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CN114577911B - 一种利用相位关系测量材料的声非线性系数的方法 - Google Patents

一种利用相位关系测量材料的声非线性系数的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用相位关系测量材料的声非线性系数的方法，是利用有限振幅超声对存在力学非线性的材料进行无损检测，对检测和/或计算所得的位移信号或质点振动速度信号进行Hilbert变换处理，得到非线性信号的相位，再经数值计算得到归一化角频率，从而根据归一化角频率的最大值对声非线性系数进行测量。本发明方法更加简单，且可以扩展实验条件，在距离更远、激励更强、非线性系数更大的条件下仍可测得非线性系数，且测试结果更加准确；本发明的适用条件可接近激波的产生位置。

Description

一种利用相位关系测量材料的声非线性系数的方法
技术领域
本发明涉及一种测量材料的声非线性系数的方法，特别是一种利用相位关系测量材料的声非线性系数的方法。
背景技术
相对二阶线弹性参量，声非线性系数与材料的高阶弹性参量相关，更适合用来反映和评估材料内部的应力集中、微损伤、疲劳程度等，也可以用来检测生物组织内由于病变引起的微小的力学性能变化。利用由这种非线性引起的谐波进行成像，不但能提升微损伤或病变组织的区分度，还能提升图像的分辨率。
一般地，有限振幅超声在材料中传播，会激发出高次谐波，接收的信号为畸变的非线性超声信号。有时也用两种不同频率的超声信号同时激励，产生高次谐波的同时还会产生和频及差频波。实验测量材料非线性系数往往是基于二次谐波的幅度公式将二次谐波与基频信号的幅度进行对比得到非线性系数。但是，由于二次谐波的幅度公式是通过求解非线性声波方程的二阶摄动展开方程得到的，三阶及三阶以上的展开方程被忽略了，这造成二次谐波幅度公式不够精确，致使此方程只能在小幅度激励和短距离传播的实验条件下有相对的可靠性，在激励幅度高、非线性系数大、传播距离远的实验条件下利用此公式会造成较大的误差。其它相关的测量材料非线性系数的方法少见报道，有时利用KZK方程、Westervelt方程和Blackstock方程等进行实验上的定性验证，却很少利用于在非线性系数的定量测量上。
材料的声非线性系数本身并不一定重要，在材料无损检测及医学应用中，相对非线性系数的变化才是人们所关注的。摄动方法得到的非线性系数β＝8A2/(A1 2k2x)，通常也用β'＝A2/A1 2来代替非线性系数，但由于激励信号的位移幅度比较难以测定，可以通过信号的电压进行代替，这需要传感器的灵敏度在两个频率的幅度比较接近。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种利用相位关系测量材料的声非线性系数的方法。本发明方法更加简单，且可以扩展实验条件，在距离更远、激励更强、非线性系数更大的条件下仍可测得非线性系数，且测试结果更加准确；本发明的适用条件可接近激波的产生位置。
本发明的技术方案：一种利用相位关系测量材料的声非线性系数的方法，是利用有限振幅超声对存在力学非线性的材料进行无损检测，对检测和/或计算所得的位移信号或质点振动速度信号进行Hilbert变换处理，得到非线性信号的相位，再经数值计算得到归一化角频率，从而根据归一化角频率的最大值对材料的声非线性系数进行测量。
前述的利用相位关系测量材料的声非线性系数的方法，所述方法包括如下步骤：
1)在材料的一端激励有限振幅超声信号，并在材料中传播，然后被设置在材料另一端的信号接收器接收并传输到信号记录器中记录；
2)根据步骤1)记录的信号获得或计算出位移信号、声压或质点振动速度信号，然后对位移信号或质点振动速度信号进行Hilbert变换，再经数值计算得到非线性信号的归一化角频率，取其中最大值得到非线性信号的归一化角频率的最大值Nmax；
3)利用位移信号的归一化角频率并依据公式β＝4.7ln(1+25lg(Nmax))/xP，或利用质点振动速度的归一化角频率并依据公式β＝1.4ln(1+15lg(Nmax))/xP得到材料的声非线性系数β；其中：x为超声传播距离或材料的厚度、P为声压值。
前述的利用相位关系测量材料的声非线性系数的方法，步骤1)所述有限振幅超声信号为至少20周正弦信号。
前述的利用相位关系测量材料的声非线性系数的方法，步骤1)所述有限振幅超声信号是将信号发生器产生的电信号传输至功率放大器，放大电压后再施加到超声传感器上产生的。
前述的利用相位关系测量材料的声非线性系数的方法，步骤1)所述材料为流体，所述信号接收器为声压接收器，接收到的信号为声压信号P，然后通过公式P＝zv来换算质点振动速度信号v，式中：z为材料的声阻抗；所述位移信号是通过对质点振动速度信号v对时间进行数值积分后获得。
前述的利用相位关系测量材料的声非线性系数的方法，步骤1)所述材料为固体，所述信号接收器为超声传感器，接收到的信号为位移信号，所述质点振动速度信号v是对位移信号对时间进行数值求导后获得，所述声压信号P是通过公式P＝zv换算所得，式中：z为材料的声阻抗。
前述的利用相位关系测量材料的声非线性系数的方法，步骤1)所述信号记录器为示波器或计算机。
前述的利用相位关系测量材料的声非线性系数的方法，步骤2)所述归一化角频率的最大值Nmax的获得过程如下：先对所述的位移信号或质点振动速度信号进行Hilbert变换，得到-π到π的相位；然后对所述相位进行解卷绕后对时间数值求导，对时间的数值求导是将解卷绕后的信号微分后除以时间步长，最后除以激励信号的角频率，即可得到归一化角频率，取其中最大值获得归一化角频率的最大值Nmax。
本发明的有益效果
本发明通过对非线性介质材料检测得到的非线性超声信号进行Hilbert变换处理，得到关于位移或质点振动速度的相位，当信号从线性向非线性加强时，比如非线性系数增大，激励信号增加，传播距离适合等，相位关系中的归一化角频率将从全一直线演化为周期性变化的非全一信号，非线性现象趋于更加明显，归一化角频率的最大值越大。可以根据这种变化趋势对非线性系数进行计算，从而通过拟合公式对相关参数进行计算即可获得材料的声非线性系数。本发明方案更加简单，且可以扩展实验条件，在距离更远、激励更强、非线性系数更大的条件下仍可测得材料的声非线性系数，且测试结果更加准确；本发明的适用条件可接近激波的产生位置。
结合本发明高精确性和无损测量的优点，在无损检测与评估方面，可对材料内部的微损伤进行检测，甚至对材料中的相，如偏析等进行评估。在医学上，可对局部生物组织病变进行检测，利用其引起的力学性能变化所致使的声非线性系数的变化，通过对非线性系数的测量，可以及早发现病变及其位置。
附图说明
附图1是利用位移信号计算的不同激励幅度下的归一化角频率，说明随着激励幅度的增加，非线性趋于明显且归一化角频率的最大值也增大；三种颜色的线分别代表三种激励幅度，实线为仿真计算结果，散点为实验结果。
附图2为实施例1所述测量方法的框架图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
本发明的实施例
实施例1：
一种利用相位关系测量材料的声非线性系数的方法，所述材料为液体水，测量步骤如下：
1)将信号发生器产生的幅度5.0Vpp(可以根据需要进行调整)主频为2.25MHz(与超声传感器的主频相关)的20周正弦信号电信号输入到功率放大器(增益：50dB)中，输出到置于水中的主频为2.25MHz的超声传感器中，传感器产生超声信号后在水中传播，并被置于水中的，被3D位置控制器控制位置的水听器接收并传到示波器或计算机中记录；其装置框架图如图2所示。同时，实验装置可为囊括了信号发生器，放大器，滤波器等的商业化实验系统。
2)步骤1)中的水听器接收的电压信号，通过水听器的灵敏度转换为声压信号P，再通过P＝zv转化为质点振动速度信号v，z为传播介质的声阻抗，质点振动速度信号v对时间进行数值积分后得到位移信号。
3)对位移信号(或质点振动速度信号)进行Hilbert变换，得到非线性信号的相位，进行解卷绕，再除以时间步长和激励信号的角频率，得到归一化角频率，并获得归一化角频率的最大值Nmax。
4)改变测量位置，重复步骤1)-3)，多次测量归一化角频率的最大值Nmax。
5)改变激励幅度，重复步骤1)-3)，多次测量归一化角频率的最大值Nmax。
6)利用质点振动速度信号的归一化角频率的最大值Nmax并依据β＝1.4ln(1+15lg(Nmax))/xP进行计算，式中x为超声传播距离或材料的厚度(单位：m)、P为激励声压值(单位：bar，或105Pa)，得到的声非线性系数为3.48。为了更准确地获得声非线性系数，可利用多次测量的结果对公式里的常系数进行小幅修正，以使相对误差最小，再计算非线性系数更为准确。
实施例2：
一种利用相位关系测量材料的声非线性系数的方法，所述材料为固体铝，步骤如下：
1)将信号发生器产生的幅度5.0Vpp(可以根据需要进行调整)主频为2MHz(与超声传感器的主频相关)的20周正弦信号电信号输入到功率放大器(增益：50dB)中，输出平整铝块的一面的主频为2MHz的超声传感器中，传感器产生超声信号后在铝块中传播，并被置于铝块另一面的宽带超声传感器接收并传到示波器或计算机中记录，宽带超声传感器至少需要覆盖基频和二次谐频。
2)步骤1)中的超声传感器接收的为位移信号，对时间进行数值求导得到质点振动速度信号v。
3)对位移信号(或质点振动速度信号)进行Hilbert变换，得到非线性信号的相位，进行解卷绕，再除以时间步长和角频率，得到归一化角频率，并获得归一化角频率的最大值Nmax。
4)改变激励幅度，重复步骤1)-3)，多次测量归一化角频率的最大值Nmax。
5)利用位移信号的归一化角频率信号的最大值并依据β＝4.7ln(1+25lg(Nmax))/xP得到材料非线性系数,式中：x为超声传播距离或材料的厚度、P为折算的激励声压值，其中P通过P＝zv进行转换，v为质点振动速度信号，z为传播介质的声阻抗。为了更准确地获得非线性系数，可利用多次测量的结果对公式里的常系数进行小幅修正，以使之间的相对误差最小，再计算非线性系数更为准确。
以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造揭露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种利用相位关系测量材料的声非线性系数的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
1）利用有限振幅超声对存在力学非线性的材料进行无损检测，在材料的一端激励有限振幅超声信号，并在材料中传播，然后被设置在材料另一端的信号接收器接收并传输到信号记录器中记录；
2）根据步骤1）记录的信号获得或计算出位移信号、声压或质点振动速度信号，然后对位移信号或质点振动速度信号进行Hilbert变换，再经数值计算得到非线性信号的归一化角频率，取其中最大值得到非线性信号的归一化角频率的最大值N max；其中，归一化角频率的最大值N max的获得过程如下：先对所述的位移信号或质点振动速度信号进行Hilbert变换，得到-π到π的相位；然后对所述相位进行解卷绕后对时间数值求导，对时间的数值求导是将解卷绕后的信号微分后除以时间步长，最后除以激励信号的角频率，即可得到归一化角频率，取其中最大值为归一化角频率的最大值N max；
3）利用位移信号的归一化角频率并依据公式，或利用质点振动速度的归一化角频率并依据公式得到材料的声非线性系数β；其中：x为超声传播距离或材料的厚度、P为声压信号。
2.根据权利要求1所述的利用相位关系测量材料的声非线性系数的方法，其特征在于：步骤1）所述有限振幅超声信号为至少20周正弦信号。
3.根据权利要求1所述的利用相位关系测量材料的声非线性系数的方法，其特征在于：步骤1）所述有限振幅超声信号是将信号发生器产生的电信号传输至功率放大器，放大电压后再施加到超声传感器上产生的。
4.根据权利要求1所述的利用相位关系测量材料的声非线性系数的方法，其特征在于：步骤1）所述材料为流体，所述信号接收器通常为声压接收器，接收到的信号为声压信号P ，然后通过公式P =zv来换算质点振动速度信号v，式中：z为材料的声阻抗；所述位移信号是通过对质点振动速度信号v对时间进行数值积分后获得。
5.根据权利要求1所述的利用相位关系测量材料的声非线性系数的方法，其特征在于：步骤1）所述材料为固体，所述信号接收器为超声传感器，接收到的信号若为位移信号，所述质点振动速度信号v是对位移信号对时间进行数值求导后获得，所述声压信号P是通过公式P =zv换算所得，式中：z为材料的声阻抗。
6.根据权利要求1所述的利用相位关系测量材料的声非线性系数的方法，其特征在于：步骤1）所述信号记录器为示波器或计算机。
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