超薄弹性层超声反射纵波频域定征方法

　　1　引言

　　常规的超声波检测方法,如单载频脉冲重合法、共振法以及脉冲回波方法等,在对诸如材料表面保护涂层、粘贴型复合材料粘贴层和扩散型复合材料扩散层等多种超薄的单层和多层介质进行测试时受到本质上的限制,只适用于测试介质厚度h大于测量声波在介质中波长K的样本[1～4]。这里‘超薄’的概念是指待测介质厚度远小于超声波波长,以致采用目前的超声方法无法区分材料前后界面的各次回波信号[5～8]。以往我们已经提出和研究了透射方式下的超薄层频域定征方法,但在某些实际应用场合中,难以从被测样品两侧对其进行测量,或介质单侧清洁度要求较高[9～10]。所以本文在进一步推导超声波垂直入射薄层介质时反射传递函数的基础上,采用单一超声波发射/接收超声波换能器,提出以单层介质反射传递函数幅度谱、相位谱和复谱为基础的频域定征方法和在最小二乘意义上的反向算法对超薄弹性单层介质的声学参数进行定征,适用于上述特殊场合。文章分析了影响估计准确性的各种因素,研究了反射传递函数对材料各声学参数灵敏度函数在误差传递中的意义。实验结果表明,该方法能够对厚度小至百分之一波长薄层介质的声学参数进行测量。

　　2　方法

　　2.1　反射传递函数定义

　　如图1所示为超声波垂直入射超薄单层介质时的多次反射和透射示意图,图中入射波画成斜的利于看清材料内部两界面间多次反射的情况,材料和探头之间使用超声波耦合剂耦合,材料的另一面直接与空气相接触。本文中定义超声波耦合剂、超薄弹性层样品、空气分别是0、1、2号介质,并假设垂直入射的平面波ui在t=0时刻到达介质前界面。

　　在图1中所示u2、u6、u10,…分别是第1、2、3次和其后的反射波,在材料是薄层介质时,多次反射波在时域上混叠在一起,由透射接收探头和发射探头得到的是材料的总体反射波ur。设发射探头前界面位于x=0处,则经过较为复杂的推导,则由发射/接收换能器接收到的总体反射波urc应为如下形式:

　　cc、hc分别是耦合剂的声速和厚度,Rij和Tij分别表示i介质对j介质的声波反射及透射系数,表达式从略。

　　一般而言,待测试材料的声阻抗比空气大得多,所以上式中的R12≈1。将同种材料的厚(这里“厚”的概念是指时域上能清楚分开不同次反射波)的样品得到的第一次反射波作为参考信号,材料声学系统反射传递函数Hrc(ω)为总体反射波urc频谱与参考信号频谱之间的比值,经推导,Hrc(ω)为如下形式:

　　将薄层弹性材料看作是一个声学系统,此声学系统的透射传递函数和反射传递函数是声速c、厚度h和密度ρ这三个参量的函数。如图2所示是采用本文实验系统,测量厚度为25.4Lm的单层铝箔样品的参考信号和反射信号的时域波形,Sr为数字示波器采样率。