CN116698984A - 一种薄膜的水声性能测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种薄膜的水声性能测试方法：(1)以类水介质为基底制备待测薄膜，作为待测样品；(2)分别测试有待测样品和无待测样品时接收换能器的超声波信号；(3)根据步骤(2)中的两超声波信号计算薄膜的声学性能。该方法在测试时可以提高薄膜材料的平整性和完整性，更易于进行声学性能测试。
Description
技术领域
本发明属于声学性能测试领域，特别涉及一种薄膜的水声性能测试方法。
背景技术
薄膜在声学领域应用广泛，比如梯度匹配层、声学超表面、声学超透镜等。臧剑锋教授团队(Tang,H.,et al."Acoustic Metasurfaces:Hollow-Out Patterning UltrathinAcoustic Metasurfaces for Multifunctionalities Using Soft fiber/Rigid BeadNetworks(Adv.Funct.Mater.36/2018)."Advanced Functional Materials 28.36(2018):1870251-.)报道了一种软纤维/刚性珠网组成的超薄声学超表面，利用激光切割的方法在薄膜上加工不同的镂空图案，将超表面粘在薄且强度高的塑料薄膜上，用扬声器发射声波，用麦克风扫描声场，测试其声学涡旋、声学超振荡等声学现象。
如采用公开号为CN103471998A的中国专利公开的超声材料反射和透射系数激光测量系统，将测试支架放置在水池中，将测试样品放在测试支架上。
然而上述方法不适于容易卷曲、起褶或破裂的薄膜材料的水下声学测试，会导致测试结果产生误差，甚至难以进行声学性能测试。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以类水介质为基底的薄膜声速测试方法，该方法在测试时可以提高薄膜材料的平整性和完整性，更易于进行声学性能测试。
本发明提供如下技术方案：
一种薄膜的水声性能测试方法，所述测试方法包括：
(1)以类水介质为基底制备待测薄膜，作为待测样品；
(2)分别测试有待测样品和无待测样品时接收换能器的超声波信号；
(3)根据步骤(2)中的两超声波信号计算薄膜的声学性能。
在本发明中，所述的薄膜为在无基底时容易卷曲起褶或破裂的薄膜。本发明中的薄膜也可以称之为柔性薄膜，薄膜可以为单一组分或复合薄膜。部分薄膜在厚度小于一定程度后容易卷曲起褶，不利于声学测试。而薄膜的厚度下限取决于超声波的频率、材料的声学特性和示波器分辨率，只要有无信号时的时间差或幅值差能被分辨出来，就可以用此方法进行声学性能测试。
在本发明中，所述测试方法采用的测试装置包括水箱、样品夹具、信号发生器、收发换能器(发射换能器和接收换能器)和示波器，利用发射换能器发射超声波信号，利用接收换能器接收超声波信号。
所述类水介质为水凝胶。
所述水凝胶选自琼脂糖水凝胶或海藻酸钠水凝胶。
所述以类水介质为基底制备待测薄膜的方法为：在基底上流延或生长待测薄膜。
本发明利用定制模具压制厚度均一、表面平整的类水介质，以保证在基底上流延或生长的薄膜材料具有均一的厚度及平整的表面。
根据两超声波信号的时间差计算薄膜的声速，根据两超声波信号的幅值比计算薄膜的透射系数。
进一步地，所述声速的计算公式如下所示：
其中，t为两超声波信号的时间差、d为薄膜的厚度、cw为水的声速。
进一步地，所述透射系数的计算公式如下所示：
其中AS为有待测样品时接收换能器的超声波信号的幅值，A0为无待测样品时接收换能器的超声波信号的幅值。
本发明的技术构思在于：将声学特性与水相似的介质作为基底，在基底上制备薄膜材料并测试其水声性能，具有高分辨率的超声波信号，以获得能分辨的相位差即时间差，从而计算得到薄膜的声学性能如透射系数、声速等。这是因为类水介质传播后的声波信号与在水中传播相同距离后的声波信号几乎重合，也就是说在水环境下携带振幅与相位信息的声波在所述类水介质中传播后几乎不发生变化。
本发明提供了一种测试薄膜水声性能的方法，利用声学性能类水的介质作为基底，在不丢失声波携带的振幅与相位信息的基础上，在测试时提高薄膜材料的平整性和完整性，克服了薄膜材料易卷曲起褶导致声学性能测试困难这一问题，使其可以进行水下声学性能测试和减少测试结果产生误差的现象。
附图说明
图1为本发明的以类水介质为基底的薄膜制备及测试示意图；
图2为超声波在琼脂糖水凝胶基底和水中传播的信号图；
图3为含10％钨粉的硅胶柔性薄膜的实物状态，(a无基底，(b有基底；
图4为具有琼脂糖基底的纯硅胶柔性薄膜的声速测试图；
图5为具有琼脂糖基底的含10％钨粉的硅胶薄膜的声速测试图；
图6为具有琼脂糖基底的含20％钨粉的硅胶薄膜的声速测试图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为本发明的限定。
本发明提供一种薄膜材料水声性能测试方法，在声学特性与水相似的基底上制备特定厚度的薄膜材料，测试其水声性能，包括透反射系数、声速等。声学特性与水相似的基底的具体制备方法可以为：配制合适浓度的亲水高分子热溶液，静置排除气泡。将澄清的亲水高分子热溶液倒入定制模具中冷却固化，压制厚度均一、表面平整的类水介质，以保证在基底上制备的柔性薄膜具有均一的厚度及平整的表面。
实施例
本实施例提供的测试方法的操作步骤如图1所示，具体为：
步骤1，配制合适浓度的琼脂糖水溶液，静置排除气泡：取4.5g琼脂糖粉末，加入150mL去离子水，110℃水浴加热搅拌至完全澄清；70℃静置2h去除气泡。
步骤2，将澄清的琼脂糖水溶液倒入定制模具中冷却固化，压制琼脂糖水凝胶：将澄清无气泡的琼脂糖水溶液倒入深度为3mm的定制模具，盖上顶板并压制，等待冷却固化，得到澄清无气泡、厚度均一、表面平整的琼脂糖水凝胶。
步骤3，测试上述琼脂糖水凝胶的水声性能。将水凝胶夹入样品夹具，放入水箱，利用一对换能器发射及接收超声波信号，记录放入琼脂糖水凝胶时与无水凝胶时示波器接收到的超声波信号，如图2所示，在琼脂糖水凝胶传播后的声波信号与在水中传播相同距离后的声波信号几乎重合，也就是在水环境下携带振幅与相位信息的声波在上述琼脂糖基底中传播后几乎不发生变化。
步骤4，在厚度均一、表面平整的琼脂糖基底上流延或生长具有不同质量分数的钨粉-硅胶薄膜。测量琼脂糖基底的厚度，根据所需薄膜材料的厚度设定刮刀高度，配置钨粉质量分数为0％、10％、20％的硅胶混合液，进行流延处理，静置等待固化成膜。在基底上流延的薄膜平整性好，而无基底的薄膜容易卷曲起褶，如图3所示。从图3中的(a可以看出，没有基底的薄膜会卷曲自粘，甚至破裂，无法进行声学测试；但有本发明所述基底的薄膜可以进行该测试。
步骤5，测试生长在琼脂糖基底上的钨粉-硅胶薄膜的水声性能，包括透/反射系数、声速等。将样品放入水箱，利用发射换能器发射超声波信号，利用接收换能器接收信号。记录放入样品时与无样品时示波器接收到的超声波信号，如图4-6所示。利用两信号之间的时间差t、薄膜厚度d、水的声速cw计算薄膜的声速，计算公式如下所示：
求得质量分数为0％、10％、20％的钨粉-硅胶薄膜的声速分别为为962.5m/s、917.4m/s、889.3m/s。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种薄膜的水声性能测试方法，其特征在于，所述测试方法包括：
(1)以类水介质为基底制备待测薄膜，作为待测样品；
(2)分别测试有待测样品和无待测样品时接收换能器的超声波信号；
(3)根据步骤(2)中的两超声波信号计算薄膜的声学性能。
2.根据权利要求1所述的薄膜的声学性能测试方法，其特征在于，所述类水介质为水凝胶。
3.根据权利要求2所述的薄膜的声学性能测试方法，其特征在于，所述水凝胶选自琼脂糖水凝胶或海藻酸钠水凝胶。
4.根据权利要求1所述的薄膜的声学性能测试方法，其特征在于，所述以类水介质为基底制备待测薄膜的方法为：在基底上流延或生长待测薄膜。
5.根据权利要求1所述的薄膜的声学性能测试方法，其特征在于，根据两超声波信号的时间差计算薄膜的声速。
6.根据权利要求5所述的薄膜的声学性能测试方法，其特征在于，所述声速的计算公式如下所示：
其中，t为两超声波信号的时间差、d为薄膜的厚度、cw为水的声速。
7.根据权利要求1所述的薄膜的声学性能测试方法，其特征在于，根据两超声波信号的幅值比计算薄膜的透射系数。
8.根据权利要求7所述的薄膜的声学性能测试方法，其特征在于，所述透射系数的计算公式如下所示：
其中AS为有待测样品时接收换能器的超声波信号的幅值，A0为无待测样品时接收换能器的超声波信号的幅值。
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