基于声表面波探测各向异性材料表层杨氏模量的检测方法
基于声表面波探测各向异性材料表层杨氏模量的检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及材料性能检测技术领域，尤其涉及一种基于声表面波探测各向异性材 料表层杨氏模量的检测方法。
【背景技术】
[0002] 随着科学技术的迅猛发展，以高温、高压、高速度和高负荷为标志的现代工业对于 产品质量的要求也愈加严格。作为产品质量控制和设备安全运行保障的主要手段，检测技 术在现代制造业中发挥着其至关重要的作用，享有"工业卫士"的美誉。与传统的损伤性检 测技术相比，无损检测技术能够在保证产品质量的前提下，不破坏产品原来的形状，确保产 品的使用性能和安全可靠性，从而适应现代工业技术的发展潮流。当前国内外无损检测的 相关技术主要包括射线检测、渗透检测法、电磁检测、涡流检测、扫描电子显微镜法、红外无 损检测、超声波检测等。
[0003] 射线检测是通过被测试件对透射线的不同吸收程度来检测被测件内部缺陷的探 伤方法，目前常用的射线检测技术主要有y射线、X射线以及中子射线等，其中X射线应 用最为普遍。射线检测技术通常情况下应用在焊缝及铸件中的气孔、未焊透、夹渣、冷隔等 缺陷的检测中，该检测方法可以直观形象的显示出被测试件表面甚至内部的缺陷图像，不 但可以进行缺陷的定性分析，而且可以定量分析缺陷损伤，金属、非金属、复合材料等所有 材料都能够使用射线检测方法进行缺陷的检测，但是射线检测技术的缺点是射线对人体有 害，检测成本高，而且操作程序较为复杂，难于检测到与射线方向垂直的表面层缺陷。
[0004] 渗透检测是利用毛细管的作用原理来探测试件表面的开口损伤，该方法主要是将 渗透液渗透到有缺陷的地方，用去除剂清洗掉表面的渗透液后用显像剂析出渗透液（毛细 管作用）再进行检查，主要包括渗透、清洗、显像、检查等步骤。渗透检测方法的检测过程 操作简单，成本较低，可检测多种类型的缺陷和各种材料，其缺点是仅可以检测出试件表面 的开口缺陷，无法显示亚表面、表面内部的缺陷，而且多孔材料的损伤检测一般不使用该方 法。实际应用中，渗透检测主要应用于陶瓷、玻璃制品的表面裂纹、非多孔材料等缺陷检测。
[0005] 电磁检测又称为磁粉检测，主要检测过程是将被测试件放置于磁粉的环境下，当 磁性材料试件被磁粉磁化后，因为试件损伤导致材料的不连续性，被测试件表面和亚表面 的磁力线会发生相应的局部变形，进而产生了漏磁场，在适当的光照下，吸附在被测试件表 面的磁粉便形成可目测的磁痕，因此可以根据磁痕的特性来判断显示缺陷的特点。磁粉检 测方法操作方便、设备应用简单，能够迅速直接的观察到缺陷位置和大小，检测灵敏度高， 但是该技术对被检测试件材料有要求，检测对象只能是铁磁性材料，某些场合检测后还需 要为工件退磁。因为该方法简单直观等优点，依然在航空、航天、石油等各行业使用。
[0006] 涡流检测是利用电磁感应原理来探测导电材料表面层以及近表面层损伤的方法， 该检测技术检测速度快，检测灵敏度高，适合大小各异的缺陷、形状多样的材料和小零件的 损伤检测，还可以在高温环境下进行损伤检测，而且在检测缺陷损伤的同时可检测材料的 电导率、磁导率、几何尺寸等，其缺点是仅可以检测导电材料的损伤，而且很难判别缺陷类 型。
[0007] 扫描电子显微镜法是一种电子光学检测技术，其主要原理是细聚焦高压电子束在 试件表面扫描时激发出电子、可见光等物理信号，利用这些物理信号来调制成图像，可以得 到有关物质微观形貌的信息。扫描电子显微镜法可以直观试件内部缺陷，并且能够从各种 角度观察，但是其局限性是很难在提高分辨率的同时满足扩大视场的要求。
[0008] 红外无损检测技术是一种现代无损检测技术，该检测方法是利用红外成像原理， 应用主动式受控加热来激发被检测对象的缺陷的方法，应用于检测中的热源一般是大功率 闪光灯、激光、电磁感应等。该检测方法具有图像直观、速度快、测量范围广等优点，缺点是 测量灵敏度受试件表面及基底的辐射影响，较难分辨出原试件，而且需要参考相应的标准 才能确定缺陷的位置、大小和形状等，对操作人员具有较高的技术要求。
[0009] 在众多的检测技术之中，利用超声波对工件的表面完整性进行研宄一直占据着测 量领域的热门地位。传统超声检测技术在作用时需要使用一种超声耦合剂，耦合剂的作用 是除去探头和试件间的空气，能够使超声波渗透到试件内部完成损伤检测，超声耦合剂的 使用提高了传统超声波检测的灵敏度和可靠性，但是由于大多数的耦合剂的物理和化学特 性容易受温度影响，随着检测环境下温度的升高，耦合剂的特性就会发生改变，最终会影响 实际检测结果。
[0010] 激光激发声表面波技术（LaserGeneratedSurfaceAcousticWave:LSAW)是在 传统超声检测技术基础上发展起来的一种现代无损检测技术，自1963年R.M.White提出在 固体表面激发声表面波的方法后，激光超声的激发原理和该技术在物理、化学、表面科学、 材料科学及生物医学等领域的应用得到了迅速的发展，应用声表面波技术探测各向异性材 料的杨氏模量可以为无损检测技术提供依据，同时激光超声技术激发的声表面波在材料表 面和亚表面的微裂纹损伤检测中的应用也备受关注。其应用涉及到光学、电学、声学、热学 及材料学等学科，它的发展规避了传统超声检测的不足，与传统超声检测技术相比，激光超 声表面波检测技术具有以下优点：
[0011] 1)在激光声表面波检测中，激光与被测试件之间不需要耦合剂，因此其激发是非 接触式的，不仅可以避免耦合剂产生的影响，而且可以实现声表面波远距离的激发和接收， 能够使该检测方法在高温、高压、有毒、辐射等恶劣环境中工作，增加了检测技术的应用范 围。
[0012] 2)表面波在被测试件内传播时可携带试件表面、亚表面缺陷信息，如杨氏模量、泊 松比、密度等机械物理性能参数，可以更准确直接的表达缺陷损伤的程度并做出损伤评估。
[0013] 3)由于声表面波的大部分能量集中在被测试件的表面，随着离开表面的深度能量 呈指数衰减，因此该技术从物理特性上来看非常适合检测超薄材料的缺陷损伤。
[0014] 4)由激光器激发的声表面波的脉冲宽度和激光束的脉宽有相同的数量级，要提高 声表面波技术的检测精度和检测微损伤的能力，就对声表面波的幅值、波长以及频率有一 定的要求。而由于激光测量技术的发展，目前激光器的脉冲宽度能够达到纳秒甚至更小，相 应的激光声表面波的振幅会大大提高，频率可以到千兆赫兹量级，波长也会到达微米量级， 因此激光声表面波的检测精度得到了提高，所能检测的损伤层厚度也越来越小。
【发明内容】
[0015] 本发明提供了一种基于声表面波探测各向异性材料表层杨氏模量的检测方法，本 发明缩短了工程材料的测试时间，提高了试件表面完整性的测试效率，极大的提高检测水 平，详见下文描述：
[0016] 一种基于声表面波探测各向异性材料表层杨氏模量的检测方法，所述检测方法包 括以下步骤：
[0017] 由脉冲激光器产生的短脉冲激光束在各向异性材料试件表面激发声表面波信号， 对声表面波信号进行傅里叶变换和数据拟合处理，获取试件某方向的色散曲线；
[0018] 在笛卡尔坐标系中，建立声表面波信号在弹性介质内的波动方程，通过设置初始 的参数条件来获得克里斯托弗方程并求解；
[0019] 根据连续应力边界条件，建立波速与波数的对应关系式，通过理论关系式获得理 论色散曲线；
[0020] 将实验获得的色散曲线与理论计算得到的色散曲线对比，从而确定被测试件的杨 氏模量值。
[0021 ] 其中，所述由脉冲激光器产生的短脉冲激光束在各向异性材料试件表面激发声表 面波信号，对声表面波信号进行傅里叶变换和数据拟合处理，获取试件某方向的色散曲线 的步骤具体为：
[0022] 利用数字示波器和计算机进行傅里叶变换，实现拾振信号的时频域转换信号，得 到相频拾振信号；
[0023] 获取声表面波对应不同频率成分下的相速度；
[0024] 对相速度进行拟合处理，获得最为接近的真值相速度，以及由于待测试件物理性 能突变所导致的相速度波动区间；
[0025] 将真值相速度、最小测量相速度和最大测量相速度作为判断所测数据有效性的重 要依据。
[0026] 其中，所述将实验获得的色散曲线与理论计算 得到的色散曲线对比，从而确定被 测试件的杨氏模量值的步骤具体为：
[0027] 将数值模型式中的理论相速度分别替换为真值相速度、最小相速度和最大相速 度，并带入密度、泊松比，通过非线性方程的求解并配合设定求解精度，即可获得杨氏模量 值。
[0028] 本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明通过激光声表面波技术摒弃传统检 测技术的诸多不足，获得各向异性材料表层的杨氏模量值，从而简化实验条件和工业现场 中的测量步骤，缩短工程材料的测试时间，提高试件表面完整性的测试效率，极大的提高检 测水平。本发明的应用可以为先进测试技术开辟更广阔的天地，为制造工业、集成电路工 业、微电子技术领域、生物材料领域、航空航天事业、国防科技行业等各种领域做出贡献。
【附图说明】
[0029] 图1为理论色散曲线的计算流程图；
[0030] 图2为实验信号判断流程图；
[0031] 图3为声表面波在单纯介质内的传播过程示意图；
[0032] 其中，（a)为声表面波传播坐标系；(b)为连续固体介质内微元体的受力状态示意 图；
[0033]图4为一种基于声表面波探测各向异性材料表层杨氏模量的检测方法的流程图。
【具体实施方式】
[0034] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步 地详细描述。
[0035] 实施例1
[0036] 101:由脉冲激光器产生的短脉冲激光束在各向异性材料试件表面激发声表面 波信号，对声表面波信号进行傅里叶变换和数据拟合处理，获取试件某方向的色散曲线 v(f)；
[0038]其中，七和义2为某直线方向上信号拾取点与激发点的两段距离，〇Jf)和〇2(f) 分别为两
[0039] 信号拾取点^和x2处信号的相频特性值，f为声表面波的频率，v为波速。
[0040] 102:在笛卡尔坐标系中，建立声表面波信号在弹性介质内的波动方程，通过设置 初始的参数条件来获得克里斯托弗方程并求解；
[0041] [rJj-pV28 0 (i,j=l,2, 3)
[0042]Fjj -c (l3+b) + (ci2k3+ci3k2) 1213+(cilk3+ci3kl) 1^1:3+(cilk2+ci2kl) 1山
[0044] 其中，ru为克里斯托弗系数；p为弹性介质密度；cijklS弹性刚度常数（即， Cilkl、Ci2k2、Ci3k3、Ci2k3、Ci3k2、Cilk3、Ci3kl、Cilk2和Ci2kl均为在不同i和k下的弹性刚度M数，k为波数）；lp12和13为波传播方向的方向余弦（例如：1 1，1 2= 〇, 13= 〇表示声表面 波沿图3(a)坐标系中Xi*向传播；1 0, 1 2= 1，1 3= 0表示声表面波沿图3(a)坐标系 中12方向传播）^为引入的中间代号。
[0045] 103:根据连续应力边界条件，建立波速v与波数k的对应关系式，通过理论关系式 f=kv/2 31获得理论色散曲线v(f，E)，理论色散曲线的计算流程见图1 ;
[0046] 104:将实验获得的色散曲线v(f)与理论计算得到的色散曲线v(f，E)对比，从而 确定被测试件的杨氏模量值。
[0047] 其中，步骤101的操作具体为：
[0048] 利用数字示波器和计算机进行傅里叶变换，实现拾振信号的时频域转换信号，得 到相频拾振信号；
[0049] 获取声表面波对应不同频率成分下的相速度；
[0050] 对相速度进行拟合处理，获得最为接近的真值相速度，以及由于待测试件物理性 能突变所导致的相速度波动区间；
[0051]将真值相速度、最小测量相速度和最大测量相速度作为判断所测数据有效性的重 要依据。
[0052] 其中，步骤104的操作具体为：
[0053] 将数值模型式中的理论相速度分别替换为真值相速度、最小相速度和最大相速 度，并带入密度、泊松比，通过非线性方程的求解并配合设定求解精度，即可获得杨氏模量 值。
[0054] 综上所述，通过上述的步骤101-步骤104实现了通过激光声表面波技术获得各向 异性材料表层的杨氏模量值，满足了实际应用的需要。
[0055] 下面结合具体的计算公式对实施例1中的操作过程进行详细的描述；
[0056] 实施例2
[0057] 201 :获取声表面波色散曲线并进行曲线拟合，得到试件某方向的色散曲线v(f);
[0058] 利用短脉冲激光器的聚焦光束在试件表面上产生热弹效应，而获得高频复合超声 表面波。在某直线方向上与激发点的两段距离^和1 2处，利用压电传感器配合数据采集电 路对试件表面质点振动进行拾取、转换、放大和滤波处理，获得有效的模拟电信号（Ul(t)和 u2(t))并送入数字示波器进行后续处理。利用数字示波器和计算机将所获信号进行傅里叶 变换，实现拾振信号的时频域转换信号，得到相频拾振信号〇i(f)和〇2(f)。
[0059] 根据关系式：
?得到声表面波在某一方向传播的色散曲线 v(f)。在该色散曲线中的速度参量v为实际获得数据，虽然经过前述降噪、滤波等处理，但 是从实际角度出发，测量结果无法完全切合理论假设，其中仍会出现小幅高频干扰信号，并 且由于待测试件的表面如若残存氧化层或其他种类杂质，都会影响到最终测量准确性。因 此，需要对实验相速度数据vsh(f) (vsh(f)表示对应不同频率下的实验相速度值，下同）进行 拟合处理，获得最为接近真值的相速度?，(/)，以及由于待测试件物理性能突变所导致的相 速度波动区间[vmin(fa)，v_(fb)]，其中fa，fb分别为色散曲线中最小测量相速度vmin(fa)和 最大测量相速度vmax(fb)所对应的频率值。
[0060] 由于待测试件为单介质无色散材料，因此根据波动理论，其声表面波相速度应该 平行于频率轴。而在拟合处理过程中，若采用一阶多项式进行拟合势必会造成拟合结果的 较大偏差。据此，本发明借助统计概率的思想，将各个采样频率点4所对应的相速度Vsh (fi) 视为均匀概率分布，求出此分布的期望值并将其作为真值相速度f(/)。
[0061]此外真值相速度v(/)、最小测量相速度vmin(fa)和最大测量相速度vmax(fb)还可以 作为判断所测数据有效性的重要依据。换言之，通过计算
[0062] 速度分布方差
[0064]速度波动区间Av=vmax (fb) _vmin (fa)彡p，
[0065] 波动上限
?以及波动下限
等指 标参数，判断该次测量是否属于有效测量，判断流程如图2,其中，vsh(f^，vsh(f2). . .vsh(fn) 为各频率采样点f\，f2, . . .fn对应的相速度值；s、p、q和r为根据实际情况所设定的实施标 准，分别使速度分布方差、速度波动区间、波动上限、波动下限在一定范围内变化，其取值大 小由具体应用中的需要进行设定，本发明实施例对此不做限制。
[0066] 202 :超声表面波理论色散曲线推算采样点杨氏模量；
[0067] 声表面波在色散介质中的传播特性主要受到传播方向上该介质的杨氏模量E、泊 松常数v和密度P的影响。声表面波在单纯介质内传播过程分析如图3(a)、图3(b)所 示。假设在半无限大的各向异性介质内（x3<0)，置于笛卡尔坐标系中的固体连续介质由无 数弹性微元六面体（简称微元体）组成。每个微元体的长度、宽度和高度分别为AXl、Ax2 和Ax3，其都受到来自周围各面上的约束力。根据弹性力学理论，可将微元体各面受力分解 为垂直于平面的一个正交应力，和沿着平面方向的两个剪切应力。
[0068] 图3(b)中〇u表示面j内受到沿着i方向的力，其中i，j= 1，2, 3。当弹性波在 介质内传播时，微元体因体积发生变形，其各面上的受力情况发生变化。根据声表面波传播 坐标系中沿Xl、^和x3方向的应力平衡方程，可以得到：
[0072] 式（1)、式⑵和式⑶中，七為和u3分别为微元体沿着x^2和x3方向的位移。 以上三组应力平衡方程组成了弹性介质内微元体在笛卡尔坐标系下的振动方程，简要表示 为：
[0074] 根据爱因斯坦求和 约定并联立广义胡可定律，式（4)可进一步转化为：
[0076] 此式即为非压电介质中涵盖弹性波基本特性的波动方程，式中ciM为弹性刚度常 数，对该方程的解做出如下假设：
[0078] 式中为j虚数单位叫为波的振幅，i= 1，2, 3;k= 2JT/A为波数，即传播波矢； b为声表面波沿深度方向的衰减系数；lp12和1 3为波传播方向的方向余弦；v为波的传播 速度。将式（6)代入波动方程（5)，可以得到如下方程组Jrij-pVSdajiO (i， j=l，2,3) (7)
[0079] 式（7)中，
[0080] Fjj-c (l3+b) + (ci2k3+ci3k2) 1213+(cilk3+ci3kl)1^1:3+(cilk2+ci2kl) 1山
[0082] 式（7)称为克里斯托弗（Christoffel)方程（该部分的详细推导过程为本领域技 术人员所公知，详见参考文献1)。通过此方程，只要给定传播介质的弹性刚度常数c^_kl，便 可算出沿任意方向（li，12, 13)传播的表面波波速和质点位移情况。需要指出的是，为了便 于求解，弹性刚度常数应由四脚标写成两脚标的简化形式，具体简化规则如下面对照关系 式。其中，每一项的左下角为四脚标表示式，右上角为二脚标表示式。
[0084] 下面以立方晶系为例来分析计算。如要保证克里斯托弗方程中幅值ai、a2、和％具 有非零解，须令式（7)中系数行列式的值为零，即：
[0085] [c44b2+c44-pv2]2 (cnb2+cn-pv2) = 0 (8)
[0086] 将此一维方程所包含未知参量b视为变量V的函数，从而可化方程为b的六次方 程，式中cn和C44表示弹性刚度常数的两脚标形式，其取值根据材料不同而改变。经过求解 运算得到：
[0088] 式中，
分别为各向异性介质中体切变波和体纵波的传播 速度。鉴于声表面波的实际物理意义，波的能量多集中于介质表面以下1至2个波长深度 范围内，并且其强度应随着介质深度的增加而衰减，直至无穷远处趋近于零。 分别将式（9)中的b(i)(i= 1，2,3,4,5,6)带入式（8)发现，只有b(1)、b(2)、和b(3)以及其各 自的特征根符合条件。b(4)、b(5)、和b(6)使声表面波随着深度的增加而趋于无穷大，故将其舍 去。
[0089] 为了分析声表面波传播特性，波动方程的解还需要满足介质表面（x3= 0)处的边 界条件。因传播介质与真空介质间不存在力的交换关系，所以其受力状态满足〇31= 〇 32 =〇 33= 〇,进而：
[0091] 由于方程（5)和边界条件（10)彼此是独立的，与b(i)的相对应的特征根不可能同 时满足这两组条件。但是，根据线性方程的性质，分别将b(i)和三个特征根相对应的形如 (6)的表达式线性相加，可能使其既满足波动方程，又满足边界条件。在沿着^方向，即 =1、12= 〇、和13= 〇,波方程的解可以与为：
[0093] 式中，Cn为线性组合各个方向分量的加权系数。
[0094] 将式（11)代入式（10)，便得到：
[0095] ci3klak(n)b1(n)Cn= 0 (i,k,n, 1 = 1, 2, 3) (12)
[0096] 令参数Gin=c 则上式具有非零解的条件是它的系数行列式为零，即
[0098] 联立求解式（7)和式（13)，原则上总可以求出声表面波的速度和衰减系数，但是 对于各向异性介质，因求解困难一般不可能得到解析解，因此必须进行数值求解。
[0099] 求数值解的基本思想是：首先给定一个表面波速度的值，将其带入式（7)求出b的 三个根，然后将三个根带入式（13)看是否满足该方程。如果不满足，就另选一个表面波速 度值，再重复上面的步骤，直到满足式（13)为止。
[0100] 203 :拟合实验所获色散曲线并对杨氏模量E进行求解。
[0101] 如前所述，经过计算求解，声表面波的波速满足下列方程：
[0103] 将数值模型式（14)中的理论相速度v(f)替换为所获得的真值相速度R/)、最小 相速度vmin(fa)和最大相速度vmax(fb)数值，并带入密度P、泊松比y，逆向求解以下非线 性方程：
[0105] 以上三个方程分别为被测试件的绝对杨氏模量互、最小杨氏模量￡3和最大杨氏模 量Eb的非线性方程。通过非线性方程的求解并配合设定求解精度，即可获得以上三个待测 指标五，Ea以及Eb。
[0106] 综上所述，通过上述的步骤201-步骤203实现了通过激光声表面波技术获得各向 异性材料表层的杨氏模量值，满足了实际应用的需要。本发明的应用可以为先进测试技术 开辟更广阔的天地，为制造工业、集成电路工业、微电子技术领域、生物材料领域、航空航天 事业、国防科技行业等各种领域做出贡献。
[0107] 参考文献
[0108] 武以立，邓胜刚，王永德.声表面波原理及其在电子技术中的应用.北京：国防工 业出版社，1983.
[0109] 本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例 序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0110] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和 原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于声表面波探测各向异性材料表层杨氏模量的检测方法，其特征在于，所述 检测方法包括以下步骤： 由脉冲激光器产生的短脉冲激光束在各向异性材料试件表面激发声表面波信号，对声 表面波信号进行傅里叶变换和数据拟合处理，获取试件某方向的色散曲线； 在笛卡尔坐标系中，建立声表面波信号在弹性介质内的波动方程，通过设置初始的参 数条件来获得克里斯托弗方程并求解； 根据连续应力边界条件，建立波速与波数的对应关系式，通过理论关系式获得理论色 散曲线； 将实验获得的色散曲线与理论计算得到的色散曲线对比，从而确定被测试件的杨氏模 量值。2. 根据权利要求1所述的一种基于声表面波探测各向异性材料表层杨氏模量的检测 方法，其特征在于，所述由脉冲激光器产生的短脉冲激光束在各向异性材料试件表面激发 声表面波信号，对声表面波信号进行傅里叶变换和数据拟合处理，获取试件某方向的色散 曲线的步骤具体为： 利用数字示波器和计算机进行傅里叶变换，实现拾振信号的时频域转换信号，得到相 频拾振信号； 获取声表面波对应不同频率成分下的相速度； 对相速度进行拟合处理，获得最为接近的真值相速度，以及由于待测试件物理性能突 变所导致的相速度波动区间； 将真值相速度、最小测量相速度和最大测量相速度作为判断所测数据有效性的重要依 据。3. 根据权利要求1所述的一种基于声表面波探测各向异性材料表层杨氏模量的检测 方法，其特征在于，所述将实验获得的色散曲线与理论计算得到的色散曲线对比，从而确定 被测试件的杨氏模量值的步骤具体为： 将数值模型式中的理论相速度分别替换为真值相速度、最小相速度和最大相速度，并 带入密度、泊松比，通过非线性方程的求解并配合设定求解精度，即可获得杨氏模量值。
【专利摘要】本发明公开了一种基于声表面波探测各向异性材料表层杨氏模量的检测方法，包括：由脉冲激光器产生的短脉冲激光束在各向异性材料试件表面激发声表面波信号，对声表面波信号进行傅里叶变换和数据拟合处理，获取试件某方向的色散曲线；在笛卡尔坐标系中，建立声表面波信号在弹性介质内的波动方程，通过设置初始的参数条件来获得克里斯托弗方程并求解；根据连续应力边界条件，建立波速与波数的对应关系式，通过理论关系式获得理论色散曲线；将实验获得的色散曲线与理论计算得到的色散曲线对比，确定被测试件的杨氏模量值。本发明通过激光声表面波技术获得各向异性材料表层的杨氏模量值，简化实验条件和工业现场中的测量步骤，缩短工程材料的测试时间。
【IPC分类】G01N21/17
【公开号】CN104897578
【申请号】CN201510319713
【发明人】林滨, 武小东, 李新月, 许京磊, 盛金月, 常志新
【申请人】天津大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月9日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及材料性能检测技术领域，尤其涉及一种基于声表面波探测各向异性材 料表层杨氏模量的检测方法。
【背景技术】
[0002] 随着科学技术的迅猛发展，以高温、高压、高速度和高负荷为标志的现代工业对于 产品质量的要求也愈加严格。作为产品质量控制和设备安全运行保障的主要手段，检测技 术在现代制造业中发挥着其至关重要的作用，享有"工业卫士"的美誉。与传统的损伤性检 测技术相比，无损检测技术能够在保证产品质量的前提下，不破坏产品原来的形状，确保产 品的使用性能和安全可靠性，从而适应现代工业技术的发展潮流。当前国内外无损检测的 相关技术主要包括射线检测、渗透检测法、电磁检测、涡流检测、扫描电子显微镜法、红外无 损检测、超声波检测等。
[0003] 射线检测是通过被测试件对透射线的不同吸收程度来检测被测件内部缺陷的探 伤方法，目前常用的射线检测技术主要有y射线、X射线以及中子射线等，其中X射线应 用最为普遍。射线检测技术通常情况下应用在焊缝及铸件中的气孔、未焊透、夹渣、冷隔等 缺陷的检测中，该检测方法可以直观形象的显示出被测试件表面甚至内部的缺陷图像，不 但可以进行缺陷的定性分析，而且可以定量分析缺陷损伤，金属、非金属、复合材料等所有 材料都能够使用射线检测方法进行缺陷的检测，但是射线检测技术的缺点是射线对人体有 害，检测成本高，而且操作程序较为复杂，难于检测到与射线方向垂直的表面层缺陷。
[0004] 渗透检测是利用毛细管的作用原理来探测试件表面的开口损伤，该方法主要是将 渗透液渗透到有缺陷的地方，用去除剂清洗掉表面的渗透液后用显像剂析出渗透液（毛细 管作用）再进行检查，主要包括渗透、清洗、显像、检查等步骤。渗透检测方法的检测过程 操作简单，成本较低，可检测多种类型的缺陷和各种材料，其缺点是仅可以检测出试件表面 的开口缺陷，无法显示亚表面、表面内部的缺陷，而且多孔材料的损伤检测一般不使用该方 法。实际应用中，渗透检测主要应用于陶瓷、玻璃制品的表面裂纹、非多孔材料等缺陷检测。
[0005] 电磁检测又称为磁粉检测，主要检测过程是将被测试件放置于磁粉的环境下，当 磁性材料试件被磁粉磁化后，因为试件损伤导致材料的不连续性，被测试件表面和亚表面 的磁力线会发生相应的局部变形，进而产生了漏磁场，在适当的光照下，吸附在被测试件表 面的磁粉便形成可目测的磁痕，因此可以根据磁痕的特性来判断显示缺陷的特点。磁粉检 测方法操作方便、设备应用简单，能够迅速直接的观察到缺陷位置和大小，检测灵敏度高， 但是该技术对被检测试件材料有要求，检测对象只能是铁磁性材料，某些场合检测后还需 要为工件退磁。因为该方法简单直观等优点，依然在航空、航天、石油等各行业使用。
[0006] 涡流检测是利用电磁感应原理来探测导电材料表面层以及近表面层损伤的方法， 该检测技术检测速度快，检测灵敏度高，适合大小各异的缺陷、形状多样的材料和小零件的 损伤检测，还可以在高温环境下进行损伤检测，而且在检测缺陷损伤的同时可检测材料的 电导率、磁导率、几何尺寸等，其缺点是仅可以检测导电材料的损伤，而且很难判别缺陷类 型。
[0007] 扫描电子显微镜法是一种电子光学检测技术，其主要原理是细聚焦高压电子束在 试件表面扫描时激发出电子、可见光等物理信号，利用这些物理信号来调制成图像，可以得 到有关物质微观形貌的信息。扫描电子显微镜法可以直观试件内部缺陷，并且能够从各种 角度观察，但是其局限性是很难在提高分辨率的同时满足扩大视场的要求。
[0008] 红外无损检测技术是一种现代无损检测技术，该检测方法是利用红外成像原理， 应用主动式受控加热来激发被检测对象的缺陷的方法，应用于检测中的热源一般是大功率 闪光灯、激光、电磁感应等。该检测方法具有图像直观、速度快、测量范围广等优点，缺点是 测量灵敏度受试件表面及基底的辐射影响，较难分辨出原试件，而且需要参考相应的标准 才能确定缺陷的位置、大小和形状等，对操作人员具有较高的技术要求。
[0009] 在众多的检测技术之中，利用超声波对工件的表面完整性进行研宄一直占据着测 量领域的热门地位。传统超声检测技术在作用时需要使用一种超声耦合剂，耦合剂的作用 是除去探头和试件间的空气，能够使超声波渗透到试件内部完成损伤检测，超声耦合剂的 使用提高了传统超声波检测的灵敏度和可靠性，但是由于大多数的耦合剂的物理和化学特 性容易受温度影响，随着检测环境下温度的升高，耦合剂的特性就会发生改变，最终会影响 实际检测结果。
[0010] 激光激发声表面波技术（LaserGeneratedSurfaceAcousticWave:LSAW)是在 传统超声检测技术基础上发展起来的一种现代无损检测技术，自1963年R.M.White提出在 固体表面激发声表面波的方法后，激光超声的激发原理和该技术在物理、化学、表面科学、 材料科学及生物医学等领域的应用得到了迅速的发展，应用声表面波技术探测各向异性材 料的杨氏模量可以为无损检测技术提供依据，同时激光超声技术激发的声表面波在材料表 面和亚表面的微裂纹损伤检测中的应用也备受关注。其应用涉及到光学、电学、声学、热学 及材料学等学科，它的发展规避了传统超声检测的不足，与传统超声检测技术相比，激光超 声表面波检测技术具有以下优点：
[0011] 1)在激光声表面波检测中，激光与被测试件之间不需要耦合剂，因此其激发是非 接触式的，不仅可以避免耦合剂产生的影响，而且可以实现声表面波远距离的激发和接收， 能够使该检测方法在高温、高压、有毒、辐射等恶劣环境中工作，增加了检测技术的应用范 围。
[0012] 2)表面波在被测试件内传播时可携带试件表面、亚表面缺陷信息，如杨氏模量、泊 松比、密度等机械物理性能参数，可以更准确直接的表达缺陷损伤的程度并做出损伤评估。
[0013] 3)由于声表面波的大部分能量集中在被测试件的表面，随着离开表面的深度能量 呈指数衰减，因此该技术从物理特性上来看非常适合检测超薄材料的缺陷损伤。
[0014] 4)由激光器激发的声表面波的脉冲宽度和激光束的脉宽有相同的数量级，要提高 声表面波技术的检测精度和检测微损伤的能力，就对声表面波的幅值、波长以及频率有一 定的要求。而由于激光测量技术的发展，目前激光器的脉冲宽度能够达到纳秒甚至更小，相 应的激光声表面波的振幅会大大提高，频率可以到千兆赫兹量级，波长也会到达微米量级， 因此激光声表面波的检测精度得到了提高，所能检测的损伤层厚度也越来越小。
【发明内容】
[0015] 本发明提供了一种基于声表面波探测各向异性材料表层杨氏模量的检测方法，本 发明缩短了工程材料的测试时间，提高了试件表面完整性的测试效率，极大的提高检测水 平，详见下文描述：
[0016] 一种基于声表面波探测各向异性材料表层杨氏模量的检测方法，所述检测方法包 括以下步骤：
[0017] 由脉冲激光器产生的短脉冲激光束在各向异性材料试件表面激发声表面波信号， 对声表面波信号进行傅里叶变换和数据拟合处理，获取试件某方向的色散曲线；
[0018] 在笛卡尔坐标系中，建立声表面波信号在弹性介质内的波动方程，通过设置初始 的参数条件来获得克里斯托弗方程并求解；
[0019] 根据连续应力边界条件，建立波速与波数的对应关系式，通过理论关系式获得理 论色散曲线；
[0020] 将实验获得的色散曲线与理论计算得到的色散曲线对比，从而确定被测试件的杨 氏模量值。
[0021 ] 其中，所述由脉冲激光器产生的短脉冲激光束在各向异性材料试件表面激发声表 面波信号，对声表面波信号进行傅里叶变换和数据拟合处理，获取试件某方向的色散曲线 的步骤具体为：
[0022] 利用数字示波器和计算机进行傅里叶变换，实现拾振信号的时频域转换信号，得 到相频拾振信号；
[0023] 获取声表面波对应不同频率成分下的相速度；
[0024] 对相速度进行拟合处理，获得最为接近的真值相速度，以及由于待测试件物理性 能突变所导致的相速度波动区间；
[0025] 将真值相速度、最小测量相速度和最大测量相速度作为判断所测数据有效性的重 要依据。
[0026] 其中，所述将实验获得的色散曲线与理论计算 得到的色散曲线对比，从而确定被 测试件的杨氏模量值的步骤具体为：
[0027] 将数值模型式中的理论相速度分别替换为真值相速度、最小相速度和最大相速 度，并带入密度、泊松比，通过非线性方程的求解并配合设定求解精度，即可获得杨氏模量 值。
[0028] 本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明通过激光声表面波技术摒弃传统检 测技术的诸多不足，获得各向异性材料表层的杨氏模量值，从而简化实验条件和工业现场 中的测量步骤，缩短工程材料的测试时间，提高试件表面完整性的测试效率，极大的提高检 测水平。本发明的应用可以为先进测试技术开辟更广阔的天地，为制造工业、集成电路工 业、微电子技术领域、生物材料领域、航空航天事业、国防科技行业等各种领域做出贡献。
【附图说明】
[0029] 图1为理论色散曲线的计算流程图；
[0030] 图2为实验信号判断流程图；
[0031] 图3为声表面波在单纯介质内的传播过程示意图；
[0032] 其中，（a)为声表面波传播坐标系；(b)为连续固体介质内微元体的受力状态示意 图；
[0033]图4为一种基于声表面波探测各向异性材料表层杨氏模量的检测方法的流程图。
【具体实施方式】
[0034] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步 地详细描述。
[0035] 实施例1
[0036] 101:由脉冲激光器产生的短脉冲激光束在各向异性材料试件表面激发声表面 波信号，对声表面波信号进行傅里叶变换和数据拟合处理，获取试件某方向的色散曲线 v(f)；
[0038]其中，七和义2为某直线方向上信号拾取点与激发点的两段距离，〇Jf)和〇2(f) 分别为两
[0039] 信号拾取点^和x2处信号的相频特性值，f为声表面波的频率，v为波速。
[0040] 102:在笛卡尔坐标系中，建立声表面波信号在弹性介质内的波动方程，通过设置 初始的参数条件来获得克里斯托弗方程并求解；
[0041] [rJj-pV28 0 (i,j=l,2, 3)
[0042]Fjj -c (l3+b) + (ci2k3+ci3k2) 1213+(cilk3+ci3kl) 1^1:3+(cilk2+ci2kl) 1山
[0044] 其中，ru为克里斯托弗系数；p为弹性介质密度；cijklS弹性刚度常数（即， Cilkl、Ci2k2、Ci3k3、Ci2k3、Ci3k2、Cilk3、Ci3kl、Cilk2和Ci2kl均为在不同i和k下的弹性刚度M数，k为波数）；lp12和13为波传播方向的方向余弦（例如：1 1，1 2= 〇, 13= 〇表示声表面 波沿图3(a)坐标系中Xi*向传播；1 0, 1 2= 1，1 3= 0表示声表面波沿图3(a)坐标系 中12方向传播）^为引入的中间代号。
[0045] 103:根据连续应力边界条件，建立波速v与波数k的对应关系式，通过理论关系式 f=kv/2 31获得理论色散曲线v(f，E)，理论色散曲线的计算流程见图1 ;
[0046] 104:将实验获得的色散曲线v(f)与理论计算得到的色散曲线v(f，E)对比，从而 确定被测试件的杨氏模量值。
[0047] 其中，步骤101的操作具体为：
[0048] 利用数字示波器和计算机进行傅里叶变换，实现拾振信号的时频域转换信号，得 到相频拾振信号；
[0049] 获取声表面波对应不同频率成分下的相速度；
[0050] 对相速度进行拟合处理，获得最为接近的真值相速度，以及由于待测试件物理性 能突变所导致的相速度波动区间；
[0051]将真值相速度、最小测量相速度和最大测量相速度作为判断所测数据有效性的重 要依据。
[0052] 其中，步骤104的操作具体为：
[0053] 将数值模型式中的理论相速度分别替换为真值相速度、最小相速度和最大相速 度，并带入密度、泊松比，通过非线性方程的求解并配合设定求解精度，即可获得杨氏模量 值。
[0054] 综上所述，通过上述的步骤101-步骤104实现了通过激光声表面波技术获得各向 异性材料表层的杨氏模量值，满足了实际应用的需要。
[0055] 下面结合具体的计算公式对实施例1中的操作过程进行详细的描述；
[0056] 实施例2
[0057] 201 :获取声表面波色散曲线并进行曲线拟合，得到试件某方向的色散曲线v(f);
[0058] 利用短脉冲激光器的聚焦光束在试件表面上产生热弹效应，而获得高频复合超声 表面波。在某直线方向上与激发点的两段距离^和1 2处，利用压电传感器配合数据采集电 路对试件表面质点振动进行拾取、转换、放大和滤波处理，获得有效的模拟电信号（Ul(t)和 u2(t))并送入数字示波器进行后续处理。利用数字示波器和计算机将所获信号进行傅里叶 变换，实现拾振信号的时频域转换信号，得到相频拾振信号〇i(f)和〇2(f)。
[0059] 根据关系式：
?得到声表面波在某一方向传播的色散曲线 v(f)。在该色散曲线中的速度参量v为实际获得数据，虽然经过前述降噪、滤波等处理，但 是从实际角度出发，测量结果无法完全切合理论假设，其中仍会出现小幅高频干扰信号，并 且由于待测试件的表面如若残存氧化层或其他种类杂质，都会影响到最终测量准确性。因 此，需要对实验相速度数据vsh(f) (vsh(f)表示对应不同频率下的实验相速度值，下同）进行 拟合处理，获得最为接近真值的相速度?，(/)，以及由于待测试件物理性能突变所导致的相 速度波动区间[vmin(fa)，v_(fb)]，其中fa，fb分别为色散曲线中最小测量相速度vmin(fa)和 最大测量相速度vmax(fb)所对应的频率值。
[0060] 由于待测试件为单介质无色散材料，因此根据波动理论，其声表面波相速度应该 平行于频率轴。而在拟合处理过程中，若采用一阶多项式进行拟合势必会造成拟合结果的 较大偏差。据此，本发明借助统计概率的思想，将各个采样频率点4所对应的相速度Vsh (fi) 视为均匀概率分布，求出此分布的期望值并将其作为真值相速度f(/)。
[0061]此外真值相速度v(/)、最小测量相速度vmin(fa)和最大测量相速度vmax(fb)还可以 作为判断所测数据有效性的重要依据。换言之，通过计算
[0062] 速度分布方差
[0064]速度波动区间Av=vmax (fb) _vmin (fa)彡p，
[0065] 波动上限
?以及波动下限
等指 标参数，判断该次测量是否属于有效测量，判断流程如图2,其中，vsh(f^，vsh(f2). . .vsh(fn) 为各频率采样点f\，f2, . . .fn对应的相速度值；s、p、q和r为根据实际情况所设定的实施标 准，分别使速度分布方差、速度波动区间、波动上限、波动下限在一定范围内变化，其取值大 小由具体应用中的需要进行设定，本发明实施例对此不做限制。
[0066] 202 :超声表面波理论色散曲线推算采样点杨氏模量；
[0067] 声表面波在色散介质中的传播特性主要受到传播方向上该介质的杨氏模量E、泊 松常数v和密度P的影响。声表面波在单纯介质内传播过程分析如图3(a)、图3(b)所 示。假设在半无限大的各向异性介质内（x3<0)，置于笛卡尔坐标系中的固体连续介质由无 数弹性微元六面体（简称微元体）组成。每个微元体的长度、宽度和高度分别为AXl、Ax2 和Ax3，其都受到来自周围各面上的约束力。根据弹性力学理论，可将微元体各面受力分解 为垂直于平面的一个正交应力，和沿着平面方向的两个剪切应力。
[0068] 图3(b)中〇u表示面j内受到沿着i方向的力，其中i，j= 1，2, 3。当弹性波在 介质内传播时，微元体因体积发生变形，其各面上的受力情况发生变化。根据声表面波传播 坐标系中沿Xl、^和x3方向的应力平衡方程，可以得到：
[0072] 式（1)、式⑵和式⑶中，七為和u3分别为微元体沿着x^2和x3方向的位移。 以上三组应力平衡方程组成了弹性介质内微元体在笛卡尔坐标系下的振动方程，简要表示 为：
[0074] 根据爱因斯坦求和 约定并联立广义胡可定律，式（4)可进一步转化为：
[0076] 此式即为非压电介质中涵盖弹性波基本特性的波动方程，式中ciM为弹性刚度常 数，对该方程的解做出如下假设：
[0078] 式中为j虚数单位叫为波的振幅，i= 1，2, 3;k= 2JT/A为波数，即传播波矢； b为声表面波沿深度方向的衰减系数；lp12和1 3为波传播方向的方向余弦；v为波的传播 速度。将式（6)代入波动方程（5)，可以得到如下方程组Jrij-pVSdajiO (i， j=l，2,3) (7)
[0079] 式（7)中，
[0080] Fjj-c (l3+b) + (ci2k3+ci3k2) 1213+(cilk3+ci3kl)1^1:3+(cilk2+ci2kl) 1山
[0082] 式（7)称为克里斯托弗（Christoffel)方程（该部分的详细推导过程为本领域技 术人员所公知，详见参考文献1)。通过此方程，只要给定传播介质的弹性刚度常数c^_kl，便 可算出沿任意方向（li，12, 13)传播的表面波波速和质点位移情况。需要指出的是，为了便 于求解，弹性刚度常数应由四脚标写成两脚标的简化形式，具体简化规则如下面对照关系 式。其中，每一项的左下角为四脚标表示式，右上角为二脚标表示式。
[0084] 下面以立方晶系为例来分析计算。如要保证克里斯托弗方程中幅值ai、a2、和％具 有非零解，须令式（7)中系数行列式的值为零，即：
[0085] [c44b2+c44-pv2]2 (cnb2+cn-pv2) = 0 (8)
[0086] 将此一维方程所包含未知参量b视为变量V的函数，从而可化方程为b的六次方 程，式中cn和C44表示弹性刚度常数的两脚标形式，其取值根据材料不同而改变。经过求解 运算得到：
[0088] 式中，
分别为各向异性介质中体切变波和体纵波的传播 速度。鉴于声表面波的实际物理意义，波的能量多集中于介质表面以下1至2个波长深度 范围内，并且其强度应随着介质深度的增加而衰减，直至无穷远处趋近于零。 分别将式（9)中的b(i)(i= 1，2,3,4,5,6)带入式（8)发现，只有b(1)、b(2)、和b(3)以及其各 自的特征根符合条件。b(4)、b(5)、和b(6)使声表面波随着深度的增加而趋于无穷大，故将其舍 去。
[0089] 为了分析声表面波传播特性，波动方程的解还需要满足介质表面（x3= 0)处的边 界条件。因传播介质与真空介质间不存在力的交换关系，所以其受力状态满足〇31= 〇 32 =〇 33= 〇,进而：
[0091] 由于方程（5)和边界条件（10)彼此是独立的，与b(i)的相对应的特征根不可能同 时满足这两组条件。但是，根据线性方程的性质，分别将b(i)和三个特征根相对应的形如 (6)的表达式线性相加，可能使其既满足波动方程，又满足边界条件。在沿着^方向，即 =1、12= 〇、和13= 〇,波方程的解可以与为：
[0093] 式中，Cn为线性组合各个方向分量的加权系数。
[0094] 将式（11)代入式（10)，便得到：
[0095] ci3klak(n)b1(n)Cn= 0 (i,k,n, 1 = 1, 2, 3) (12)
[0096] 令参数Gin=c 则上式具有非零解的条件是它的系数行列式为零，即
[0098] 联立求解式（7)和式（13)，原则上总可以求出声表面波的速度和衰减系数，但是 对于各向异性介质，因求解困难一般不可能得到解析解，因此必须进行数值求解。
[0099] 求数值解的基本思想是：首先给定一个表面波速度的值，将其带入式（7)求出b的 三个根，然后将三个根带入式（13)看是否满足该方程。如果不满足，就另选一个表面波速 度值，再重复上面的步骤，直到满足式（13)为止。
[0100] 203 :拟合实验所获色散曲线并对杨氏模量E进行求解。
[0101] 如前所述，经过计算求解，声表面波的波速满足下列方程：
[0103] 将数值模型式（14)中的理论相速度v(f)替换为所获得的真值相速度R/)、最小 相速度vmin(fa)和最大相速度vmax(fb)数值，并带入密度P、泊松比y，逆向求解以下非线 性方程：
[0105] 以上三个方程分别为被测试件的绝对杨氏模量互、最小杨氏模量￡3和最大杨氏模 量Eb的非线性方程。通过非线性方程的求解并配合设定求解精度，即可获得以上三个待测 指标五，Ea以及Eb。
[0106] 综上所述，通过上述的步骤201-步骤203实现了通过激光声表面波技术获得各向 异性材料表层的杨氏模量值，满足了实际应用的需要。本发明的应用可以为先进测试技术 开辟更广阔的天地，为制造工业、集成电路工业、微电子技术领域、生物材料领域、航空航天 事业、国防科技行业等各种领域做出贡献。
[0107] 参考文献
[0108] 武以立，邓胜刚，王永德.声表面波原理及其在电子技术中的应用.北京：国防工 业出版社，1983.
[0109] 本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例 序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0110] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和 原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于声表面波探测各向异性材料表层杨氏模量的检测方法，其特征在于，所述 检测方法包括以下步骤： 由脉冲激光器产生的短脉冲激光束在各向异性材料试件表面激发声表面波信号，对声 表面波信号进行傅里叶变换和数据拟合处理，获取试件某方向的色散曲线； 在笛卡尔坐标系中，建立声表面波信号在弹性介质内的波动方程，通过设置初始的参 数条件来获得克里斯托弗方程并求解； 根据连续应力边界条件，建立波速与波数的对应关系式，通过理论关系式获得理论色 散曲线； 将实验获得的色散曲线与理论计算得到的色散曲线对比，从而确定被测试件的杨氏模 量值。2. 根据权利要求1所述的一种基于声表面波探测各向异性材料表层杨氏模量的检测 方法，其特征在于，所述由脉冲激光器产生的短脉冲激光束在各向异性材料试件表面激发 声表面波信号，对声表面波信号进行傅里叶变换和数据拟合处理，获取试件某方向的色散 曲线的步骤具体为： 利用数字示波器和计算机进行傅里叶变换，实现拾振信号的时频域转换信号，得到相 频拾振信号； 获取声表面波对应不同频率成分下的相速度； 对相速度进行拟合处理，获得最为接近的真值相速度，以及由于待测试件物理性能突 变所导致的相速度波动区间； 将真值相速度、最小测量相速度和最大测量相速度作为判断所测数据有效性的重要依 据。3. 根据权利要求1所述的一种基于声表面波探测各向异性材料表层杨氏模量的检测 方法，其特征在于，所述将实验获得的色散曲线与理论计算得到的色散曲线对比，从而确定 被测试件的杨氏模量值的步骤具体为： 将数值模型式中的理论相速度分别替换为真值相速度、最小相速度和最大相速度，并 带入密度、泊松比，通过非线性方程的求解并配合设定求解精度，即可获得杨氏模量值。
【专利摘要】本发明公开了一种基于声表面波探测各向异性材料表层杨氏模量的检测方法，包括：由脉冲激光器产生的短脉冲激光束在各向异性材料试件表面激发声表面波信号，对声表面波信号进行傅里叶变换和数据拟合处理，获取试件某方向的色散曲线；在笛卡尔坐标系中，建立声表面波信号在弹性介质内的波动方程，通过设置初始的参数条件来获得克里斯托弗方程并求解；根据连续应力边界条件，建立波速与波数的对应关系式，通过理论关系式获得理论色散曲线；将实验获得的色散曲线与理论计算得到的色散曲线对比，确定被测试件的杨氏模量值。本发明通过激光声表面波技术获得各向异性材料表层的杨氏模量值，简化实验条件和工业现场中的测量步骤，缩短工程材料的测试时间。
【IPC分类】G01N21/17
【公开号】CN104897578
【申请号】CN201510319713
【发明人】林滨, 武小东, 李新月, 许京磊, 盛金月, 常志新
【申请人】天津大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月9日
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