CN111780854B - 一种将超声p波平测波速转换为对测波速的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种将超声P波平测波速转换为对测波速的测量方法，包括如下步骤：在棱柱体试件上作出定位标志线，并画出等间距测量标志线，固定超声波检测仪，依次读取每个测距上的首波声时，沿测量标志线逐步切割棱柱体试件，在超声波检测仪上依次读取每个测距上的首波声时，按最小二乘法对对测声时的测距数据求线性回归方程，求出附加测距d0，为平测条件下换能器以内边缘间距S按空间对位关系RP1方式固定所测得的声时，最后采用公式V=(S+d0)/t根据平测法测得的声时计算等效对测波速。超声P波平测—对测波速精确转换，操作简单，能够有效地提高平测—对测波速测量与换算的精度和稳定性。

Description

一种将超声P波平测波速转换为对测波速的测量方法

技术领域

本发明属于超声P波测量领域，尤其是涉及一种将超声P波平测波速转换为对测波速的测量方法。

背景技术

超声P波具有可控性好、测量方便、波速与材料性质相关性好等特点，在无损检测领域得到了广泛应用。在进行原位测试时，由于测点布置位置受到客观条件的限制，往往不能够采用对测法(direct transmission)布置测点，这时就需要采用其它方式来布置测点和测量波速然后进行等效转换，常见的替代测量方式有平测法(indirect transmission)等。

另一方面，目前的超声P波平测—对测波速转换计算方式较为粗略，尚不能很好地考虑换能器在制造过程中可能产生的尺寸误差以及换能器与接触面耦合情况对声时测量结果的影响，即缺少平测时换能器之间实际测量距离的标定方法，在一些应用中有可能导致较大换算误差。

发明内容

本发明针对超声P波平测—对测波速精确转换的需求，提供一种将超声P波平测波速转换为对测波速的测量方法，采用换能器空间对位固定，测量距离标定并计算转换。

本发明的具体技术方案为：一种将超声P波平测波速转换为对测波速的测量方法，包括如下步骤：

（1）标定准备

（1.1）制作各向同性材料棱柱体试件，棱柱体试件的截面最小边长l _min大于超声波波长λ，并制作出可固定平面换能器的光滑平面；

（1.2）超声波检测仪的发射与接收换能器外表面作出用于对比空间位置的定位标志线；

（2）平测声时测定

（2.1）在棱柱体试件上选择一个光滑平整的测试面，在上面画出n条用于固定换能器的等间距测量标志线，测量标志线间距为d，其中n≥3；

（2.2）固定换能器，换能器内边距在两条测量标志线之间，换能器与测试面之间的压力p≥30kPa，并保持不变，记录和保持此时的换能器标志线对位关系为RP1，然后依次改变测距并测量声时；

（2.3）在超声波检测仪上依次读取每个测距上的首波声时，并按测距从小到大记平测得到的声时，测距二维数组为{(t₁,d), (t₂,2d),…}；

（3）对侧声时测定

（3.1）沿步骤（2.1）画出的测量标志线逐步切割棱柱体试件，每步切割完成后，在每个测距的切割截面形心上对位固定换能器，换能器与测试面之间的压力p与平测时一致，记录和保持此时的换能器标志线空间对位关系为RP2，

（3.2）在超声波检测仪上依次读取每个测距上的首波声时，并按测距从小大记对测得到的声时，测距二维数组为{(t'₁,d), (t'₂,2d),…}

（4）换能器测距标定

（4.1）按最小二乘法对对测声时的测距数据求线性回归方程，设数据拟合为y=y₁+c₁x形式，其中c₁为对测波速，y₁为拟合直线在y轴上的截距；

（4.2）按如下公式求出附加测距d₀：

其中n为测量标志线总数，ti为第i个测距上的平测声时；

（4.3）取d₀为平测-对测波速转换标定附加测距，其物理意义为平测条件下换能器以内边缘间距S按空间对位关系RP1方式固定所测得的声时，相当于对测条件下换能器以底面中心间距S+d₀按空间对位关系RP2方式固定所测得的声时。

（5）计算

采用公式V=(S+d₀)/t根据平测法测得的声时计算等效对测波速，其中t为平测声时，S为换能器内边缘距离。

作为优选，棱柱体试件采用采用水泥:砂1:3、且水:灰为0.5:1配合比的国标水泥胶砂制作并养护28天，以保证宏观各向同性。

作为优选，棱柱体试件采用100mm-150mm的方形截面，长度采用1000mm-1500mm。

作为优选，标志线间距d取50mm-100mm，并取测距数量n-1≥5。

作为优选，换能器固定时采用表面有用于空间对位固定的刻度、能在30kPa到100kPa之间调节固定压力的夹；固定换能器时用凡士林作为耦合剂。

作为优选，在超声波检测仪的示波器中根据波形读取声时，采用最大倍数或固定幅值读数法中的一种完成所有测量，每个测距都进行16次读数，去掉最大和最小的3个数据后求出波速平均值作为该测距上的波速。

本发明的有益效果是：通过在棱柱体试件上按照测量标志线固定超声波检测仪的换能器，换能器空间对位固定，结合测量距离标定与计算，使得超声P波平测—对测波速精确转换，操作简单，能够有效地提高平测—对测波速测量与换算的精度和稳定性。

附图说明

图1是本发明一种换能器外壳作标志线示意图；

图2是本发明棱柱体试件表面作等间距测量标志线的示意图；

图3是本发明平测时换能器对位关系示意图；

图4是本发明对测时换能器对位关系示意图；

图5是本发明附加测距计算标定示意图。

图中：1、发射换能器，2、接收换能器，3、定位标志线，4、棱柱体试件，5、测量标志线。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图对本发明作进一步的描述。

实施例：

如图1图2图3图4图5所示，一种将超声P波平测波速转换为对测波速的测量方法，包括如下步骤：

（1）标定准备

（1.1）制作各向同性材料棱柱体试件4，棱柱体试件尺寸为120mm×120mm×1200mm，采用水泥:砂1:3且水:灰0.5:1配合比的水泥胶砂浇入塑料模具，振捣120s和保湿养护28天，并制作出可固定平面换能器的光滑平面；

（1.2）采用NM-4B型超声波仪进行波速测量，换能器频率选40kHz，换能器直径40mm，超声波检测仪的发射换能器1与接收换能器2外表面作出用于对比空间位置的定位标志线3，如图1所示；

（2）平测声时测定

（2.1）在棱柱体试件上选择一个光滑平整的测试面，在上面画出n=11条用于固定换能器的等间距测量标志线5，测量标志线间距为d=100mm，如图2所示，并记对应测量距离d₁=100mm，d₂=200 mm, …, d₁₀=1000mm；

（2.2）固定换能器，换能器内边距在两条测量标志线之间，采用凡士林作为耦合剂，利用辅助夹具施加换能器与测试面之间的压力p=70kPa，并使两个换能器上表面的空间对位标志线垂直棱柱体试件棱边而相互平行，即图3中换能器上的标志线按取α=90°的空间对位关系，并将该空间对位关系记为RP1；

（2.3）按上述固定方式和保持换能器空间对位关系RP1，对从d1到d10的测距依次进行平测，并按前述优选方法读取声时t _i ，按测距从小到大排列得到如下一组声时—距离数据{(46.08，0.1)，(85.60，0.2)，(121.52，0.3)，(157.36，0.4)，(194.52，0.5)， (230.92，0.6)，(267.44， 0.7)，(302.20，0.8)，(339.64，0.9)，(375.80，1.0)}(单位：μs, m)。

（3）对侧声时测定

（3.1）利用混凝土切割机，采用HQP-150A型便携式混凝土切割机，最大切割深度为150mm，切割时采用机械夹具固定棱柱体试件和切割机的相对位置，沿步骤（2.1）画出的测量标志线逐步切割棱柱体试件，每步切除d=100mm宽度的混凝土块，得到与之相对应的棱柱体试件端头测试面间距依次为1000mm，900mm，…，100mm，每步切割完成后，将两个换能器在棱柱体试件切割出来的平面形心上按换能器底面中点对底面中点、空间对位标志线垂直棱柱体试件棱边的方式对位固定，即图4中按取β=90°的空间对位关系，记为RP2，并利用辅助夹具保持换能器与测试面之间的压力p=70kPa；

（3.2）切割和固定后，依次在d₁₀到d₁的测距上进行对测，并按前述优选方法读取声时t' _i ，按测距从小到大排列得到如下一组声时—距离数据{(35.32，0.1)，(70.72，0.2)，(105.00，0.3)，(139.68，0.4)，(172.68，0.5)，(210.40，0.6)，(245.28，0.7)，(280.28，0.8)， (317.92，0.9)，( 354.80，1.0)}(单位：μs, m)；

（4）换能器测距标定

（4.1）将步骤（3.2）得到对测声时—测距数据按最小二乘法对对测声时的测距数据求线性回归方程，设数据拟合为y=y₁+c₁x形式，其中c₁为对测波速，c₁=2826.4m/s，y₁为拟合直线在y轴上的截距， y₁= 0.0039m，拟合结果如图5(a)所示；

（4.2）将d=100mm、步骤（2.3）得到的平测声时t _i 和d₁、得到的y₁= 0.0039m，c₁=2826.4m/s代入下面的公式求出附加测距d₀：

其中n为测量标志线总数，t _i 为第i个测距上的平测声时，经计算，最后得到d₀=0.0534m，平测数据按附加测距修正的效果如图5(b)所示；

（4.3）取d₀=0.0534m为平测-对测波速转换标定附加测距，其物理意义为平测条件下换能器以内边缘间距S按空间对位关系RP1方式固定所测得的声时，相当于对测条件下换能器以底面中心间距S+d₀按空间对位关系RP2方式固定所测得的声时。

（5）计算

（5.1）、平测测量时经标定的换能器须按RP1方式空间对位固定，且固定压力应取p=70kPa，换算结果相应于对测测量时换能器按RP2方式空间对位固定；

（5.2）、按公式V=(S+d₀)/t根据平测声时计算等效对测波速，其中t为平测声时，S为换能器内边缘距离。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种将超声P波平测波速转换为对测波速的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)标定准备

(1.1)制作各向同性材料棱柱体试件，棱柱体试件的截面最小边长l_min大于超声波波长λ，并制作出可固定平面换能器的光滑平面；

(1.2)超声波检测仪的发射与接收换能器外表面作出用于对比空间位置的定位标志线；

(2)平测声时测定

(2.1)在棱柱体试件上选择一个光滑平整的测试面，在上面画出n条用于固定换能器的等间距测量标志线，测量标志线间距为d，其中n≥3；

(2.2)固定换能器，换能器内边距在两条测量标志线之间，换能器与测试面之间的压力p≥30kPa，并保持不变，记录和保持此时的换能器标志线对位关系为RP1，然后依次改变测距并测量声时；

(2.3)在超声波检测仪上依次读取每个测距上的首波声时，并按测距从小到大记平测得到的声时，测距二维数组为{(t₁,d),(t₂,2d),…}；

(3)对测 声时测定

(3.1)沿步骤(2.1)画出的测量标志线逐步切割棱柱体试件，每步切割完成后，在每个测距的切割截面形心上对位固定换能器，换能器与测试面之间的压力p与平测时一致，记录和保持此时的换能器标志线空间对位关系为RP2，

(3.2)在超声波检测仪上依次读取每个测距上的首波声时，并按测距从小大记对测得到的声时，测距二维数组为{(t'₁,d),(t'₂,2d),…}

(4)换能器测距标定

(4.1)按最小二乘法对对测声时的测距数据求线性回归方程，设数据拟合为y＝y₁+c₁x形式，其中c₁为对测波速，y₁为拟合直线在y轴上的截距；

(4.2)按如下公式求出附加测距d₀：

其中n为测量标志线总数，ti为第i个测距上的平测声时；

(4.3)取d₀为平测-对测波速转换标定附加测距，其物理意义为平测条件下换能器以内边缘间距S按空间对位关系RP1方式固定所测得的声时，相当于对测条件下换能器以底面中心间距S+d₀按空间对位关系RP2方式固定所测得的声时；

(5)计算

采用公式V＝(S+d₀)/t根据平测法测得的声时计算等效对测波速，其中t为平测声时，S为换能器内边缘距离。

2.根据权利要求1所述的一种将超声P波平测波速转换为对测波速的测量方法，其特征在于，棱柱体试件采用水泥:砂1:3，且水:灰为0.5:1配合比的国标水泥胶砂制作并养护28天，以保证宏观各向同性。

3.根据权利要求2所述的一种将超声P波平测波速转换为对测波速的测量方法，其特征在于，棱柱体试件采用100mm-150mm的方形截面，长度采用1000mm-1500mm。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种将超声P波平测波速转换为对测波速的测量方法，其特征在于，标志线间距d取50mm-100mm，并取测距数量n-1≥5。

5.根据权利要求1或2或3所述的一种将超声P波平测波速转换为对测波速的测量方法，其特征在于，换能器固定时采用表面有用于空间对位固定的刻度、能在30kPa到100kPa之间调节固定压力的夹具；固定换能器时用凡士林作为耦合剂。

6.根据权利要求1或2或3所述的一种将超声P波平测波速转换为对测波速的测量方法，其特征在于，在超声波检测仪的示波器中根据波形读取声时，采用最大倍数或固定幅值读数法中的一种完成所有测量，每个测距都进行16次读数，去掉最大和最小的3个数据后求出波速平均值作为该测距上的波速。

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