[发明专利]一种三层结构中间薄层物理特性参数测量方法

说明书

本发明公开了一种三层结构中间薄层物理特性参数测量方法，能够在已知三层结构上层和下层纵波声速、横波声速和密度，及各层的厚度的情况下，实现中间薄层的纵波声速、横波声速和密度的三参数的同时测量，解决传统方法无法测量中间薄层的横纵波声速、密度的问题。

技术领域

本发明属于测控技术领域，尤其涉及一种基于弹性波全波形反演的三层结构中间薄层物理特性参数测量方法。

背景技术

目前测量介质声速的方法主要是TOF法，通过测量波在已知厚度的材料中的传播时长，从而计算出声速。利用此方法测量声速的前提是材料厚度要能作为已知参数，且能够清晰地分辨待测物上下表面回波信号。对于中间薄层材料而言，由于中间层厚度较薄，上下表面回波信号易发生混叠，故此方法不适用。另一种用于测声速的方法为利用声速v、振动频率f和波长λ的关系，实验时用结构相同的一对超声换能器作声压电压之间的转换，利用示波器观察超声波波幅和相位，由振幅法和相位法测定波长，由示波器直接得到频率f，从而计算得到声速。对于薄层材料而言，示波器上的波形容易产生混叠，故无法利用振幅法和相位法测量波长，无法实现对声速的测量。通常的密度测量方法有排量法，通过将待测物体浸入满杯不相溶液体中，通过测量排出液体体积得到待测物体体积，利用称重仪器测出其质量，从而得到待测物的密度。但是排量法需要分离出中间层材料，在不破坏三层材料的条件下并不适用。此外，现有技术中有利用X线测物体密度，通过物体对X线吸收多少间接反映物体密度。这种方法多为定性或半定量测量，对于测量精度要求较高时并不适用。由于三层结构的中间薄层在空间上不可达，且厚度过薄导致无法得到明显的界面回波信息，通过常规方法无法测量中间薄层的横纵波声速、密度和厚度。

发明内容

一种三层结构中间薄层物理特性参数测量方法，包括以下步骤：

步骤一：从三层结构上表面垂直入射超声脉冲，并接收回波信号e；

步骤二：截取所述回波信号e的上界面的一次回波信号S_1e作为观测波场；

步骤三：建立二维三层结构介质模型，设定各层的厚度，根据中间薄层的材料的物理特性参数的常见范围，设定中间薄层的纵波声速V_L、横波声速V_S和介质密度ρ三个物理量的初值；

步骤四：将中间薄层的纵波声速V_L、横波声速V_S和介质密度ρ三个物理量的当前值代入二维三层结构介质模型中，代入关系如式(0)所示：

式中，λ和μ为拉梅系数；

对所述的二维三层结构介质模型进行弹性波全波形正演模拟，计算得到观测点沿z方向速度v_z分量随时间的变化，记为正演回波信号m；其中，z为垂直所述三层结构上表面向下的方向；

步骤五：截取正演回波信号m的上界面的一次回波信号S_1m作为观测波场,计算一次回波信号S_1e与正演回波信号m的上界面的一次回波信号S_1m之间的波场残差ΔS，基于公式(2)，根据波场残差ΔS计算目标函数值E,设可接受的反演波形损失为E_A，判断：当E＜E_A时，输出当前纵波声速V_L、横波声速V_S和密度ρ的值，结束迭代；否则进入步骤六；

E＝||S_1m-S_1e||₂＝||ΔS||₂ (2)