面近似平行的反射面，则制作与所述超声纵波探头的声束扩散截面面积相同的待测试块，所述待测试块的厚度、材质及表面粗糙度均与所述待测工件相同。
本发明所检测的工件若不具备与耦合面近似平行的反射面，则无法构成多次反射的条件，直接进行超声纵波测量会影响回波的形成，导致衰减系数计算不精确，因此可加工与待测工件各材质属性相同的待测试块，用来代替待测工件进行测量，能够保证衰减系数测量的精确性。
第二方面，本发明实施例提供了超声纵波衰减系数的测量装置的工作方法，包括以下步骤：
确定测试试块的耦合面及反射面，选择半球形试块的平面作为耦合面，半球形曲面为反射面，或选择大平底试块相对平行的上下两面分别作为其耦合面和反射面；
将预设频率的超声纵波探头分别固定在预设个数测试试块的耦合面，采用超声检测仪激发超声纵波并通过所述超声纵波探头发射至各个测试试块对应的反射面；
所述超声纵波在各个测试试块的耦合面与反射面之间形成回波，通过所述超声检测仪记录超声纵波在各个测试试块对应反射面形成的预设次数回波的波幅，根据回波的波幅获得吸收衰减常数和散射衰减常数，并根据所述吸收衰减常数和散射衰减常数计算待测工件的吸收衰减系数及散射衰减系数；
选择待测工件的相对平行的两面分别作为其耦合面和反射面，并将预设频率的超声纵波探头固定在待测工件的耦合面，采用超声检测仪激发超声纵波并通过所述超声纵波探头发射至所述待测工件的反射面；
所述超声纵波在待测工件的耦合面与反射面之间形成回波，通过所述超声检测仪记录超声纵波在待测工件对应反射面形成的预设次数回波的波幅，并根据回波的波幅及所述吸收衰减系数及散射衰减系数计算待测工件的扩散衰减系数。
本发明实施例提供的超声纵波衰减系数的测量装置的工作方法，通过将预先根据待测工件材质属性及超声纵波的衰减特性设计半球形试块及大平底试块作为测试试块，由超声检测仪生成预设频率的超声纵波，并由固定于测试试块或待测工件耦合面的超声纵波探头将超声纵波发射至对应的反射面，超声纵波在耦合面与反射面之间形成回波，并通过超声检测仪记录预设次数回波的波幅，根据测试试块的回波波幅获得吸收衰减常数和散射衰减常数，并根据所述吸收衰减常数和散射衰减常数计算出待测工件对超声纵波的吸收衰减系数、散射衰减系数，根据待测工件的吸收衰减系数、散射衰减系数及待测工件的回波波幅计算其对超声纵波扩散衰减系数。本发明通过预先设计的测试试块消除衰减系数测量中扩散衰减的影响，依次计算待测工件的吸收衰减系数、散射衰减系数及扩散衰减系数，获得与待测工件形状尺寸相匹配的扩散衰减系数，提高超声纵波衰减系数测量的精确度。
可选地，所述超声纵波的入射点为测试试块或待测工件耦合面的中心位置；所述超声纵波通过所述半球形试块的球心并沿所述半球形试块的半径方向发射，或垂直于大平底试块反射面方向发射。
本发明预先设计不同平均晶粒尺寸的测试试块，超声纵波在测试试块的耦合面及反射面形成回波。通过超声在曲界面上的反射理论，设计出与超声纵波探头相匹配的半球形试块，以半球形试块的平面作为耦合面，半球形曲面作为反射面，使得超声纵波探头接收到的多次回波均不会受到扩散衰减的影响，从半球形曲面反射回来的多次回波的波幅降低，只是由吸收衰减和散射衰减所引起的，因此可排除扩散衰减对多次回波波幅的影响，从而为获得吸收衰减系数和散射衰减系数提供技术前提。设计的大平底试块因其形状规则且尺寸较大，其衰减满足衰减公式，因此选择一组平行的相对面作为耦合面及反射面，即可形成规律的回波，也能够为获得吸收衰减系数和散射衰减系数提供技术前提。
可选地，所述半球形试块的扩散衰减对衰减系数测量的影响为0，所述大平底试块的扩散衰减系数满足衰减公式。
本发明预先设计的测试试块，因其特殊形状设计或相对较大的声束传播截面，可消除衰减系数测量中扩散衰减系数的影响或使得测试试块的扩散衰减系数满足衰减公式。其中，半球形试块因其半球形形状，使得多次回波的波幅降低只是由吸收衰减和散射衰减引起，能够简化计算过程。大平底试块的扩散衰减系数满足衰减公式，能够通过衰减公式计算出来，因此在超声纵波衰减系数测量过程中，也能够将其扩散衰减系数作为已知量，简化计算过程。
可选地，所述半球形试块或大平底试块个数至少为2个。
本发明通过测试试块获得吸收衰减常数及散射衰减常数，包含两个未知量，因此在超声纵波衰减系数测量过程中，至少生成一组二元一次方程组才能够保证能够将吸收衰减常数及散射衰减常数计算出来，因此在测试过程中选择半球形试块或大平底试块的个数为2个，2个试块除了平均晶粒尺寸不同，其他材质属性均相同，才能在测量过程中生成两组二元一次方程，通过方程联立生成一组二元一次方程组，能够保证方程组有解，即能够计算出吸收衰减常数及散射衰减常数。
可选地，所述通过所述超声检测仪记录超声纵波在各个测试试块对应反射面形成的预设次数回波的波幅，根据回波的波幅获得吸收衰减常数和散射衰减常数，并根据所述吸收衰减常数和散射衰减常数计算待测工件的吸收衰减系数及散射衰减系数的过程，包括：所述超声纵波在第一测试试块的反射面及第二测试试块的反射面形成回波；记录所述超声纵波在第一测试试块反射面形成的m次回波的第一波幅及n次回波的第二波幅；根据所述第一波幅及第二波幅计算第一测试试块的第一衰减系数，并构建所述第一衰减系数与吸收衰减常数及散射衰减常数之间的第一方程，所述衰减系数为吸收衰减系数、散射衰减系数及扩散衰减系数之和；记录所述超声纵波在第二测试试块反射面形成的m次回波的第三波幅及n次回波的第四波幅；根据所述第三波幅及第四波幅计算第二测试试块的第二衰减系数，并构建所述第二衰减系数与吸收衰减常数及散射衰减常数之间的第二方程；将第一方程及第二方程进行联立来计算吸收衰减常数及散射衰减常数；根据所述吸收衰减常数及散射衰减常数计算待测工件的吸收衰减系数及散射衰减系数。
本发明通过两次相同步骤的超声纵波测量，相同频率的超声纵波在不同测试试块的耦合面及反射面均形成回波。选择预设次数回波，通过回波波幅能够获得两个测试试块的衰减系数。其中，衰减系数为吸收衰减系数、散射衰减系数及扩散衰减系数三者之和，吸收衰减系数及散射衰减系数分别与对应的吸收衰减常数及散射衰减常数之间存在固定关系式，扩散衰减系数已知或能够根据衰减公式计算出来。因此可获得两组关于衰减系数与吸收衰减常数及散射衰减常数之间的关系式。将两个二元一次方程进行联立，得到一组二元一次方程组。因此两个常数可通过二元一次方程组求解出来，将两个常数带入与待测工件对应的固定关系式即可计算得到待测工件的吸收衰减系数及散射衰减系数。
可选地，所述通过所述超声检测仪记录超声纵波在待测工件对应反射面形成的预设次数回波的波幅，并根据回波的波幅及所述吸收衰减系数及散射衰减系数计算待测工件的扩散衰减系数的过程，包括：所述超声纵波在待测工件的反射面形成回波；记录所述超声纵波在待测工件反射面形成的m次回波的第五波幅及n次回波的第六波幅；根据所述第五波幅及第六波幅计算待测工件的第三衰减系数；根据所述待测工件的第三衰减系数、吸收衰减系数及散射衰减系数计算扩散衰减系数。
本发明通过将相同频率的超声纵波作用在待测工件，超声纵波在待测工件的耦合面及反射面形成回波，选择相同预设次数回波，通过回波波幅能够获得待测工件的总衰减系数，再减去已求解得到的吸收衰减系数及散射衰减系数，即可获得待测工件的扩散衰减系数。对于不同形状尺寸的待测工件，由于吸收衰减和散射衰减与工件的形状尺寸无关，但是扩散衰减会受到影响，因此采用实际待测工件测量其扩散衰减，从而获得不同形状尺寸的待测工件的扩散衰减系数，提高衰减系数测量的精确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。
图1为本发明实施例提供的一种超声纵波衰减系数的测量装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种超声纵波衰减系数的测量装置的工作方法的流程示意图；
图3为本发明实施例提供的一种超声纵波衰减系数的测量装置的半球形试块结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种超声纵波衰减系数的测量装置的大平底试块结构示意图。
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，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本发明实施例提供了一种超声纵波衰减系数的测量装置，如图1所示，该系统包括：超声检测仪、超声纵波探头及预设个数的测试试块；
所述超声检测仪，用于激发所述超声纵波探头生成预设频率的超声纵波，并记录所述超声纵波在测试试块和待测工件的反射面形成的预设次数回波的波幅，根据所述波幅依次计算所述待测工件的吸收衰减系数、散射衰减系数及扩散衰减系数；
具体地，在本发明实施例中，超声检测仪具有精确测量各次回波波幅的功能，并具有增益补偿的功能。超声检测仪通过激发固定在测试试块或待测工件耦合面的超声纵波探头生成超声纵波并发射。所发射的超声纵波在测试试块或待测工件的耦合面和反射面之间通过多次反射形成回波并被超声纵波探头接收，超声检测仪通过超声纵波探头获得预设次数回波的波幅，并根据波幅依次计算待测工件的吸收衰减系数、散射衰减系数及扩散衰减系数。
所述超声纵波探头，用于固定在所述测试试块或待测工件的耦合面，将通过所述超声检测仪激发所生成的超声纵波进行发射，及接收所述超声纵波的回波并返回给超声检测仪；
具体地，在本发明实施例中，超声纵波探头周围配备磁吸或压紧装置，用于保证超声纵波探头的耦合力在不同测试试块或待测工件上测量时保持一致。
所述测试试块，根据待测工件的材质属性及超声纵波的衰减特性进行设计，用于接收所述超声纵波，并在反射面形成回波，所述回波用于所述待测工件的吸收衰减系数、散射衰减系数及扩散衰减系数的计算；所述测试试块，包括：预设个数的半球形试块或预设个数的大平底试块，所述半球形试块或大平底试块的表面粗糙度、声阻抗、材质均与所述待测工件相同；各个所述半球形试块的球面半径均相同，且设置为大于所述超声纵波探头近场区的预设倍数，所述表面粗糙度设置为小于纵波波长的第一预设比例，各个所述半球形试块的平均晶粒尺寸互不相同，且设置为小于纵波波长的第二预设比例；各个所述大平底试块的厚度均相同，且设置为大于所述超声纵波探头近场区的预设倍数，所述表面粗糙度设置为小于纵波波长的第一预设比例，各个所述大平底试块的平均晶粒尺寸互不相同，且设置为小于纵波波长的第二预设比例。
具体地，在本发明实施例中，测试试块是根据待测工件的材质属性及超声纵波的衰减特性进行设计的，其中超声纵波在探头大约2倍近场区以内，探头发射的超声纵波的衰减主要是由吸收衰减和散射衰减所构成，因此将各个半球形试块的球面半径或大平底试块的厚度均设置为大于超声纵波探头的近场区的3倍，但不以此为限。此外表面粗糙度设置为小于纵波波长的1/3，平均晶粒尺寸互不相同，但均设置为小于纵波波长的1/10，但不以此为限。
本发明实施例中，并不是每个待测工件刚好都能找到两个相互平行的耦合面和反射面，从而构成多次反射的条件。若待测工件上不具备与耦合面近似平行的反射面，则加工制作与超声纵波探头的声束扩散截面面积相同的待测试块，待测试块的厚度、材质及表面粗糙度均与待测工件相同，以待测试块代替待测工件进行衰减系数的测量。
本发明实施例提供的超声纵波衰减系数的测量装置，通过预先根据待测工件材质属性及超声纵波的衰减特性设计半球形试块及大平底试块作为测试试块，由超声检测仪生成预设频率的超声纵波，并由固定于各测试试块或待测工件耦合面的超声纵波探头将超声纵波发射至对应的反射面，超声纵波在耦合面与反射面之间形成回波，并通过超声检测仪记录预设次数回波的波幅，根据波幅计算待测工件对超声纵波的吸收衰减系数、散射衰减系数及扩散衰减系数。本发明通过预先设计的测试试块消除衰减系数测量中扩散衰减的影响，依次计算待测工件的吸收衰减系数、散射衰减系数及扩散衰减系数，获得与待测工件形状尺寸相匹配的扩散衰减系数，提高超声纵波衰减系数测量的精确度。
实施例2
本发明实施例提供了一种超声纵波衰减系数的测量装置的工作方法，如图2所示，该方法基于实施例1提供的装置进行衰减系数的测量，测试试块以半球形试块为例，步骤包括：
步骤S1：确定测试试块的耦合面及反射面，选择半球形试块的平面作为耦合面，半球形曲面为反射面，或选择平底试块相对平行的两面分别作为其耦合面和反射面。
具体地，在本发明实施例中，预先根据超声纵波的衰减特性设计半球形试块，使得超声纵波探头耦合在半球形试块上表面之后，发射的纵波可以在半球形面上往复反射。因此通过确定半球形试块的耦合面与反射面，以此确定超声纵波探头的固定位置。
步骤S2：将预设频率的超声纵波探头分别固定在预设个数测试试块的耦合面，采用超声检测仪激发超声纵波并通过所述超声纵波探头发射至各个测试试块对应的反射面。
具体地，在本发明实施例中，根据测试试块中形成的回波波幅计算吸收衰减常数及散射衰减常数，包含两个未知量，在超声纵波衰减系数测量过程中，至少生成一组二元一次方程组才能够保证能够将吸收衰减常数及散射衰减常数计算出来，因此将半球形试块的个数设置为2个，但不以此为限，实际应用中可以为其他多个数量，至少设置两个才能进行后续衰减常数计算。两个半球形试块的平均晶粒尺寸分别为d1和d2，球面半球均为R。在本发明实施例中，如图3所示，将频率为f的超声纵波探头固定在平均晶粒尺寸为d1、球面半径为R的半球形试块1的耦合面中心位置，采用超声检测仪激发超声纵波探头，由超声纵波探头发射超声纵波，超声纵波通过所述半球形试块的球心并沿所述半球形试块的半径方向发射。
步骤S3：所述超声纵波在各个测试试块的耦合面与反射面之间形成回波，通过所述超声检测仪记录超声纵波在各个测试试块对应反射面形成的预设次数回波的波幅，根据回波的波幅获得吸收衰减常数和散射衰减常数，并根据所述吸收衰减常数和散射衰减常数计算待测工件的吸收衰减系数及散射衰减系数。
具体地，在本发明实施例中，超声纵波在半球形试块1的耦合面及反射面形成回波。通过超声检测仪记录超声纵波在半球形曲面的m次回波的第一波幅Am和n次回波的第二波幅An(n＞m)。根据衰减系数与回波波幅之间的关系，计算半球形试块1的第一衰减系数α1。同时构建第一衰减系数与吸收衰减常数Ca及散射衰减常数Cs之间的方程，其中，衰减系数为吸收衰减系数、散射衰减系数及扩散衰减系数之和。由于半球形试块的设计消除了扩散衰减的影响，半球形试块的扩散衰减系数αd＝0，因此半球形试块1的衰减系数为：α1＝αa+αs1，获得的方程如下所示：
其中α1为半球形试块1上的超声纵波第一衰减系数，αa为吸收衰减系数，αs1为半球形试块1的散射衰减系数，Ca为吸收衰减常数，Cs为散射衰减常数，f为超声纵波频率，d1为半球形试块1的平均晶粒尺寸，R为半球形试块1的球面半径，δ为半球形试块1的单次底波反射损失。
重复步骤S2与步骤S3，将频率为f的超声纵波探头固定在平均晶粒尺寸为d2、球面半径为R的半球形试块2的耦合面中心位置，采用超声检测仪激发生成超声纵波，由超声纵波探头发射超声纵波。超声纵波在半球形试块2的耦合面及反射面形成回波。通过超声检测仪记录超声纵波在半球形曲面的m次回波的第三波幅Bm和n次回波的第四波幅Bn(n＞m)。根据衰减系数与回波波幅之间的关系，计算半球形试块2的第二衰减系数α2，同时构建第二衰减系数与吸收衰减常数Ca及散射衰减常数Cs之间的方程，如下所示：
其中α2为半球形试块2上的超声纵波第二衰减系数，αa为吸收衰减系数，αs2为半球形试块2的散射衰减系数，Ca为吸收衰减常数，Cs为散射衰减常数，f为超声纵波频率，d2为半球形试块2的平均晶粒尺寸，R为半球形试块2的球面半径，δ为半球形试块2的单次底波反射损失。
将以上方程(1)与方程(2)进行联立，得到吸收衰减常数Ca及散射衰减常数Cs：
根据αa＝Caf及αs＝Csf4d3的固定关系式，计算得到待测工件的吸收衰减系数及散射衰减系数：
其中，dc为待测工件的平均晶粒尺寸。
步骤S4：选择待测工件的相对平行的两面分别作为其耦合面和反射面，并将预设频率的超声纵波探头固定在待测工件的耦合面，采用超声检测仪激发超声纵波并通过所述超声纵波探头发射至所述待测工件的反射面。
具体地，在本发明实施例中，选择待测工件相对平行的两面作为耦合面及反射面，若待测工件上不具备与耦合面近似平行的反射面，则设计与待测工件材质属性均相同的形状规则的测试工件。将频率为f的超声纵波探头固定在待测工件或测试工件的耦合面中心位置，采用超声检测仪激发超声纵波探头生成超声纵波，由超声纵波探头发射和接收超声纵波。
步骤S5：所述超声纵波在待测工件的耦合面与反射面之间形成回波，通过所述超声检测仪记录超声纵波在待测工件对应反射面形成的预设次数回波的波幅，并根据回波的波幅及所述吸收衰减系数及散射衰减系数计算待测工件的扩散衰减系数。
具体地，在本发明实施例中，超声纵波在待测工件的耦合面及反射面形成回波。通过超声检测仪记录超声纵波在反射面的m次回波的第五波幅Cm和n次回波的第六波幅Cn(n＞m)。根据回波波幅计算待测工件的第三衰减系数α3，并根据已获得的待测工件吸收衰减系数及散射衰减系数计算扩散衰减系数，计算公式如下所示：
αdc＝α3-αac-αsc (8)
其中，H为待测工件的厚度，δc为待测工件的单次底波反射损失。
本发明实施例提供的超声纵波衰减系数的测量装置的工作方法，通过预先根据超声纵波的衰减特性设计半球形试块，由超声检测仪生成预设频率的超声纵波，并由固定于测试试块或待测工件耦合面的超声纵波探头将超声纵波发射至对应的反射面，超声纵波在耦合面与反射面之间形成回波，并通过超声检测仪记录预设次数回波的波幅，根据测试试块的回波波幅获得对超声纵波的吸收衰减常数、散射衰减常数，进而计算出待测工件的吸收衰减系数和散射衰减系数，根据待测工件的吸收衰减系数、散射衰减系数及待测工件的回波波幅计算其对超声纵波扩散衰减系数。本发明通过预先设计的测试试块消除衰减系数测量中扩散衰减的影响，依次计算待测工件的吸收衰减系数、散射衰减系数及扩散衰减系数，获得与待测工件形状尺寸相匹配的扩散衰减系数，提高超声纵波衰减系数测量的精确度。
实施例3
本发明实施例提供了一种超声纵波衰减系数的测量装置的工作方法，该方法基于实施例1提供的装置进行衰减系数的测量，测试试块以大平底试块为例，步骤包括：
步骤S1：确定测试试块的耦合面及反射面，选择半球形试块的平面作为耦合面，半球形曲面为反射面，或选择大平底试块相对平行的上下两面分别作为其耦合面和反射面。
具体地，在本发明实施例中，预先根据待测工件的材质属性及超声纵波的衰减特性设计大平底试块，使得超声纵波探头耦合在大平底试块上表面之后，发射的纵波可以在大平底试块上下两面间往复反射。因此通过确定大平底试块的耦合面与反射面，以此确定超声纵波探头的固定位置。
步骤S2：将预设频率的超声纵波探头分别固定在预设个数测试试块的耦合面，采用超声检测仪激发超声纵波并通过所述超声纵波探头发射至各个测试试块对应的反射面。
具体地，在本发明实施例中，大平底试块的个数设置为2个，但不以此为限。两个大平底试块的平均晶粒尺寸分别为d1和d2，厚度均为h。选择大平底试块相对的两面分别作为其耦合面和反射面。在本发明实施例中，如图4所示，将频率为f的超声纵波探头固定在平均晶粒尺寸为d1、厚度为h的大平底试块1的耦合面中心位置，采用超声检测仪激发超声纵波探头生成超声纵波并垂直于大平底试块反射面方向发射。
步骤S3：所述超声纵波在各个测试试块的耦合面与反射面之间形成回波，通过所述超声检测仪记录超声纵波在各个测试试块对应反射面形成的预设次数回波的波幅，根据回波的波幅获得吸收衰减常数和散射衰减常数，并根据所述吸收衰减常数和散射衰减常数计算待测工件的吸收衰减系数及散射衰减系数。
具体地，在本发明实施例中，超声纵波在大平底试块1的耦合面及反射面形成回波。通过超声检测仪记录超声纵波在反射面的m次回波的第一波幅Am和n次回波的第二波幅An(n＞m)。根据衰减系数与回波波幅之间的关系，计算大平底试块1的第一衰减系数α1。同时构建第一衰减系数与吸收衰减常数Ca及散射衰减常数Cs之间的第一方程，其中，衰减系数为吸收衰减系数、散射衰减系数及扩散衰减系数之和。由于大平底试块具有规则的形状及较大的尺寸，因此其扩散衰减系数αd符合衰减公式，如下所示：
因此大平底试块1的衰减系数为：α1＝αa+αs1+αd，获得的方程如下所示：
其中α1为大平底试块1上的超声纵波第一衰减系数，αa为吸收衰减系数，αs1为大平底试块1的散射衰减系数，Ca为吸收衰减常数，Cs为散射衰减常数，f为超声纵波频率，d1为大平底试块1的平均晶粒尺寸，h为大平底试块1的厚度，δ为大平底试块1的单次底波反射损失。
重复步骤S2与步骤S3，将频率为f的超声纵波探头固定在平均晶粒尺寸为d2、厚度为h的大平底试块2的耦合面中心位置，采用超声检测仪激发超声纵波探头生成超声纵波。超声纵波在大平底试块2的耦合面及反射面形成回波。通过超声检测仪记录超声纵波在反射面的m次回波的第三波幅Bm和n次回波的第四波幅Bn(n＞m)。根据衰减系数与回波波幅之间的关系，计算大平底试块2的第二衰减系数α2。同时构建第二衰减系数与吸收衰减常数Ca及散射衰减常数Cs之间的方程，如下所示：
其中α2为大平底试块2上的超声纵波第二衰减系数，αa为吸收衰减系数，αs2为大平底试块2的散射衰减系数，Ca为吸收衰减常数，Cs为散射衰减常数，f为超声纵波频率，d2为大平底试块2的平均晶粒尺寸，h为大平底试块2的厚度，δ为大平底试块2的单次底波反射损失。
将以上方程(10)与方程(11)进行联立，得到吸收衰减常数及散射衰减常数：
根据αa＝Caf及αs＝Csf4d3，计算得到待测工件的吸收衰减系数及散射衰减系数：
其中，dc为待测工件的平均晶粒尺寸。
步骤S4：选择待测工件的相对平行的两面分别作为其耦合面和反射面，并将预设频率的超声纵波探头固定在待测工件的耦合面，采用超声检测仪激发超声纵波并通过所述超声纵波探头发射至所述待测工件的反射面。
具体地，在本发明实施例中，将频率为f的超声纵波探头固定在待测工件的耦合面中心位置，采用超声检测仪激发超声纵波探头生成超声纵波。若待测工件上不具备与耦合面近似平行的反射面，则将超声纵波探头固定在所制作加工的待测试块的耦合面。
步骤S5：所述超声纵波在待测工件的耦合面与反射面之间形成回波，通过所述超声检测仪记录超声纵波在待测工件对应反射面形成的预设次数回波的波幅，并根据回波的波幅及所述吸收衰减系数及散射衰减系数计算待测工件的扩散衰减系数。
具体地，在本发明实施例中，超声纵波在待测工件的耦合面及反射面形成回波。通过超声检测仪记录超声纵波在反射面的m次回波的第五波幅Cm和n次回波的第六波幅Cn(n＞m)。根据回波波幅计算待测工件的第三衰减系数α3，并根据已获得的待测工件吸收衰减系数及散射衰减系数计算扩散衰减系数，计算公式如下所示：
αdc＝α3-αac-αsc (17)
其中，H为待测工件的厚度，δc为待测工件的单次底波反射损失。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (9)

1.一种超声纵波衰减系数的测量装置，其特征在于，包括：超声检测仪、超声纵波探头及预设个数的测试试块；
所述超声检测仪，用于激发所述超声纵波探头生成预设频率的超声纵波，并记录所述超声纵波在测试试块和待测工件的反射面形成的预设次数回波的波幅，根据所述波幅依次计算所述待测工件的吸收衰减系数、散射衰减系数及扩散衰减系数；
所述超声纵波探头，用于固定在所述测试试块或待测工件的耦合面，将通过所述超声检测仪激发所生成的超声纵波进行发射，及接收所述超声纵波的回波并返回给超声检测仪；
所述测试试块，根据待测工件的材质属性及超声纵波的衰减特性进行设计，用于接收所述超声纵波，并在反射面形成回波，所述回波用于所述待测工件的吸收衰减系数、散射衰减系数及扩散衰减系数的计算；
所述测试试块，包括：预设个数的半球形试块或预设个数的大平底试块，所述半球形试块或大平底试块的表面粗糙度、声阻抗、材质均与所述待测工件相同；
各个所述半球形试块的球面半径均相同，且设置为大于所述超声纵波探头近场区的预设倍数，所述表面粗糙度设置为小于纵波波长的第一预设比例，各个所述半球形试块的平均晶粒尺寸互不相同，且设置为小于纵波波长的第二预设比例；
各个所述大平底试块的厚度均相同，且设置为大于所述超声纵波探头近场区的预设倍数，所述表面粗糙度设置为小于纵波波长的第一预设比例，各个所述大平底试块的平均晶粒尺寸互不相同，且设置为小于纵波波长的第二预设比例。
2.根据权利要求1所述的超声纵波衰减系数的测量装置，其特征在于，所述超声纵波探头配备磁吸或压紧装置，用于保证所述超声纵波探头的耦合力在不同测试试块或待测工件上测量时保持一致。
3.根据权利要求1所述的超声纵波衰减系数的测量装置，其特征在于，若所述待测工件上不具备与耦合面近似平行的反射面，则制作与所述超声纵波探头的声束扩散截面面积相同的待测试块，所述待测试块的厚度、材质及表面粗糙度均与所述待测工件相同。
4.一种超声纵波衰减系数的测量装置的工作方法，其特征在于，基于权利要求1-3所述的装置进行超声纵波衰减系数的测量，所述工作方法，包括：
确定测试试块的耦合面及反射面，选择半球形试块的平面作为耦合面，半球形曲面为反射面，或选择大平底试块相对平行的上下两面分别作为其耦合面和反射面；
将预设频率的超声纵波探头分别固定在预设个数测试试块的耦合面，采用超声检测仪激发超声纵波并通过所述超声纵波探头发射至各个测试试块对应的反射面；
所述超声纵波在各个测试试块的耦合面与反射面之间形成回波，通过所述超声检测仪记录超声纵波在各个测试试块对应反射面形成的预设次数回波的波幅，根据回波的波幅获得吸收衰减常数和散射衰减常数，并根据所述吸收衰减常数和散射衰减常数计算待测工件的吸收衰减系数及散射衰减系数；
选择待测工件的相对平行的两面分别作为其耦合面和反射面，并将预设频率的超声纵波探头固定在待测工件的耦合面，采用超声检测仪激发超声纵波并通过所述超声纵波探头发射至所述待测工件的反射面；
所述超声纵波在待测工件的耦合面与反射面之间形成回波，通过所述超声检测仪记录超声纵波在待测工件对应反射面形成的预设次数回波的波幅，并根据回波的波幅及所述吸收衰减系数及散射衰减系数计算待测工件的扩散衰减系数。
5.根据权利要求4所述的超声纵波衰减系数的测量装置的工作方法，其特征在于，
所述超声纵波的入射点为测试试块或待测工件耦合面的中心位置；
所述超声纵波通过所述半球形试块的球心并沿所述半球形试块的半径方向发射，或垂直于大平底试块反射面方向发射。
6.根据权利要求4所述的超声纵波衰减系数的测量装置的工作方法，其特征在于，所述半球形试块的扩散衰减对衰减系数测量的影响为0，所述大平底试块的扩散衰减系数满足衰减公式。
7.根据权利要求4所述的超声纵波衰减系数的测量装置的工作方法，其特征在于，所述半球形试块或大平底试块个数至少为2个。
8.根据权利要求7所述的超声纵波衰减系数的测量装置的工作方法，其特征在于，所述通过所述超声检测仪记录超声纵波在各个测试试块对应反射面形成的预设次数回波的波幅，根据回波的波幅获得吸收衰减常数和散射衰减常数，并根据所述吸收衰减常数和散射衰减常数计算待测工件的吸收衰减系数及散射衰减系数的过程，包括：
所述超声纵波在第一测试试块的反射面及第二测试试块的反射面形成回波；
记录所述超声纵波在第一测试试块反射面形成的m次回波的第一波幅及n次回波的第二波幅；
根据所述第一波幅及第二波幅计算第一测试试块的第一衰减系数，并构建所述第一衰减系数与吸收衰减常数及散射衰减常数之间的第一方程；
记录所述超声纵波在第二测试试块反射面形成的m次回波的第三波幅及n次回波的第四波幅；
根据所述第三波幅及第四波幅计算第二测试试块的第二衰减系数，并构建所述第二衰减系数与吸收衰减常数及散射衰减常数之间的第二方程；
将第一方程及第二方程进行联立来计算吸收衰减常数及散射衰减常数；
根据所述吸收衰减常数及散射衰减常数计算待测工件的吸收衰减系数及散射衰减系数。
9.根据权利要求8所述的超声纵波衰减系数的测量装置的工作方法，其特征在于，所述通过所述超声检测仪记录超声纵波在待测工件对应反射面形成的预设次数回波的波幅，并根据回波的波幅及所述吸收衰减系数及散射衰减系数计算待测工件的扩散衰减系数的过程，包括：
所述超声纵波在待测工件的反射面形成回波；
记录所述超声纵波在待测工件反射面形成的m次回波的第五波幅及n次回波的第六波幅；
根据所述第五波幅及第六波幅计算待测工件的第三衰减系数；
根据所述待测工件的第三衰减系数、吸收衰减系数及散射衰减系数计算扩散衰减系数。
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