计算激光声表面波频散曲线的方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911114048.4 (22)申请日 2019.11.14 (71)申请人 天津大学 地址 300072 天津市南开区卫津路92号 (72)发明人 林滨刘再蔚梁小虎杜安尧 (74)专利代理机构 天津市北洋有限责任专利代 理事务所 12201 代理人 潘俊达 (51)Int.Cl. G01N 29/04(2006.01) G01N 29/44(2006.01) G01L 1/25(2006.01) (54)发明名称 一种计算激光声表面波频散曲线的方法 (57)摘要 本发明属。

2、于无损检测技术领域， 具体涉及一 种计算激光声表面波频散曲线的方法， 包括如下 步骤： 利用脉冲激光在薄膜/基体的表层激发复 频声表面波， 在不同位置处拾取其垂直位移信 号， 通过对其进行同步压缩小波变换得到时频分 布图， 提取时频分布图中不同频率下能量峰值的 时间信息， 从而计算得到激光声表面波频散曲 线。 该方法计算激光声表面波频散曲线的准确度 高。 权利要求书1页 说明书3页 附图4页 CN 110865123 A 2020.03.06 CN 110865123 A 1.一种计算激光声表面波频散曲线的方法， 其特征在于， 包括如下步骤： S1、 利用脉冲激光在薄膜/基体结构的表层激发复频。

3、声表面波， 在距离激发点2-10mm的 范围内， 拾取一组等间隔点的垂直位移信号， 即声表面波信号； S2、 将垂直位移信号进行同步压缩小波变换， 得到各点声表面波的时频分布图； S3、 设定能量阈值， 将S2得到的时频分布图中的微弱信号剔除， 通过提取处理后的时频 分布图中不同频率下能量峰值的时间， 并结合公式(1)得到激光声表面波的频散曲线； 公式(1)如下所示： 式中， Cg(f)是频率为f的激光声表面波的群速度,ti(f)和tj(f)分别是频率为f的激光 声表面波到达xi和xj的时间。 权利要求书 1/1 页 2 CN 110865123 A 2 一种计算激光声表面波频散曲线的方法 技。

4、术领域 0001 本发明属于无损检测技术领域， 具体涉及一种计算激光声表面波频散曲线的方 法。 背景技术 0002 声表面波(SAW)是瑞利在1885年研究地震波时发现的。 它是沿着表面传播的弹性 波， 其穿透深度约为一个波长。 20世纪大量压电材料的产生为声表面波研究提供了必要的 材料基础， 并逐渐得到实际应用。 激光器的产生和发展突破了只能由压电材料产生声表面 波的局限性。 从此以后， 激光声表面波(LSAW)被逐渐应用于表面性质的研究， 并成为无损检 测的研究热点。 0003 声表面波速度的相对变化是测量表面性质的主要标准， 在残余应力、 弹性常数及 硬度等表面性质的测量方面都显示出不同。

5、程度的成功。 然而该方法获得的测量值是相关表 面性质在一定深度范围内的平均值， 并不能表征其在深度方向上的分布。 由于LSAW是宽频 带波， 并且不同频率的声表面波对应的波长不同， 因此当LSAW在非均匀介质中传播时会发 生频散现象。 目前， 该现象已成功应用于分层介质的力学性能测试。 LSAW在分层介质中传播 的频散现象主要由频散曲线表征， 因此频散曲线的计算对于表面性质的准确反演至关重 要。 在通常情况下， 通过对LSAW进行快速傅立叶变换获得相速度频散曲线， 但是由于LSAW是 瞬态非周期性信号， 因此该计算方法具有较大的误差。 当前针对非平稳信号的分析主要是 基于时频分析方法， 连续小。

6、波变换(CWT)已经被用来计算群速度频散曲线。 但是CWT时频图 的分辨率低， 并且容易在频率方向上扩展， 因此所得到的频散曲线仍然不准确。 0004 综上可知， 相关技术存在缺陷， 亟待完善。 发明内容 0005 本发明的目的在于： 针对现有技术的不足， 而提供一种计算激光声表面波频散曲 线的方法， 提高了计算激光声表面波频散曲线的准确度。 0006 为实现上述目的， 本发明采用如下技术方案： 0007 一种计算激光声表面波频散曲线的方法， 包括如下步骤： 0008 S1、 利用脉冲激光在薄膜/基体结构的表层激发复频声表面波， 在距离激发点2- 10mm的范围内， 拾取一组等间隔点的垂直位移。

7、信号， 即声表面波信号； 0009 S2、 将垂直位移信号进行同步压缩小波变换， 得到各点声表面波的时频分布图； 0010 S3、 设定能量阈值， 将S2得到的时频分布图中的微弱信号剔除， 通过提取处理后的 时频分布图中不同频率下能量峰值的时间， 并结合公式(1)得到激光声表面波的频散曲线； 0011 公式(1)如下所示： 0012 0013 式中， Cg(f)是频率为f的激光声表面波的群速度,ti(f)和tj(f)分别是频率为f的 说明书 1/3 页 3 CN 110865123 A 3 激光声表面波到达xi和xj的时间。 0014 与现有技术相比， 本申请的有益效果是： 1、 相较于传统傅。

8、立叶变换方法， 该方法计 算得到的激光声表面波频散曲线相拥有更高的准确度； 0015 2、 基于同步压缩小波变换的时频分析很好地展现出了激光声表面波的能量分布 及演变特点， 为后续的相关研究奠定了基础。 附图说明 0016 此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解， 构成本发明的一部分， 本发 明的示意性实施例及其说明用于解释本发明， 并不构成对本发明的不当限定。 在附图中： 0017 图1为本发明实施例中的流程图； 0018 图2为本发明实施例中薄膜/基体结构的有限元模型示意图； 0019 图3为本发明实施例中距离激发源2mm处的声表面波信号图； 0020 图4为本发明实施例中距离激发源。

9、4mm处的声表面波信号图； 0021 图5为本发明实施例中距离激发源6mm处的声表面波信号图； 0022 图6为本发明实施例中三个声表面波信号通过同步压缩小波变换得到的时频分布 图； 0023 图7为本发明实施例中理论及测试所得的群速度频散曲线。 具体实施方式 0024 如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。 本领域技术人员应 可理解， 硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。 本说明书及权利要求并不以名 称的差异来作为区分组件的方式， 而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。 如在通 篇说明书及权利要求当中所提及的 “包含” 为一开放式用语， 故应解释成 “包含但不限定。

10、 于” 。“大致” 是指在可接受的误差范围内， 本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述 技术问题， 基本达到所述技术效果。 0025 在本发明的描述中， 需要理解的是， 术语 “上” 、“下” 、“前” 、“后” 、“左” 、“右” 、“水 平” 等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系， 仅是为了便于描述本发 明和简化描述， 而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、 以特定的方位 构造和操作， 因此不能理解为对本发明的限制。 0026 在本发明中， 除非另有明确的规定和限定， 术语 “安装” 、“相连” 、“连接” 、“固定” 等 术语应做广义理解， 例如， 可以。

11、是固定连接， 也可以是可拆卸连接， 或一体地连接； 可以是机 械连接， 也可以是电连接； 可以是直接相连， 也可以通过中间媒介间接相连， 可以是两个元 件内部的连通。 对于本领域的普通技术人员而言， 可以根据具体情况理解上述术语在本发 明中的具体含义。 0027 以下结合附图对本发明作进一步详细说明， 但不作为对本发明的限定。 0028 如图1所示， 一种计算激光声表面波频散曲线的方法， 具体包括如下步骤： 0029 S1、 利用COMSOL有限元软件模拟LSAW在薄膜/基体结构中的传播， 如图2所示。 模型 尺寸为20mm3mm， 其中基体材料为单晶硅， 薄膜材料为ZnO， 厚度为40 m；。

12、 0030 S2、 假设固体材料表面吸收的激光能量将全部转化为热能， 并建立高斯分布的脉 说明书 2/3 页 4 CN 110865123 A 4 冲激光源， 其函数表达为： 0031 PP0I(t)g(O,e) (2) 0032 0033 0034 式中， P是激光束功率， t0是脉冲上升时间， 是光斑半径， e光束方向， O是激光束原 点。 P02104W， t02ns， 0.05mm,e(0,-1)； 0035 S3、 为了减少边界反射波对LSAW传播的影响， 添加低反射边界条件(LBR)。 在建模 过程中使用变网格技术来平衡计算时间与解决方案的有效性。 模型中热源加载区域的温度 发生显。

13、着变化， 因此需要较小的网格元素尺寸。 对于SAW传播的表面， 最大网格元素尺寸应 小于LSAW最小波长的五分之一。 对于该模型， 热源附近的网格尺寸为5 m， 传播表面的网格 尺寸为10 m， 剩余的网格尺寸为40 m； 0036 S4、 在距离激发源2mm、 4mm和6mm处拾取表面波信号， 如图3-4所示。 对其进行同步 压缩小波变换， 得到如图6所示的时频分布图； 0037 S5、 提取各信号时频分布图中不同频率下能量峰值所在的时间信息， 并结合公式 (1)计算得到所测LSAW的频散曲线， 如图7所示。 0038 上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例， 但如前所述， 应当理解本发。

14、明 并非局限于本文所披露的形式， 不应看作是对其他实施例的排除， 而可用于各种其他组合、 修改和环境， 并能够在本文所述发明构想范围内， 通过上述教导或相关领域的技术或知识 进行改动。 而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围， 则都应在本发 明所附权利要求的保护范围内。 说明书 3/3 页 5 CN 110865123 A 5 图1 图2 说明书附图 1/4 页 6 CN 110865123 A 6 图3 图4 说明书附图 2/4 页 7 CN 110865123 A 7 图5 图6 说明书附图 3/4 页 8 CN 110865123 A 8 图7 说明书附图 4/4 页 9 CN 110865123 A 9 。