考虑表面粗糙度的接触式超声衰减系数校正研究

摘要

超声衰减系数作为材料的基本声学参数之一，包含材料内部的晶粒尺寸、偏析及位错等相关信息，在超声无损检测中具有重要的意义。超声衰减评价技术作为一种非破坏性的检测方法具有高效、便捷等优点，已经被广泛应用于材料的无损表征。但实际检测时，试件的表面粗糙度会导致声波散射从而引起额外的声波衰减，使得超声衰减系数的测量误差增大，从而降低超声衰减评价的精度。本文探究了表面粗糙度对接触式超声衰减系数的影响并对表面粗糙度引起的声波衰减进行校正，以得到更加精确的超声衰减系数，从而提高超声衰减无损评价的精度。　　首先，本文从声波在粗糙界面的散射传播理论出发，结合接触式超声衰减理论，推导了考虑试件表面粗糙度的超声衰减系数理论计算公式，利用该公式即可校正由表面粗糙度引起的声波衰减。针对超声换能器与试件耦合状态不稳定且不可复现的情况，采用了在测量超声衰减系数的同时测量反射系数的方法，从而保证了测量精度。　　其次，以基于频谱能量的超声衰减系数为基础，获取考虑表面粗糙度的超声衰减系数计算公式中每一项在频域上的积分，得到考虑表面粗糙度的基于频谱能量的超声衰减系数计算公式，弱化了噪声信号对超声衰减系数的影响。　　然后，搭建了超声检测实验平台，该平台包含硬件和软件两个部分。前者主要包括试件的制作，硬件设备的选取以及夹紧装置的设计，后者主要包括数据采集软件和信号处理。利用该实验平台，对不同粗糙度的实验试件进行了检测并对检测结果进行初步分析。　　最后，将测得的数据代入考虑表面粗糙度的超声衰减系数计算公式。结果表明在同一频率下，经过校正的超声衰减系数不随表面粗糙度的变化而变化并且大致分布在一条水平线上，这表明推导的超声衰减系数计算公式能很好地校正表面粗糙度引起的衰减损失。同时，经过表面粗糙度校正的基于频谱能量的超声衰减系数也都分布在一条水平线附近并且其波动相较于同一频率下的衰减系数更小，抗干扰能力更强，校正精度更高。超声衰减系数的校正结果证明了本文提出的考虑粗糙度的超声衰减系数校正方法的有效性和可靠性，为超声衰减无损评价的广泛使用奠定了基础。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.2.1 超声无损检测技术

1.2.2 超声衰减评价法

1.3.1 超声衰减评价技术

1.3.2 超声衰减评价的影响因素

1.4 现阶段主要存在的问题

1.5 本文研究内容

2 考虑表面粗糙度的超声衰减系数校正

2.1 引言

2.2 表面粗糙度特征参数

2.3 超声在金属材料中的传播理论

2.3.1 超声声速

2.3.2 超声波的散射

2.3.3 超声波的衰减

2.4 超声在粗糙界面的传播理论

2.5 接触式超声衰减系数的计算

2.5.1 透射法

2.5.2 反射法

2.6 考虑表面粗糙度的衰减系数校正

2.7 本章小结

3 考虑表面粗糙度的频谱能量超声衰减系数校正

3.1 引言

3.2 理论基础

3.2.1 希尔伯特变换

3.2.2 基于频谱能量的衰减系数

3.3 基于频谱能量的衰减系数校正

3.4 本章小结

4 超声检测实验平台的搭建

4.1 引言

4.2 试件的制作

4.2.1 试件尺寸的确定

4.2.2 试件的加工制备

4.3 实验平台总体框架

4.4.1 工控机

4.4.2 信号发生器

4.4.3 超声换能器

4.4.4 数据采集卡

4.4.5 LabVIEW采集程序

4.4.6 夹紧装置的设计

4.4.7 实验平台的集成

4.5 超声检测实验结果

4.6 本章小结

5 数据分析及结果

5.1 引言

5.2 考虑粗糙度的超声衰减系数分析

5.2.1 透射法测量结果

5.2.2 反射法测量结果

5.3 考虑粗糙度的频谱能量超声衰减系数分析

5.3.1 透射法测量结果

5.3.2 反射法测量结果

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目

C. 学位论文数据集

致谢