用信号分析技术检测材料的声速和衰减

　　一般而言,各种应用材料不仅应有很好的物理及化学性能,而且还要有足够的结构强度及较长的寿命,所以对材料的各种性能进行检测是很重要的.声速和衰减是材料的重要物理参数,声速不仅与材料的弹性性质有关,而且与材料的强度、弹性模量也有关;衰减则与材料的粘塑性有关.因此,提高检测材料的声速和衰减的精度很重要,已成为研究课题.现今,微机和软件的快速发展以及信号处理技术的进步,都为超声检测提供了有力工具1),[1,2].本文介绍用超声回波技术测量声速和衰减的研究与实验工作.

　　1 脉冲回波信号分析技术

　　通常超声检测中是利用超声脉冲法测量声速和衰减的.如果超声脉冲在媒质中传播一定距离d所需的时间为t,则声速c为

　　其中,t0为仪器初始零读数,它是通过已知声时的标准试件而测量的.

　　脉冲法测量媒质衰减,一般是通过测量脉冲多次反射回波的脉冲幅度来进行的.如果第一回波脉冲幅度为A',第二回波脉冲幅度为A'',则衰减系数A为

　　在脉冲回波技术中,如果令被测试件中的两个相继反射回波B1和B2(见图1)分别为系统的输入和输出信号,那么当B1的时域函数为x(t)时,B2的时域函数y(t)可表示为

　　这两个时域信号的傅氏变换分别为

　　其中,ω=2πf,f为频率.由式(3),有

　　因而两个时域信号的傅氏变换存在关系

　　于是两者的传递函数H(ω)为

　　这样便可算得传递函数的幅值和相位

　　因此,将每一时域回波信号进行傅氏变换为频域量后,由式(9)和式(10),得到材料的声速c和衰减系数α,即

　　由于传递函数存在非线性相位响应,波形的失真将引起频率成分的改变,因此适当选择回波信号中心频率附近的频率范围或减少失真,可以得到线性的相位响应,此时相位在这一频率范围的斜率就是第一回波(B1)和第二回波(B2)之间的时间滞后.

　　2 材料超声波衰减品质因素Q的测量原理

　　有些材料(例如岩石等)并非理想弹性体,而是接近于粘弹性体.超声波在这些材料中传播时,由于摩擦等原因,伴随有热效应,出现波的衰减.对于一般岩石,可取与波动频率成比例衰减的粘弹性模型来描述相应的应力与应变关系.

　　为了描述超声波衰减的能量损失,通常还采用一个无量纲超声波衰减品质因素Q,其定义为

　　Q值表示岩石在波动过程中应变为极大时所贮藏的弹性能与岩石经过一个波动循环所消耗的能量(即转化为热能的那部分能量)Δ的比值.它与具体的衰减机制无关.经推导,可得Q为