基于超声Lamb波零群速度共振测量双层薄板各层厚度的方法及装置

基于超声lamb波零群速度共振测量双层薄板各层厚度的方法及装置
技术领域
1.本发明涉及超声领域，具体涉及一种基于超声lamb波零群速度共振测量双层薄板各层厚度的方法及装置。


背景技术：

2.双层薄板材料在建筑业、航空航天、医药、压力容器制造、镀膜技术等方面都有非常广泛的应用。厚度是板状材料的重要参数，因此对厚度进行表征具有重要意义。超声波测量方法具有对被测结构要求低、空间分辨率高、受测试环境影响小等优点，广泛用于物体厚度的测量。目前，常用的超声波测量方法有脉冲回波法等。脉冲回波法通过测量超声脉冲在样品中的传播时间，然后根据传播速度求样品厚度。如文献1(zheng wei lei,man ke niu and xiang hua.multilayer ultrasonic echo structured sparse model and its application[j].advanced materials research,2013,2438(718-720):1043-1048.)。当薄层厚度小于波长量级时，被测样品上下表面、交界面处的反射回波混叠在一起，导致薄层测厚无法实现。
[0003]
因此，需要一种当双层薄板厚度在波长量级甚至小于波长时，也能很好地测量各层厚度的方法以解决上述问题。


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的在于提供一种基于超声lamb波零群速度共振测量双层薄板各层厚度的方法及装置，利用lamb波s1模态中存在一个波数不为零但频率最小的特殊位置，该位置能量不传播，在频域形成一个尖锐的共振峰，利用共振峰频率值与双层板厚度比之间的关系，对双层薄板各层厚度进行表征。
[0005]
实现本发明目的的技术解决方案为：第一方面，本发明提供一种基于超声lamb波零群速度共振测量双层薄板各层厚度的方法，双层薄板lamb波零群速度频率与两板厚度比有关，理论推导出双层薄板lamb波波数k和频率f与薄板厚度比之间的关系式，作不同厚度比下的lamb波频散曲线，频散曲线上斜率为零但波数不为零的点的频率称为zgv频率，其中各层厚度用两板厚度比和总厚度描述；实验测得零群速度频率，确定对应的厚度比，求出各层厚度。
[0006]
在其中一个实施例中，采用激光激发，激光多普勒测振仪探测的方式进行lamb波zgv共振模式的激发探测实验，得到待测样品的zgv频率，再对照理论zgv频率随厚度比变化曲线，找到对应的厚度比，从而得到各层厚度。
[0007]
在其中一个实施例中，假定两板密度为ρi，纵波速度为c
li
，横波速度为c
ti
，厚度比为r，i表示在第几层，i＝1、2，总厚度为d，于是可得到双层薄板lamb波频率f与厚度比r满足以下行列式值为零的矩阵：
[0008][0009]
式中：pi满足qi满足k为波数，ω为角频率，ω＝2πf，f为频率，为拉梅常数，为横波波矢。
[0010]
在其中一个实施例中，在材料密度、横波速度和总厚度已知的情况下，通过值为零的矩阵行列式，得到不同厚度比r下lamb波频散曲线，zgv频率对应曲线上斜率为零，但波数k≠0的点，作zgv频率随厚度比r变化的曲线。
[0011]
在其中一个实施例中，将频谱共振峰频率值对照zgv频率随厚度比变化的曲线，找到相应的厚度比r，便可求出双层薄板第一层厚度h1为：第二层厚度h2为：其中d为总厚度。
[0012]
第二方面，本发明提供一种基于超声lamb波零群速度共振测量双层薄板各层厚度的装置，包括nd：yag激光器、衰减片、凸透镜、激光多普勒测振仪、示波器和计算机；所述nd：yag激光器出射脉冲激光，透过衰减片入射到凸透镜上，通过调节衰减片控制入射激光的能量，光束经凸透镜聚焦成为圆形光斑辐照在样品前表面；激光多普勒测振仪出射激光，并经系统自聚焦成微小光点垂直入射在样品后表面，探测光与激发光对心；超声信号转换为电信号显示在示波器中，时域信号经傅里叶变换后得到频谱，将频谱共振峰频率值对照zgv频率随厚度比变化的曲线，找到相应的厚度比r，求出双层薄板第一层厚度h1为：第二层厚度h2为：其中d为总厚度。
[0013]
在其中一个实施例中，所述nd：yag激光器的波长为1060nm，脉宽为7ns。
[0014]
第三方面，本发明提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现第一方面所述的方法的步骤。
[0015]
第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现第一方面所述的方法的步骤。
[0016]
第五方面，本发明提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处
理器执行时实现第一方面所述的方法的步骤。
[0017]
与现有技术相比，本发明的有益特点是：lamb波是一种板波，当双层薄板厚度为波长量级甚至小于波长时，可通过检测双层薄板lamb波zgv频率来确定各层厚度，与传统脉冲回波法相比，不存在上下表面和交界面处回波混叠，无法测量层板厚度的情况。
[0018]
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
[0019]
图1是铝/锡双层薄板的几何描述示意图。
[0020]
图2是铝/锡双层薄板lamb波s1模态zgv频率随厚度比r变化的曲线。
[0021]
图3是实现此方法的实验装置示意图。
具体实施方式
[0022]
本发明提出一种测量双层薄板各层厚度的lamb波零群速度方法，双层薄板lamb波零群速度(zero-group-velocity，zgv)频率与两板厚度比有关，理论推导出双层薄板lamb波波数k和频率f与薄板厚度比之间的关系式，作不同厚度比下的lamb波频散曲线，频散曲线上斜率为零但波数不为零的点的频率称为zgv频率，其中各层厚度用两板厚度比和总厚度描述。
[0023]
假定两板密度为ρi，纵波速度为c
li
，横波速度为c
ti
，厚度比为r，i表示在第几层，i＝1、2，总厚度为d，于是可得到双层薄板lamb波频率f与厚度比r满足以下行列式值为零的矩阵：
[0024][0025]
式中：pi满足qi满足k为波数，ω为角频率，ω＝2πf，f为频率，为拉梅常数，为横波波矢。
[0026]
通过上式作已知材料的双层薄板在不同厚度比下lamb波频散曲线，求出zgv频率，作zgv频率随厚度比变化的曲线；进行lamb波zgv共振模式的激发探测实验，得到样品的zgv频率，再对照理论zgv频率随双层薄板厚度比变化的曲线，找到对应的厚度比，从而得到各
层厚度。
[0027]
该方法具体实施方式如下：
[0028]
第一步，在材料密度、横波速度和双层薄板总厚度已知的情况下，得到不同厚度比r下的lamb波频散曲线，频散曲线上斜率为零但波数不为零的点的频率为zgv频率；
[0029]
第二步，作zgv频率随两板厚度比r变化的曲线；
[0030]
第三步，采用激光激发，激光多普勒测振仪探测的方式进行lamb波zgv共振模式的激发探测实验，得到样品的zgv频率；
[0031]
波长1060nm，脉宽7ns的nd：yag激光器出射脉冲激光，透过衰减片入射到凸透镜上，通过调节衰减片可以控制入射激光的能量，光束经凸透镜聚焦成圆形光斑辐照在样品前表面。激光多普勒测振仪出射激光，并经系统自聚焦成微小光点在样品后表面，探测光与激发光对心。超声信号转换为电信号显示在示波器中，时域信号经傅里叶变换后得到频谱，读取频谱中共振峰频率值。
[0032]
第四步，用步骤三测得的zgv频率在步骤二的曲线中找到对应的厚度比r，便可求出双层薄板各层厚度。两板厚度比为r，总厚度为d，则第一层厚度h1为：第二层厚度h2为：
[0033]
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
[0034]
实施例
[0035]
本发明测量双层薄板各层厚度的lamb波零群速度方法，以铝/锡双层薄板为例，铝板和锡板的密度、横波速度已知，两板各自的厚度待测，图1为该双层薄板的几何示意图。
[0036]
第一步，通过lamb波波数k和频率f满足的方程，计算得到不同厚度比r下的铝/锡双层薄板lamb波频散曲线，在频散曲线上找到s1模态zgv频率，zgv频率对应频散曲线上斜率为零但波数不为零的点的频率，其中r表示为铝层厚度与锡层厚度的比值，其变化范围为[1/9,9]；
[0037]
第二步，作铝/锡双层薄板lamb波s1模态zgv频率随两板厚度比r变化的曲线，见图2，从图中可以发现，这两种材料组成的双层薄板lamb波s1模态zgv频率随两板厚度比r单调递增，两者是一一对应的关系；
[0038]
第三步，采用激光激发，激光多普勒测振仪探测的方式进行lamb波zgv共振模式的激发探测实验，图3为实验装置图。通过探测得到铝/铜双层薄板样品s1模态zgv频率，其中双层薄板中铝层和锡层的厚度未知，总厚度可由游标卡尺读出；
[0039]
波长1060nm，脉宽7ns的nd：yag激光器出射脉冲激光，透过衰减片入射到凸透镜上，通过调节衰减片可以控制入射激光的能量，光束经凸透镜聚焦成圆形光斑辐照在样品前表面。激光多普勒测振仪出射激光，并经系统自聚焦成微小光点在样品后表面，探测光与激发光对心。超声信号转换为电信号显示在示波器中，时域信号经傅里叶变换后得到频谱，读取频谱中共振峰频率值。
[0040]
第四步，由于铝/锡双层薄板lamb波s1模态zgv频率与两板厚度比r一一对应，于是用步骤三测得的s1模态zgv频率在步骤二的曲线中可找到唯一的厚度比双层板总厚度为便可求出各层厚度。铝层厚度为：锡层厚度为：